王德弘,師人杰,趙小盤,鞠彥忠,白俊峰
(1.東北電力大學建筑工程學院,吉林 吉林 132012;2.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518001)
隨著特高壓輸電工程的興起和發(fā)展,由于其線路電壓等級高,鐵塔基礎(chǔ)承受的荷載較大,采用普通的灌注樁往往需要增大基礎(chǔ)設(shè)計尺寸,進而增加工程造價.擠擴支盤樁是在普通灌注樁的基礎(chǔ)上,在樁身不同位置擠擴成支或盤,以擴大直徑[1-2],與等直徑灌注樁相比,支盤樁具有抗壓和抗拔承載力高、工程造價低等優(yōu)點[3-5].
在特高壓輸電線路工程中,基礎(chǔ)荷載大,樁基多以群樁形式出現(xiàn),目前對支盤樁群樁的承載性能和荷載傳遞機理的試驗研究資料較少,特別是支盤樁群樁在豎向和水平荷載共同作用下的受力性狀研究尚未見相關(guān)報道.輸電線路基礎(chǔ)由于所受荷載條件的復(fù)雜性,基礎(chǔ)作用力往往由豎向和水平力共同控制,且豎向荷載和水平荷載之間的耦合作用,使群樁的承載性能和受力性狀等比較復(fù)雜[6-11].
本文以特高壓交流線路工程為背景,通過有限元方法模擬支盤樁群樁的承載性能,比較分析支盤樁群樁在荷載作用下的受力變形特點,以期為輸電線路工程擠擴支盤樁的設(shè)計提供有價值的參考.
圖1 模型網(wǎng)格劃分
文獻[12]依托實際工程,進行了復(fù)合荷載作用下特高壓鐵塔擠擴支盤群樁真型試驗,為了驗證建模方法的有效性,本文首先對文獻[12]中的支盤樁進行建模,模型尺寸和土體參數(shù)與試驗一致.樁周土體寬度從4樁中間對稱面算起取40倍樁徑,土體深度取1倍樁長.根據(jù)模型的對稱性,取1/2模型進行分析,荷載施加在柱頂對稱面內(nèi),在加載之前首先進行土體的初始地應(yīng)力平衡[13-14].有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示.
將有限元計算得到的群樁荷載-位移曲線與試驗結(jié)果進行比較,如圖2所示.由圖2可知,有限元得到的位移結(jié)果略大于試驗值,豎向和水平位移最大差值分別為4.2 mm、2.5 mm.且二者整體變化趨勢及曲線特征較為接近.
圖2 有限元結(jié)果和試驗結(jié)果比較
2.1.1 樁頂豎向沉降變化曲線
支盤樁群樁在荷載作用下的基樁樁頂沉降量變化曲線,如圖3所示.由圖3可知,在僅受豎向荷載作用下,前、后排樁的樁頂沉降量幾乎相同,而在水平荷載和豎向荷載同時作用下,前、后排樁頂沉降差別比較大,前排樁的沉降量明顯大于后排樁,主要由于群樁基礎(chǔ)在沉降的過程中,水平荷載的作用對后排基樁沉降的抵制作用較明顯,使得其豎向位移相對較小.
2.1.2 基樁樁身撓度變化曲線
支盤樁群樁在荷載作用下的樁身水平位移沿深度的變化曲線,如圖4所示.從圖4可以看出,前、后排樁的樁身位移變化規(guī)律基本一致,且水平位移差別不大,主要由于承臺和樁頂剛性連接,而使得樁和承臺作為整體共同發(fā)揮作用的緣故.
圖3 基樁的荷載-沉降曲線圖4 樁身水平位移隨樁長變化曲線
支盤樁群樁在豎向和水平荷載作用下的樁身豎向應(yīng)力分布云,如圖5所示.樁身應(yīng)力在樁身前、后側(cè)分布不同,基樁的樁身最大應(yīng)力發(fā)生在上部樁身前側(cè)表面,且前排樁的樁身豎向應(yīng)力水平大于后排樁,這是由于水平荷載作用的過程中,樁身前側(cè)與土體產(chǎn)生擠壓,后側(cè)與土體逐漸脫離,且后排樁對土體擠壓的同時對前排樁有一定的推動作用.
圖5 樁身豎向應(yīng)力云圖
群樁分別在豎向荷載作用及豎向和水平荷載共同作用兩種情況下的樁身軸力沿深度的分布曲線,如圖6所示.由圖6可知,在支盤位置處軸力曲線發(fā)生突變,支盤下部的軸力明顯降低,降低的荷載由支盤承擔.在豎向荷載單獨作用下,前排樁身軸力稍大于后排樁,且二者支盤承擔的荷載分別為190 kN、189 kN,基本相同.而在豎向和水平荷載作用下,前、后排樁身軸力差距明顯變大,且前排樁支盤承擔荷載值(298 kN)大于后排樁支盤分擔荷載值(98 kN),這也是支盤樁群樁在豎向和水平荷載共同作用下受力特點的明顯體現(xiàn).
圖6 樁身軸力分布曲線圖7 樁土相對位移變化曲線
支盤樁群樁在僅受豎向荷載與承受豎向和水平組合荷載兩種工況下的前、后排樁側(cè)表面與土體豎向相對位移沿深度的變化曲線,如圖7所示.從圖7中可看出,樁土相對位移在支盤位置和樁端位置處發(fā)生明顯突變,主要因為在加載過程中,支盤下表面及樁端與土體發(fā)生擠壓接觸而使二者相對位移減小.在單獨受豎向荷載作用時,前、后排樁土豎向相對位移變化曲線比較接近,而在豎向和水平荷載共同作用下,前、后排樁土相對位移差別較大,且前排樁土相對位移整體上大于豎向荷載單獨作用時的樁土相對位移,后排樁土相對位移要小于豎向荷載單獨作用時的樁土相對位移.這是由于水平荷載作用使承臺發(fā)生傾覆,導(dǎo)致前、后排基樁沉降不同,從而使其與土體之間滑離程度有所差別.
相同荷載等級下支盤樁群樁分別在豎向荷載作用及豎向和水平荷載共同作用兩種工況下樁間土體的沉降云圖,如圖8所示.由圖8可知,樁間土體的沉降整體上比外側(cè)大,這是由于樁間土體存在應(yīng)力疊加,導(dǎo)致相同深度不同位置處的土體沉降不同.比較兩圖可看出,在豎向荷載單獨作用下,群樁樁間土體沉降呈左右對稱分布,且最大沉降區(qū)發(fā)生在承臺與樁頂連接處的土體,而在豎向和水平荷載共同作用下,最大沉降區(qū)相對于圖8(a)向右偏移,且前排樁端土體沉降明顯大于后排樁端土體,這主要是由于水平荷載的作用使承臺發(fā)生抗壓傾覆,使得承臺與前排樁頂處土體擠壓作用比較明顯且使得前排樁沉降大于后排樁.
圖8 樁間土體豎向沉降
以某1 000 kV特高壓交流輸電線路工程為例,在相同地質(zhì)條件且滿足同等基礎(chǔ)作用力等技術(shù)條件下,比較分析擠擴支盤樁基礎(chǔ)與普通鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟性能.
在相同地質(zhì)及荷載條件下,塔位E13、E14、E16、E28、E29、E34等6基擠擴支盤樁基礎(chǔ)及其對應(yīng)的普通灌注樁設(shè)計尺寸比較,如表1所示.
從表1可以看出,同等條件下,擠擴支盤樁相對于普通等徑灌注樁,樁徑及承臺尺寸有所減小,樁長有所縮短,通過計算可知,主樁直徑可減小12.5%~25%左右,樁長可縮短19.1%~28.6%左右.
表1 設(shè)計尺寸比較(單位:m)
注:所有基礎(chǔ)均為4樁群樁基礎(chǔ)
各塔位分別采用擠擴支盤樁和等徑灌注樁時的單腿混凝土及鋼筋用量比較,如表2所示.并將單腿混凝土及鋼筋總量進行匯總比較,如圖9所示.由表2可知,相同條件下,擠擴支盤樁基礎(chǔ)相對于等徑灌注樁,同一塔腿各部分混凝土用量及鋼筋用量有明顯地減少,從單腿材料用量匯總比較柱狀圖分析可知,擠擴支盤樁基礎(chǔ)的混凝土用量比等徑灌注樁節(jié)省21.8%~43.6%,鋼筋用量比等徑灌注樁節(jié)省12.2%~34.8%左右.
表2 材料用量比較
注:混凝土用量單位為m3,鋼筋用量單位為kg.
圖9 單腿材料總量比較
表3 施工造價比較
表4 施工工期比較
根據(jù)E13、E14、E16、E28、E29、E34等6基塔單腿基礎(chǔ)工程量,計算得到等直徑灌注樁基礎(chǔ)與擠擴支盤樁基礎(chǔ)的單腿施工造價,如表3所示.
通過對表3中的數(shù)據(jù)分析可知,同等條件下,擠擴支盤樁基礎(chǔ)施工造價要比等徑灌注樁基礎(chǔ)節(jié)省7.0%~32.3%左右,且6基擠擴支盤樁單腿總造價比等徑灌注樁基礎(chǔ)單腿總造價節(jié)省20%左右,具有較好的經(jīng)濟效益.
E13號塔位基礎(chǔ)為例,在相同基礎(chǔ)尺寸下,對分別采用擠擴支盤樁基礎(chǔ)和等徑灌注基礎(chǔ)的施工工期進行比較,如表4所示.由表4可知,擠擴支盤樁與普通等徑灌注樁各工序工期僅在鉆樁成孔階段有差異.擠擴支盤樁雖然比普通鉆孔灌注樁增加擠擴支盤等工藝,但由于同等樁基作用力等指標條件下,擠擴支盤樁的設(shè)計樁長、樁徑、樁混凝土量、鋼筋量等指標均小于普通等徑灌注樁,因此單塔塔腿的總體施工工期相比于普通灌注樁會有所縮短.
本文通過有限元數(shù)值模擬方法研究了支盤樁群樁在豎向及豎向和水平荷載共同作用下的承載變形性能,并對擠擴支盤樁基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟性進行了分析,主要結(jié)論如下:
(1)由于水平荷載的作用,使得承臺在發(fā)生豎向變形的同時產(chǎn)生抗拔傾覆,造成基樁的變形性能、樁身軸力分布、樁土豎向相對位移以及樁間土體的受力情況等與豎向荷載單獨作用時有所不同,說明豎向荷載和水平荷載之間存在耦合作用,對群樁基礎(chǔ)的受力性狀具有較顯著的影響.
(2)通過技術(shù)經(jīng)濟分析可知,相同條件下,擠擴支盤樁相對于普通等徑灌注樁,減小樁徑,縮短了樁長,混凝土用量節(jié)約21.8%~43.6%,鋼筋用量比等徑樁節(jié)約12.2%~34.8%;單腿施工造價節(jié)約7.0%~32.3%;且單塔總體施工工期會有所縮短,說明擠擴支盤樁具有較大的經(jīng)濟性能及應(yīng)用優(yōu)勢.