劉燕平，周文俊，章李剛，王金昌

（1.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引 言

電力是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的支撐，基礎(chǔ)作為桿塔和地基之間的連接構(gòu)件，是輸電線(xiàn)路中重要的組成部分，其穩(wěn)定性是輸電線(xiàn)路正常、可靠工作的前提，也關(guān)系到整體輸電網(wǎng)絡(luò)的安全。桿塔以線(xiàn)狀分布于不同區(qū)域，主要包括平原區(qū)和山嶺區(qū)，而平原區(qū)以表面平整的分布軟土地層為主，而山嶺區(qū)以?xún)A斜的表面含有坡積層不同風(fēng)化的巖層為主。

在土地資源緊缺以及環(huán)保要求提高的現(xiàn)實(shí)狀況下，桿塔建成后不可避免的出現(xiàn)鄰近各種工程建設(shè)，譬如開(kāi)挖、堆填等。新建結(jié)構(gòu)物鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工，并可能對(duì)既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響的工程稱(chēng)為近接工程，有關(guān)近接工程的施工稱(chēng)為近接施工[1]。針對(duì)周邊近接新建工程施工對(duì)桿塔基礎(chǔ)的影響研究尚不多見(jiàn)。巖土體開(kāi)挖堆卸載工程施工會(huì)擾動(dòng)周邊地層，引起土體應(yīng)力場(chǎng)變化，影響桿塔基礎(chǔ)，從而對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)安全和正常使用產(chǎn)生影響，情況嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)早的破壞和失效，影響電網(wǎng)的安全使用。本文以山區(qū)桿塔基礎(chǔ)為背景，研究巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖對(duì)桿塔基礎(chǔ)的影響。

1 數(shù)值模型建立

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算以典型邊坡橫斷面為例，如圖1所示。整體尺寸為寬210 m、高125 m，分步開(kāi)挖，每次開(kāi)挖深度8 m，分5次開(kāi)挖，邊坡底寬62 m、頂寬112 m。以Plaxis有限元軟件為計(jì)算平臺(tái)，建立數(shù)值分析模型，采用高次插值函數(shù)的平面三角形 15節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格部分，如圖2所示。模型共1 153個(gè)單元，9 738個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型采用平面應(yīng)變，在模型左、右側(cè)和底部邊界均施加與之相垂直的約束條件。

圖1 邊坡斷面的計(jì)算示意圖Fig.1 Calculation diagram of slope section

圖2 有限元網(wǎng)格模型圖Fig.2 Finite element mesh model diagram

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)

Plaxis有限元軟件內(nèi)嵌多種經(jīng)典及高級(jí)巖土體本構(gòu)模型，能模擬復(fù)雜巖土結(jié)構(gòu)和施工過(guò)程，在巖土工程研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算采用霍克布朗（Hoek-Brown）經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則對(duì)邊坡進(jìn)行計(jì)算分析。該經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則采用最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3的關(guān)系式來(lái)描述巖體臨界受力狀態(tài)[2]，見(jiàn)式（1）所示：

式中：mb為完整巖石參數(shù)mi的折減；s，a為巖塊的材料參數(shù)，由地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)GSI和擾動(dòng)因子D共同確定。

式（1）中的s和a可由式（2）～（4）來(lái)確定：

式中：mi可根據(jù)巖石的類(lèi)型進(jìn)行確定。

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σc可根據(jù)完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度σci確定：

由式（1）～（4）可以看出，巖石的Hoek-Brown強(qiáng)度可由mi、GSI、D和σci這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定，可以通過(guò)查表的方法確定準(zhǔn)則中所需的參數(shù)[3]。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文選取常見(jiàn)巖體礫巖作為代表，采用單一土層進(jìn)行計(jì)算分析。礫巖的基本參數(shù)如下：重度r=25.4 kN/m3，彈性模量Erm=3 700 MPa，泊松比μ=0.15，單軸抗壓強(qiáng)度σci=308 MPa，完整巖石參數(shù)mi=19，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI=55。桿塔基礎(chǔ)以ZF1660灌注樁單樁進(jìn)行分析，樁長(zhǎng)32 m，樁徑1 m，C30混凝土材料，采用嵌入式梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

2 巖體參數(shù)敏感性分析

霍克布朗模型雖給出了確定巖體整體抗剪強(qiáng)度的方法，但采用該方法確定的巖石參數(shù)存在一定的主觀性，尤其是巖體參數(shù)GSI是一個(gè)范圍值，且不同地質(zhì)人員對(duì)相同的巖石所得出的GSI范圍也會(huì)出現(xiàn)誤差，需要定量分析這些差異對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算產(chǎn)生的影響。此外模型中的其他3個(gè)參數(shù)單軸抗壓強(qiáng)度σci、完整巖石參數(shù)mi以及擾動(dòng)因子D對(duì)穩(wěn)定性也有影響。完整巖石參數(shù)mi為常量，由巖石的具體種類(lèi)決定[4]。本文選取礫巖進(jìn)行研究，對(duì)模型的GSI、σci以及D進(jìn)行敏感性分析，采用計(jì)算得到的安全系數(shù)Fs作為指標(biāo)，通過(guò)各曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)判斷各參數(shù)對(duì)邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)霍克布朗經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，擾動(dòng)因子D取值范圍0.7～1，GSI取值范圍10～80。擾動(dòng)因子D反應(yīng)的是爆破效果，是巖體在爆破開(kāi)挖過(guò)程中所受的擾動(dòng)情形，其值越小越好，但開(kāi)挖卸載不可避免會(huì)改變?cè)袔r體的應(yīng)力分布。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，先將mi與D設(shè)為定值，D取建議值0.7[5]，即邊坡開(kāi)挖破壞程度較低，調(diào)整參數(shù)GSI與σci進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，然后再對(duì)擾動(dòng)因子D進(jìn)行敏感性分析。

2.1 GSI與σci敏感性分析

在霍克布朗模型中，參數(shù)GSI是描述巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面表面特征的指標(biāo)，圖3為礫巖參數(shù)敏感性曲線(xiàn)，可以看出GSI越大邊坡穩(wěn)定性越高。Fs與GSI的變化規(guī)律可分為兩個(gè)部分：當(dāng)GSI為10～50時(shí)，F(xiàn)s-GSI曲線(xiàn)表現(xiàn)為線(xiàn)性相關(guān)，且Fs增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩；GSI為 50～90時(shí)，F(xiàn)s-GSI曲線(xiàn)表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，安全系數(shù)Fs隨GSI的增加而急劇增加。σci為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度，在圖4的Fs-σci曲線(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)，安全系數(shù)隨σci近似線(xiàn)性增大。但當(dāng)GSI=10，σci＜40 MPa后，由于參數(shù)整體取值過(guò)小導(dǎo)致模型計(jì)算失敗，出現(xiàn)部分曲線(xiàn)數(shù)據(jù)缺失。

圖3 Fs-GSI曲線(xiàn)Fig.3 Fs-GSI curve

圖4 Fs-σci曲線(xiàn)Fig.4 Fs-σci curve

2.2 擾動(dòng)因子D敏感性分析

擾動(dòng)因子D反映了邊坡開(kāi)挖對(duì)原有巖體的擾動(dòng)程度，擾動(dòng)越小D值越小，邊坡安全系數(shù)Fs越高。圖5為不同擾動(dòng)因子下不同的抗壓強(qiáng)度GSI和σci對(duì)邊坡安全系數(shù)Fs的影響，從Fs-D曲線(xiàn)的整體變化趨勢(shì)可以看出，其與Fs-σci曲線(xiàn)一樣呈線(xiàn)性相關(guān)，F(xiàn)s隨D的增加而減小。圖中GSI=10曲線(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失原因同2.1節(jié)。

圖5 Fs-D曲線(xiàn)Fig.5 Fs-D curve

上述參數(shù)各自具有不同的物理意義，為直觀判斷各參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的大小，采用相對(duì)誤差的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。假設(shè)系統(tǒng)特性L(fǎng)是由n個(gè)因素a={a1，a2,…,an}共同決定，系統(tǒng)模型表述為L(zhǎng)=f{a1，a2,…,an}，系統(tǒng)特性為L(zhǎng)*。各因素的變動(dòng)都在各自變動(dòng)范圍內(nèi)變化，某因數(shù)引起系統(tǒng)特性L(fǎng)*偏離基準(zhǔn)狀態(tài)L為ΔL，敏感性δk(ak)具體描述為：δk(ak)=(|△L|/L)/(|△a|/ak)。GSI、σci和D這3個(gè)變量分析結(jié)果如圖6所示，通過(guò)求解曲線(xiàn)交點(diǎn)處斜率來(lái)判斷各參數(shù)的敏感性變化。可以發(fā)現(xiàn)圖中各曲線(xiàn)斜率kGSI＞kD＞kσci，因此判斷敏感性GSI＞D＞σci，安全系數(shù)Fs對(duì)地質(zhì)參數(shù)GSI最為敏感。

圖6 各參數(shù)變化規(guī)律Fig.6 Variation of each parameter

3 開(kāi)挖對(duì)桿塔基礎(chǔ)變形及影響區(qū)劃分

3.1 變形特性分析

開(kāi)挖過(guò)程中不同開(kāi)挖深度下的位移等值線(xiàn)分布規(guī)律總體相似，其中第一次開(kāi)挖和第五次開(kāi)挖位移等值線(xiàn)分布如圖7所示。隨著開(kāi)挖深度的增加，最大位移逐步增加，并向遠(yuǎn)場(chǎng)傳遞。最大位移等值線(xiàn)由開(kāi)挖的底部向右下方逐步減小，對(duì)于不同位置處的桿塔基礎(chǔ)位于不同的位移等值線(xiàn)影響范圍內(nèi)，受邊坡開(kāi)挖的影響也有差異。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)該結(jié)合桿塔與坡頂?shù)南鄬?duì)位置劃分合理的影響范圍，避免桿塔基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)大變形。

圖7 不同開(kāi)挖工況總位移分布圖Fig.7 Total displacement distribution of different excavation conditions

3.2 位移影響區(qū)劃分

提取不同開(kāi)挖工況下坡底及距離坡頂不同位置處（5～30 m，間隔5 m）的桿塔基礎(chǔ)（0～30 m，間隔5 m）最大位移，見(jiàn)表1所示。由表可知，邊坡開(kāi)挖產(chǎn)生的最大位移在坡底，其最大位移遠(yuǎn)大于位于坡頂不同距離的桿塔基礎(chǔ)的位移；同一工況下距離坡頂水平距離越遠(yuǎn)，開(kāi)挖產(chǎn)生的位移越小。

表1 不同位置的最大位移Table 1 Maximum displacement at different positions

根據(jù)上述位移影響分析，參考《架空輸電線(xiàn)路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第 9.6.3條中規(guī)定的不同地基土類(lèi)別下單樁水平位移，以±10 mm最大位移為控制值，±5 mm最大位移為警戒值，繪制不同工況下桿塔基礎(chǔ)最大位移等值線(xiàn)分布圖如圖8所示。定義最大位移小于5 mm的為弱影響區(qū)；最大位移大于5 mm且小于10 mm的為中影響區(qū)，該范圍內(nèi)的桿塔基礎(chǔ)雖然位移尚未達(dá)到控制值，但應(yīng)引起高度重視，進(jìn)行合理的監(jiān)測(cè)，采取有效的防范措施，并制定應(yīng)急處理方案，防止基礎(chǔ)變形繼續(xù)增加；最大位移大于 10 mm的為強(qiáng)影響區(qū)，其位移超過(guò)控制值，在基坑施工過(guò)程中必須采取相應(yīng)措施對(duì)桿塔基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)，使位移滿(mǎn)足控制要求。

圖8 不同開(kāi)挖工況下桿塔基礎(chǔ)最大水平位移等值線(xiàn)分布圖Fig.8 Isoline of maximum lateral displacement of tower foundation under different excavation conditions

4 結(jié) 論

本文基于Plaxis有限元軟件建立了典型巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖數(shù)值模型，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)霍克布朗準(zhǔn)則進(jìn)行敏感性分析，從計(jì)算結(jié)果得出參數(shù)敏感性為GSI＞D＞σci。

（2）巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖時(shí)最大位移位于開(kāi)挖底面處，隨著開(kāi)挖深度的增加，最大位移逐步增加，并向遠(yuǎn)場(chǎng)傳遞。

（3）邊坡開(kāi)挖將引起坑外近接桿塔基礎(chǔ)產(chǎn)生變形，根據(jù)開(kāi)挖變形特性和桿塔基礎(chǔ)的控制標(biāo)準(zhǔn)，可將開(kāi)挖變形影響區(qū)劃分為弱影響區(qū)、中影響區(qū)和強(qiáng)影響區(qū)。

此外，邊坡開(kāi)挖對(duì)桿塔基礎(chǔ)的影響不僅與開(kāi)挖深度、坡頂和塔基的水平距離有關(guān)，還與塔基的樁長(zhǎng)等相關(guān)，日后還應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行深入研究。同時(shí)，桿塔基礎(chǔ)的存在也會(huì)改變巖土體剛度，影響位移場(chǎng)分布特點(diǎn)，因此對(duì)于邊坡開(kāi)挖對(duì)既有桿塔基礎(chǔ)的影響，也應(yīng)結(jié)合具體情況單獨(dú)分析，判斷對(duì)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)程度，從而進(jìn)行針對(duì)性保護(hù)。