谷任國(guó)，詹立貴，房營(yíng)光

華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641

我國(guó)軟土分布廣泛，主要分布在沿海地帶及平原低洼、沼澤地區(qū)[1]。軟土具有含水率高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低和靈敏度高的特性[2]。當(dāng)軟土地區(qū)高壓輸電塔受鄰近堆填土機(jī)械行走、碾壓擾動(dòng)時(shí)，軟土結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞、強(qiáng)度迅速降低，使堆填土荷載下高靈敏性軟土層產(chǎn)生較大的側(cè)移[3]，引起塔基變形甚至破壞，從而影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用[4]。

目前，研究堆載對(duì)鄰近樁基的影響主要有現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值分析等方法，尤其數(shù)值分析的方法采用最多[5?8]。鄭明新等[9]借助Abaqus 采用擴(kuò)展的Drucker-Prager 模型模擬分析了路堤填筑荷載作用下深厚軟基橋樁的變形行為。陸培毅等[10]借助Plaxis3D 采用HSS 本構(gòu)模型分析軟土地區(qū)堆載下盾構(gòu)隧道的變形特性，發(fā)現(xiàn)其與采用MC 本構(gòu)模型相比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值更吻合。鄭楷柱等[11]借助Midas GTS 建立考慮樁–土效應(yīng)的平面應(yīng)變有限元模型，分析了填土施工對(duì)鄰近橋梁樁基的影響。谷任國(guó)等[12]運(yùn)用Abaqus 分析了隧道開挖對(duì)既有高壓鐵塔的安全影響。然而鄰近堆載對(duì)于高壓輸電塔變形影響的數(shù)值模擬研究鮮有報(bào)道。在有限元分析中，材料參數(shù)的合理選取會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。材料參數(shù)通常依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來獲取，但軟土的高靈敏特性使得室內(nèi)實(shí)驗(yàn)原狀土參數(shù)與原位土體參數(shù)存在差異[13]。因此，大面積堆土作用引起的軟基變形問題值得進(jìn)一步探討。

本文針對(duì)深厚軟基鄰近堆土施工引發(fā)高壓鐵塔變形破壞的工程實(shí)例，采用Abaqus 有限元軟件進(jìn)行三維仿真模擬，考慮了軟土的高靈敏度特性，分析了堆載作用下的塔基變形機(jī)理，為類似工程提供參考。

1 工程實(shí)例

已建的某220 kV 輸電線#4 塔和#3 塔位于廣州市南沙區(qū)，且#3 塔位于#4 塔北面約30 m 處。該區(qū)域?qū)儆谥榻侵奁皆W(wǎng)密布，河流縱橫[14]。鐵塔周邊分布有小河塘、河涌和河流等，其中河涌寬約9 m，水深約1 m；河流寬約35 m，岸邊緣深度約1 m，如圖1 所示。根據(jù)已有設(shè)計(jì)資料，2 座輸電塔結(jié)構(gòu)均為角鋼塔，塔高46 m，塔基由4 根直徑為1 m 的鉆孔灌注樁組成單樁基礎(chǔ)，樁全長(zhǎng)33 m，其中地下31.5 m、地上1.5 m，樁與樁之間無地梁連接，如圖2 所示。塔地基土主要有雜填土、淤泥、粉砂、中風(fēng)化花崗巖等地層。

圖1 鐵塔周邊環(huán)境示意

圖2 高壓電塔設(shè)計(jì)圖

2017 年6 月，鐵塔周邊進(jìn)行堆填土施工。直至7 月，#4 塔基礎(chǔ)破壞嚴(yán)重，樁頂發(fā)生明顯大的側(cè)向位移，上部塔身偏斜、彎扭幅度大，塔身整體傾斜、扭曲，變形嚴(yán)重。如圖3 所示。7 月1 日—7 月29 日，#4 塔樁基的水平位移變化如圖4 所示。圖4 中T1、T2、T3、T4 表示樁基編號(hào)，對(duì)應(yīng)位置見圖1。

圖3 塔基偏移過大、塔身過度彎曲現(xiàn)象

圖4 #4 塔樁基頂端水平位移隨時(shí)間的變化

2 三維數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境， 采用Abaqus 有限元軟件建立三維有限元分析模型，其計(jì)算尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為350 m × 350 m × 100 m。模型底部進(jìn)行全自由度約束，側(cè)面進(jìn)行法向位移約束。土體模型采用六面體實(shí)體單元模擬，鐵塔和樁基模型采用梁?jiǎn)卧M，如圖5 所示。

圖5 三維有限元分析模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，地表分布有一層厚約20 m 的淤泥層，屬高靈敏土，在外力擾動(dòng)作用下，土的原有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)行重塑。因此，在三維模擬分析中，需對(duì)堆土擾動(dòng)范圍內(nèi)高靈敏軟土采取強(qiáng)度折減，其原理見文獻(xiàn)[15?17]的相關(guān)論述，根據(jù)電塔變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演，強(qiáng)度折減系數(shù)可取2.5。根據(jù)勘察資料，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)分析，各地層的計(jì)算參數(shù)建議取值如表1 所示(表中括號(hào)內(nèi)為根據(jù)靈敏度調(diào)整后的材料參數(shù))，強(qiáng)度折減區(qū)域如圖5(a)所示。在材料本構(gòu)模型中，巖土取莫爾庫(kù)倫模型，樁基取混凝土損傷塑性模型，鋼結(jié)構(gòu)取線彈性模型。

表1 材料參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相一致以獲得準(zhǔn)確的三維動(dòng)態(tài)模擬，從而得到可靠的模擬計(jì)算結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)堆土荷載區(qū)域根據(jù)堆土高度的不同劃分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)(如圖1 所示)，Ⅰ區(qū)堆土平均厚度1.6 m，Ⅱ區(qū)堆土厚度由樁基附近由0 m 向西線性增加到1.6 m，Ⅲ區(qū)堆土平均厚度為1.0 m。模擬計(jì)算工況分為2 種，工況0：初始地應(yīng)力場(chǎng)分析；工況1：施加堆土荷載（堆填土重度取18.0 kN·m?3）。

3 塔基變形原因數(shù)值分析

圖6為1.6 m 后堆土荷載作用下土層位移云圖。從圖6 中可知，土層最大水平位移為49.23 cm，發(fā)生在#4 塔附近受堆土荷載影響的淤泥淺層。

圖6 堆載下土層水平位移云圖

圖7 和圖8 列出了施加堆土荷載作用下不同位置樁基的水平位移隨深度的變化，水平位移為負(fù)表示傾向東面的位移。從圖7 和圖8 中可知，堆填土施工階段鄰近鐵塔樁基發(fā)生了不同程度的水平位移。#3 塔基中，最大水平位移為8.10 cm，發(fā)生在3-2 號(hào)樁；#4 塔基中，最大水平位移為41.90 cm，發(fā)生在4-2 號(hào)樁。現(xiàn)場(chǎng)塔基破壞后，7 月1 日—7 月29 日的#3 塔和#4 塔塔基水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，#3 塔由于地基淤泥夾砂層較厚，受堆土荷載的影響較小，故#3 塔塔基位移較小，最大累計(jì)約4 mm；而#4 塔由于地基淤泥層深厚，最厚處約20 m，塔基位移受堆土荷載的影響極大，加之鄰近有一臨空坡面，故#4 塔塔基位移由西向東增加，最大達(dá)到65 mm。

圖7 #3 塔樁基水平位移圖（X 軸正方向表示向西方向）

圖8 #4 塔樁基水平位移圖（X 軸正方向表示向西方向）

在#4 塔周邊的新近堆土施工過程中，地層水平位移變化情況如圖9 所示。模擬結(jié)果顯示堆載前#4 塔位移矢量顏色為藍(lán)色，即位移較??；而堆載后，#4 塔位移矢量顏色變?yōu)榧t色和綠色，位移大大增加。在堆土荷載作用下，#4 塔樁基附近土層的水平位移量達(dá)到了46 cm；淺層淤泥發(fā)生了剪切破壞、流動(dòng)，樁頂水平位移達(dá)42 cm，過大位移導(dǎo)致了塔基的破壞，數(shù)值分析結(jié)果中土層和樁基變形、傾斜方向與現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果相符，如圖10所示。

圖9 #4 塔堆土作用前后位移矢量圖對(duì)比

圖10 #4 塔塔基數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果

而#3 塔填土荷載對(duì)塔基產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，同時(shí)淺層淤泥擾動(dòng)區(qū)域也離#3 塔較遠(yuǎn)，故#3 塔處附近淺層淤泥層未擾動(dòng)；且#3 塔處基巖面淺，塔基樁嵌巖深度較深，同時(shí)#3 塔地基淤泥夾砂層較厚，砂層相對(duì)淤泥層能提供更大的側(cè)阻力，故#3 塔塔基位移較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)計(jì)資料和鐵塔周邊環(huán)境，采用Abaqus 有限元分析軟件建立某#3 和#4 高壓電塔的三維仿真模型，合理選取巖土計(jì)算參數(shù)，較準(zhǔn)確地分析了在堆載作用下#3 和#4 高壓電塔的變形及受力情況。得到主要結(jié)論如下：

1）在堆土荷載作用下，地層最大水平位移為49.23 cm，#3 塔塔基最大水平位移為8.10 cm，#4 塔塔基最大水平位移為41.90 cm。數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果相符，驗(yàn)證了數(shù)值模型的合理性。

2）在地面堆土擾動(dòng)作用下，高靈敏淤泥土的原有結(jié)構(gòu)被破壞、強(qiáng)度降低，在堆載作用下淤泥土更易向臨空面發(fā)生剪切滑移、流動(dòng)，產(chǎn)生更大的變形，以致塔基失穩(wěn)。

3）對(duì)于塔基的變形破壞，歸因是堆載過大還是強(qiáng)度降低導(dǎo)致地層產(chǎn)生過大變形的問題，尚無明確的結(jié)論，有待于進(jìn)一步研究論證。