陳俊帆，蔣 銳，黃 興，韓大剛，楊 洋

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

山區(qū)輸電線路大量塔基位于25°～45°的高陡斜坡上，受地形坡度、地質(zhì)情況、交通運(yùn)輸及施工等多方面因素制約，樁基礎(chǔ)成為山區(qū)輸電線路中最常采用的基礎(chǔ)型式[1]。但在現(xiàn)行輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[2]和DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[3]》等規(guī)范的計(jì)算理論均建立在場平地基的假定上，對于斜坡地基樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并無完善的理論。

國內(nèi)外學(xué)者對于斜坡地基承載力已有了一定的研究。加拿大學(xué)者邁耶霍夫[4]在平地地基極限承載力理論公式的基礎(chǔ)上，首次推導(dǎo)出斜坡地基承載力理論公式。美國學(xué)者鮑爾斯[5]提出用面積比折減法來修正承載力系數(shù)。日本學(xué)者加井正召[6]建議用極限分析法研究斜坡地基的極限承載力。中國學(xué)者顧慰慈[7]推導(dǎo)出傾斜荷載作用下的層狀地基的極限承載力的近似計(jì)算公式。徐守國[8]用土體抗剪強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)m推導(dǎo)了坡頂距為零的臨坡地基和斜坡上地基的極限承載力。王年香[9]根據(jù)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則推導(dǎo)了半無限土坡在坡頂豎向荷載作用下的應(yīng)力計(jì)算公式。

表1 幾種典型巖石物理力學(xué)參數(shù)及其等效m值

在目前輸電線路樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中各設(shè)計(jì)院廣泛采用摩擦樁計(jì)算模型，需通過土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m計(jì)算水平位移。對于山區(qū)輸電線路樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，常常具有地形坡度陡、樁頂距地面高度大的特點(diǎn)，水平承載力及位移成為影響樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制條件。現(xiàn)行各類規(guī)范[10-16]中并未明確給出巖石地基的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的取值建議，因此設(shè)計(jì)時(shí)對于水平位移驗(yàn)算時(shí)的m取值仍存在較大爭議。以往工程多憑借經(jīng)驗(yàn)假定，并采取相對保守的設(shè)計(jì)值。在業(yè)主對設(shè)計(jì)管理、要求越來越細(xì)致，對工程經(jīng)濟(jì)性、安全性要求越來越高的情況下，有必要對斜坡地形樁基礎(chǔ)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究和分析，提出合理的設(shè)計(jì)應(yīng)對策略。

下面通過有限差分軟件FlAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分析斜坡地基承載力影響要素，并針對某±800 kV特高壓直流工程典型直線塔和耐張塔進(jìn)行算例分析，提出了典型巖石地基的等效m的取值建議，為山區(qū)輸電線路工程樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 巖石地基等效m取值建議

針對山區(qū)輸電線路“上土下巖”的地質(zhì)情況，為便于實(shí)際工程應(yīng)用，提出巖石等效水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的概念(簡稱等效m)，參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[18]中4.16節(jié)，對于無試驗(yàn)或缺少當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式(式(1))，利用巖石的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ測算了幾種典型巖石地基的等效m值，詳見表1。

(1)

式中：m為水平反力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；c為黏聚力，kPa；φ內(nèi)為摩擦角，(°)；vb為樁基礎(chǔ)地面處位移量，按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，mm。

對于山區(qū)輸電線路樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，由于地形坡度陡、樁頂距地面高度大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性，不宜由樁基礎(chǔ)地面處水平位移作為控制條件，建議取值時(shí)應(yīng)結(jié)合工程情況測算后確定。通過對某±800 kV特高壓直流工程典型直線塔和耐張塔進(jìn)行算例分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按表2中推薦的等效m取值時(shí)，能夠滿足絕大部分樁基礎(chǔ)地面位移為10 mm的限值，供工程設(shè)計(jì)參考。

表2 幾種典型巖石的等效m工程推薦值

2 斜坡地形承載力影響因素

利用有限差分軟件FLAC3D，建模研究了在斜坡地基上樁基礎(chǔ)承載力的影響因素，主要對工程設(shè)計(jì)最為關(guān)心的地形坡度、地質(zhì)巖性和設(shè)計(jì)虛坡寬度(基礎(chǔ)外緣至坡頂?shù)乃骄嚯x)進(jìn)行了參數(shù)化分析。

2.1 分析模型

從對研究問題的分析及計(jì)算收斂性考慮，采用帶坡腳平臺的斜坡模型。模型基本幾何參數(shù)如圖1所示。

圖1 帶坡腳平臺的斜坡模型

模擬軟件采用巖土工程通用軟件FLAC3D進(jìn)行分析，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取1/2模型進(jìn)行計(jì)算，整體模型X方向長32 m，Y方向長8 m，Z方向高20 m，模型中樁徑1.6 m，埋深8.0 m。樁、土(巖)之間設(shè)置一層接觸面，采用接觸面單元模擬樁基礎(chǔ)與地基土(巖)的界面力學(xué)行為。網(wǎng)格劃分及接觸面設(shè)置如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)選擇

模擬計(jì)算中不考慮樁體本身的破壞，選用彈性本構(gòu)模型，斜坡地基選用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，其中樁和土(巖)之間設(shè)置一層接觸面，模型采用的土、巖石、樁力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 材料力學(xué)參數(shù)

根據(jù)表3中地基土(巖)和樁的材料力學(xué)參數(shù)，估算得到其體積模量K和剪切模量G，如表4所示。接觸單元材料參數(shù)如表5所示。

表4 地基土(巖)體和樁基礎(chǔ)的體積模量K和剪切模量G

表5 接觸單元材料力學(xué)參數(shù)

2.3 荷載及邊界條件

計(jì)算中采用邊坡強(qiáng)度折減法[17]研究斜坡地基承載力，選取實(shí)際工程鐵塔基礎(chǔ)作用力加載于樁頂處，取最大豎向荷載為2600 kN、最大水平向荷載370 kN進(jìn)行計(jì)算。

邊界條件為橫向左右邊界X方向約束，縱向前后邊界Y方向約束，底邊界全約束，重力加速度取10 m/s2。

2.4 模擬工況

考慮在實(shí)際輸電線路工程中，通常斜坡塔位選擇在山脊或山頂?shù)忍?，地質(zhì)情況較為單一，為簡化數(shù)值模擬工況，假定各模擬工況中斜坡地基地質(zhì)從上至下均為同一土體或巖體。對地形坡度、地質(zhì)巖性、虛坡寬度等工程設(shè)計(jì)最為關(guān)心的因素進(jìn)行參數(shù)化分析，如表6所示。

表6 模擬工況

2.5 模擬結(jié)果

通過計(jì)算各自工況下斜坡地基承載力安全系數(shù)，研究地形坡度、地質(zhì)巖性、虛坡寬度等因素對斜坡承載力的影響。為便于后續(xù)分析，引入m值折減系數(shù)μ，定義為

(2)

式中：mi為考慮地形坡度、長期水平荷載等不利影響后的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；m0為未考慮任何不利影響的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

1)地形坡度的影響

為研究地形坡度對斜坡承載力的影響，按實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取虛坡寬度為2d時(shí)進(jìn)行數(shù)值分析。從圖3可以看出，當(dāng)虛坡寬度一定時(shí)，硬質(zhì)巖地質(zhì)的承載力明顯高于軟質(zhì)巖和黏性土地質(zhì)，但三者的地基承載力安全系數(shù)均隨地形坡度的增大而減小，地形坡度每增大5°，黏性土地基承載力安全系數(shù)降低約1%～3%，軟質(zhì)巖地基承載力安全系數(shù)降低約3%～6%，硬質(zhì)巖地基承載力安全系數(shù)降低約4%～9%。

圖3 地形坡度與斜坡安全系數(shù)的關(guān)系

因此，樁側(cè)土水平反力系數(shù)的比例系數(shù)m的取值應(yīng)考慮地形坡度對水平承載力和位移的不利影響，其m值折減系數(shù)μ1與地形坡度的關(guān)系，可按表7取值。

表7 地形坡度與m值折減系數(shù)μ1的關(guān)系

2)虛坡寬度的影響

為研究虛坡寬度對斜坡承載力的影響，整理了不同虛坡寬度下的斜坡承載力安全系數(shù)，如圖4所示。從圖4中可以看出，在不同巖性下，安全系數(shù)隨虛坡寬度的變化規(guī)律較為一致，隨著虛坡寬度的增大，承載力安全系數(shù)不斷增大；隨著地形坡度的增加，曲線的斜率略有增大。

圖4 虛坡寬度與斜坡安全系數(shù)的關(guān)系

3 長期水平荷載作用對水平承載力的影響

在DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第9.6.3注釋中說明，當(dāng)水平荷載為長期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載時(shí)，應(yīng)將規(guī)范推薦的m值取值乘以0.4降低采用。同時(shí)，在JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.7.5條文說明中明確指出：m值對于同一根樁并非定值，與水平荷載呈非線性關(guān)系，低荷載水平下，m值較高；隨荷載增加，樁側(cè)土的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展而降低。因此，m取值應(yīng)與實(shí)際荷載、允許位移相適應(yīng)，可按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：Hcr為臨界水平荷載；xcr為臨界水平荷載下對應(yīng)的地面處水平位移；vx為樁頂水平位移系數(shù)；b0為樁身計(jì)算寬度；EI為樁身抗彎剛度。

在輸電線路桿塔設(shè)計(jì)中，耐張塔的水平荷載顯著大于直線塔，主要包含了線條張力荷載及橫向風(fēng)荷載。其中線條張力荷載應(yīng)視作長期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載，在同樣的水平位移限值情況下，建議需對耐張塔的m值進(jìn)行折減。隨著耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)增大，水平荷載中線條張力荷載占比也逐漸增大。通過對某±800 kV特高壓直流工程1～4型耐張塔進(jìn)行測算，整理了耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)和線條張力占比的關(guān)系及其m值折減系數(shù)與耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)的關(guān)系，詳見表8。

表8 耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)與m值折減系數(shù)μ2的關(guān)系

4 結(jié) 語

針對山區(qū)輸電線路樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了巖石地基等效m的工程取值建議，通過數(shù)值模擬參數(shù)化分析及工程算例研究了樁基礎(chǔ)斜坡地基承載力與地形坡度、地質(zhì)巖性、設(shè)計(jì)虛坡寬度等因素的關(guān)系，主要結(jié)論有：

1)當(dāng)設(shè)計(jì)虛坡寬度一定時(shí)，斜坡地基承載力安全系數(shù)隨地形坡度的增大而減小，地形坡度每增大5°，黏性土地基承載力安全系數(shù)降低約1%～3%，軟質(zhì)巖地基承載力安全系數(shù)降低約3%～7%，硬質(zhì)巖地基承載力安全系數(shù)降低約4%～10%。

2)當(dāng)虛坡寬度一定時(shí)，斜坡地基承載力安全系數(shù)與地質(zhì)巖性相關(guān)敏感性較大，其值會隨著地基黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的增加有明顯的提高。對于山區(qū)輸電線路中的陡坡塔位，宜對地質(zhì)條件提出更高的要求。

3)在不同巖性下，安全系數(shù)隨虛坡寬度的變化規(guī)律較為一致，隨著設(shè)計(jì)虛坡寬度的增大，承載力安全系數(shù)不斷增大。其中隨著地形坡度的增加，曲線的斜率略有增大。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，對于超過35°的陡坡地形，建議適當(dāng)增加設(shè)計(jì)虛坡寬度。

4)在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于塔位所在地形坡度和耐張塔長期水平荷載客觀存在，建議樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)m值折減系數(shù)宜將兩者的不利影響疊加考慮，取μ=μ1×μ2，計(jì)算值見表9所示。

表9 考慮耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)和地形坡度的m值折減系數(shù)