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        降雨條件下輸電塔桿基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析

        2022-11-08 04:58:04
        關(guān)鍵詞:抗拔非飽和吸力

        程 錚

        (福建省電力建設(shè)工程咨詢有限公司,福建 福州 350000)

        0 引言

        降雨是影響輸電線路塔基抗拔樁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一,隨著降雨的入滲,會(huì)使下部土體由非飽和轉(zhuǎn)向飽和狀態(tài),進(jìn)而影響抗拔樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性能。

        很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,陳仁朋等使用不同含水率的兩種粉質(zhì)土體(49.0%與100%)研究抗拔樁的極限承載力,結(jié)果表明,與非飽和土體相比,飽和土體下的極限承載力下降幅度達(dá)到30%~50%;張西等使用靜載試驗(yàn)分析了浸水作用下土體的抗剪承載力及上拔承載力,結(jié)果表明,浸水后的土體抗剪承載力減少、上拔承載力增加;袁乾坤等使用試驗(yàn)研究的方法,分析了兩種抗拔樁(截面樁及根式樁)在不同粗糙程度的樁土截面下的極限承載力大小;其他學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。

        該研究對(duì)降雨條件下輸電塔桿基礎(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,探究輸電塔桿基礎(chǔ)抗拔樁在降雨條件下的Q-S變化趨勢(shì)及極限承載力變化。

        1 工程概況

        該工程線路起于建嵐后220kV變電站,止于已建大京110kV線路π接點(diǎn)(京東線#10塔)。該工程按220kV和110kV進(jìn)行分段建設(shè),該期降壓為110kV線路運(yùn)行,遠(yuǎn)期改接入220kV長(zhǎng)春變,升壓形成嵐后~長(zhǎng)春雙回220kV線路。線路路徑全長(zhǎng)為25.728km,采用單回路電纜與雙回路架空鐵塔混合建設(shè),其中嵐后變出線段路徑長(zhǎng)為0.38km,采用110kV電纜單回敷設(shè),擬建長(zhǎng)春變附近至π接點(diǎn)長(zhǎng)為2.644km,采用110kV雙回路鐵塔架設(shè),其余段長(zhǎng)為22.704km,采用220kV雙回路鐵塔架設(shè)。

        2 模型建立

        為了驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性,該研究將荷載-位移值的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

        2.1 土體物理力學(xué)性質(zhì)

        該研究以某區(qū)域內(nèi)的粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,土體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

        2.2 基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)

        試驗(yàn)中為了保持土體力學(xué)性能,使用人工挖孔樁的方法成樁,進(jìn)而在樁孔中吊入鋼筋籠、灌注混凝土,在適宜環(huán)境下養(yǎng)護(hù),形成輸電線路基礎(chǔ)。試驗(yàn)過(guò)程中,使用RSJYC采集樁基在靜載下的上拔荷載-上拔位移曲線,得到-如圖1所示。

        圖1 靜載下抗拔樁Q- S曲線

        2.3 建立數(shù)值分析模型

        輸電線路基礎(chǔ)如圖2所示,在水平方向上,該抗拔樁為軸對(duì)稱(chēng)圖形,選取抗拔樁的1/4結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象建立數(shù)值分析模型,模型尺寸為14.0m×14.0m×10.2m,共計(jì)24321個(gè)單元、27235個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

        圖2 基礎(chǔ)平面圖

        建立模型的邊界條件及模型設(shè)置見(jiàn)表2。

        表2 模型邊界條件及模型設(shè)置

        2.4 結(jié)果對(duì)比分析

        將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果繪制于同一圖中,如圖3所示,可知現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果差值較小。對(duì)抗拔樁力學(xué)性能影響較大的3個(gè)荷載參數(shù)為臨塑荷載、極限承載力荷載及破壞荷載。對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,臨塑荷載為600.0kN、極限承載力荷載為1920.0kN、破壞荷載為2000.0kN,對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算得到的臨塑荷載、極限承載力荷載及破壞荷載對(duì)應(yīng)的位移值可知,3個(gè)荷載參數(shù)對(duì)應(yīng)的位移值差值為7.81%、13.50%、4.12%。綜上所述,建立的數(shù)值分析模型具有較高的可靠性,可以較為準(zhǔn)確地反應(yīng)高壓輸電基礎(chǔ)的實(shí)際抗拔性能。

        圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬Q-S曲線

        3 降雨條件下基礎(chǔ)抗拔數(shù)值模擬分析

        3.1 降雨條件下滲流參數(shù)的確定

        經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的1985—2019年降雨量變化值如圖4所示。

        圖4 降雨量變化值

        由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,該地1985—2019年最大降雨量為240.0mm/6h,基于現(xiàn)場(chǎng)降雨量可以得到降雨強(qiáng)度為1.0×10m/s。由已有研究可知:當(dāng)降雨強(qiáng)度大于土體的滲透系數(shù)時(shí),土體滲透率為實(shí)際工況下土體的土體滲透系數(shù);當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體的滲透系數(shù)時(shí),土體滲透率為實(shí)際工況下的降雨強(qiáng)度值。在實(shí)際模型計(jì)算中,非飽和土的相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

        表3 非飽和土的相關(guān)參數(shù)取值

        3.2 計(jì)算結(jié)果分析

        使用數(shù)值模擬方法可以得到當(dāng)降雨天數(shù)為0天、1天、3天、5天、7天時(shí)土體的孔壓變化特征。隨著雨水的初始入滲,土體經(jīng)歷了由非飽和向飽和滲流狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、土體孔壓由-160kPa增加到0kPa;同時(shí)隨著土體雨水的不斷入滲,土體中孔壓為零的區(qū)域逐漸下移,土體中非飽和區(qū)域向飽和區(qū)域轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出明顯的梯度變化狀態(tài)。

        隨著降雨不斷向土體中入滲,飽和土區(qū)域體積和土體密度不斷增大,抗拔樁的抗拔性能得到增強(qiáng),進(jìn)而增強(qiáng)了輸電塔桿的抗拔承載性能;同時(shí),隨著降雨不斷向土體入滲,土體的基質(zhì)吸力不斷和抗剪強(qiáng)度不斷減少,進(jìn)而導(dǎo)致輸電塔桿的抗拔承載性能減弱。當(dāng)降雨時(shí)間為0天、1天、3天、5天、7天時(shí),輸電塔桿基礎(chǔ)抗拔承載性能的-曲線如圖5、圖6所示。

        圖5 不同降雨條件下的Q-S曲線

        圖6 不同降雨條件下的S-t曲線

        當(dāng)上拔荷載<600kN且上拔荷載值相同時(shí),降雨天數(shù)越長(zhǎng),基礎(chǔ)上拔位移值越低,這表明隨著降雨向土體入滲,土體飽和區(qū)域不斷增大,土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響大于基質(zhì)吸力減少作用的影響。

        當(dāng)上拔荷載=600kN且降雨時(shí)間達(dá)到1天與3天時(shí),降雨天數(shù)越長(zhǎng),基礎(chǔ)上拔位移值越低,這表明隨著降雨向土體入滲,土體飽和區(qū)域不斷增大,土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響大于基質(zhì)吸力減少作用的影響;當(dāng)降雨時(shí)間達(dá)到5天與7天時(shí),降雨天數(shù)越長(zhǎng),基礎(chǔ)上拔位移值越大,這表明隨著降雨向土體入滲,土體飽和區(qū)域不斷增大,土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響小于基質(zhì)吸力減少作用的影響。

        在上拔荷載>600kN且上拔荷載值相同的條件下,降雨天數(shù)越長(zhǎng),基礎(chǔ)上拔位移值越大,這表明隨著降雨向土體入滲,土體飽和區(qū)域不斷增大,土體重度的增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響小于基質(zhì)吸力減少作用的影響,土體基質(zhì)吸力減少對(duì)樁體抗拔性能的影響起主導(dǎo)作用。以上分析表明,上拔荷載在600kN時(shí)為臨界狀態(tài)。

        4 降雨對(duì)基礎(chǔ)抗拔承載性能的影響

        隨著降雨時(shí)間的增加,基礎(chǔ)樁體的極限承載力變化特征如圖7所示。

        圖7 不同降雨條件下的極限承載力變化曲線

        基礎(chǔ)樁體極限承載力隨著降雨入滲時(shí)間的增加而逐漸減少,當(dāng)降雨時(shí)間為0天時(shí),基礎(chǔ)樁體極限承載力為1920.0kN;當(dāng)降雨時(shí)間為7天時(shí),降雨入滲深度達(dá)到基礎(chǔ)埋深的60%(距基礎(chǔ)表面約為4.20m),基礎(chǔ)樁體極限承載力為1610.0kN,降低了16.15%。因此抗拔樁極限承載力減少量與降雨入滲深度有關(guān),在一定降雨入滲深度范圍內(nèi),降雨入滲深度越大,抗拔樁極限承載力數(shù)值衰減速度越快。

        5 結(jié)語(yǔ)

        數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明,建立的數(shù)值模型能較好地反映上拔荷載與上拔位移之間的關(guān)系;當(dāng)上拔荷載小于比例界限值600kN時(shí),土體重度增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響大于基質(zhì)吸力減少作用的影響;當(dāng)上拔荷載大于比例界限值600kN時(shí),土體重度增加對(duì)基礎(chǔ)抗拔性能的影響小于基質(zhì)吸力減少作用的影響;抗拔樁極限承載力與降雨入滲深度有關(guān),當(dāng)降雨入滲深度越大時(shí),抗拔樁極限承載力減少速度越大。

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