韓 昊,李小來,蘇 毅,金 哲,李書煬

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司,湖北 武漢 430051;2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

0 引言

近幾年,我國電力建設(shè)迅速發(fā)展,輸電線路鐵塔基數(shù)不斷增多,人工挖孔樁、掏挖類等圓狀基礎(chǔ)在電力建設(shè)中頻繁應(yīng)用,在取得良好建設(shè)成果的同時,還要重視施工過程中防止基坑坍塌影響人員安全的問題。針對基坑開挖過程中存在的風(fēng)險,國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究。劉艷萍等提出在地質(zhì)條件相對復(fù)雜的深基坑開挖的風(fēng)險控制方法,基于“4M1E”系統(tǒng)安全理論建立深基坑開挖事故樹與開挖風(fēng)險評價指標體系,結(jié)果表明該方法對基坑開挖存在的風(fēng)險識別率高、判別率低、風(fēng)險控制效果好［1］;陳紹清等為減少在基坑施工過程中發(fā)生的坍塌事故,通過建立深基坑坍塌事故樹模型,結(jié)合層次分析法的權(quán)重計算及進行排序,對深基坑坍塌事故的致災(zāi)因素進行定性識別和定量分析［2］;王立忠等提出基坑變形的多標度特征分析模型與基于偏態(tài)高斯曲線機動場的MMSD上限分析法,并用該方法對2例基坑倒塌事故進行分析,結(jié)果表明MMSD法基于狹長深窄基坑相適應(yīng)的機動場,采用實測土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,并且考慮土體不排水強度各向異性,可更準確預(yù)測基坑坍塌發(fā)生機制［3-4］。

以上學(xué)者對基坑開挖過程中可能存在的孔壁坍塌問題進行了研究,提出各類事故預(yù)測模型與基坑坍塌機制,為后續(xù)采用基坑護壁解決坍塌問題提供了理論基礎(chǔ)。

掏挖基礎(chǔ)、人工挖孔樁都需要挖掘較深的圓狀基坑,在施工過程中極易因人員、施工機械甚至爆破等額外載荷的擾動以及地質(zhì)問題引發(fā)基坑坍塌,為解決成孔過程中孔壁穩(wěn)定性問題,國內(nèi)學(xué)者提出采用護壁技術(shù)提升孔壁穩(wěn)定性的方法,取得良好效果。

周云東等通過開展泥漿護壁穩(wěn)定性研究,采用極限平衡-變分法得到泥漿護壁穩(wěn)定性結(jié)果,研究表明地表傾斜角度使護壁穩(wěn)定性降低,而提高泥漿重度和高度可有效改善護壁穩(wěn)定性［5］;熊國軍等建立樁孔穩(wěn)定力學(xué)模型,分析有無支護開挖等3種施工方式的應(yīng)用條件,結(jié)果表明土體的摩擦角、黏聚力與泥漿容重是對樁孔影響較大的因素,當挖孔深度小于無支護孔最大深度時,可采用無支護開挖,否則采用泥漿護壁輔助挖孔［6-7］;李林等給出保證孔壁穩(wěn)定的泥漿重度和孔壁穩(wěn)定安全系數(shù)的計算方法,結(jié)果表明飽和軟黏土中鉆孔灌注樁孔壁卸荷屈服后,孔壁周圍土體處于彈塑性狀態(tài),鉆孔頸縮量大,孔壁穩(wěn)定安全系數(shù)較?。?-10］;閆兆平結(jié)合具體的工程實例,闡述混凝土護壁技術(shù)詳細施工過程,采取邊挖邊澆筑方法按節(jié)段進行混凝土護壁施工,結(jié)果表明混凝土護壁技術(shù)能有效防止開挖過程中土體坍塌問題,但需要較長工期完成混凝土護壁澆筑成型［11］;宗露丹等采用大型巖土工程有限元軟件Plaxis3D,針對該豎井基坑的順作優(yōu)化方案,建立考慮土與結(jié)構(gòu)共同作用的三維有限元模型,對基坑開挖進行全過程模擬,結(jié)果表明地下連續(xù)墻的變形及受力性態(tài)與實測值較吻合,采用小應(yīng)變本構(gòu)模型計算分析超深圓形基坑具有較好適用性［12］。

綜上所述,護壁技術(shù)在人工挖孔樁以及鉆孔施工過程中發(fā)揮了重要作用,泥漿護壁提升了孔洞的承載力,降低了基坑施工過程中坍塌發(fā)生的可能性,但對于鐵塔基礎(chǔ)施工,因為我國絕大多數(shù)鐵塔都位于偏遠山區(qū),面臨交通不便、大型器械難以進山等限制;同時當需要對鐵塔基礎(chǔ)進行搶險施工時,要求施工效率盡量高、工期盡量短。因此,鐵塔基礎(chǔ)圓狀基坑護壁不宜采用現(xiàn)澆混凝土護壁和泥漿護壁。

針對現(xiàn)有護壁技術(shù)在輸電鐵塔基礎(chǔ)施工過程中存在的問題,本文基于隧道盾構(gòu)支護技術(shù)提出新型裝配式護壁裝置理論設(shè)計方法,研究裝配式護壁結(jié)構(gòu)形式,并通過建立裝配式護壁有限元分析模型,研究基坑深度、基坑土體類型、護壁直徑大小等因素對護壁應(yīng)力大小的影響規(guī)律,為該護壁裝置在實際工程中推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 護壁材料、結(jié)構(gòu)與裝配方法

現(xiàn)有基坑支護材料及形式大多選用混凝土材料現(xiàn)場澆筑,但在混凝土現(xiàn)場澆筑過程中存在施工條件要求相對較高、施工質(zhì)量難以把控且周期較長、不能循環(huán)使用等缺點［13-17］,為此,本文設(shè)計一種適用于輸電鐵塔山地基坑快速搶險的裝配式護壁裝置結(jié)構(gòu)及方法。

1.1 護壁材料選擇

采用6061鋁合金作為新型裝配式護壁材料,參數(shù)如表1所示,該材料具備高彈模、低密度、耐腐蝕等特點。

表1 正交試驗參數(shù)

表1 6061鋁合金材料參數(shù)

1.2 護壁結(jié)構(gòu)

輸電鐵塔掏挖基礎(chǔ)均為圓狀截面,因此將裝配式護壁截面設(shè)計為圓形,如圖1所示。

圖1 護壁結(jié)構(gòu)

1.3 護壁裝配方法

a.單節(jié)段護壁裝配方法

護壁由3片構(gòu)件依次連接組成1個360°的圓形裝配式護壁,單片連接構(gòu)件為120°弧形結(jié)構(gòu),連接構(gòu)件的左右兩端分別設(shè)置用于兩兩連接的肋板,單片連接構(gòu)件如圖2所示。

圖2 單片連接構(gòu)件結(jié)構(gòu)

單片連接構(gòu)件左右兩側(cè)連接肋板的中軸線處等距布置3個螺栓孔,連接螺栓選用6.8級M20型螺栓,根據(jù)規(guī)范JGJ82—2011《鋼結(jié)構(gòu)高強度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定,將螺栓孔上下間距設(shè)計為125 mm,螺栓孔至外邊緣距離設(shè)計為40 mm。連接肋板螺栓孔具體布置如圖3所示。

圖3 連接肋板螺栓孔布置

單節(jié)段護壁裝配方法為先將3片連接構(gòu)件首尾依次相連,連接肋板緊密貼合,將螺栓穿過螺栓孔固定相鄰的連接構(gòu)件,3片連接構(gòu)件裝配為1個標準節(jié)段裝配式護壁,如圖4所示。

圖4 護壁3片連接構(gòu)件裝配方案

b.上下節(jié)段護壁裝配方法

根據(jù)開挖基坑深度不同,將標準節(jié)段裝配式護壁上下對接,以達到支護整個基坑的目的。為防止標準節(jié)段裝配式護壁上下對接時發(fā)生錯位,各相鄰節(jié)段間采用上下連接片進行對接,上下連接片材料與護壁主體一致。

上下相鄰標準節(jié)段護壁裝配方法為首先在下層標準節(jié)段護壁環(huán)體的上環(huán)面等距放置若干個上下連接片;然后將上層標準節(jié)段護壁環(huán)體垂直放入上下連接片卡槽中,以此連接上下相鄰標準節(jié)段護壁環(huán)體。上下連接片裝配方案如圖5所示。

圖5 護壁上下連接片裝配方案

2 環(huán)形護壁設(shè)計方法

2.1 基坑側(cè)壓力計算

掏挖類基坑在成孔過程中,因挖孔區(qū)域土體被掏空,裝配式護壁將受到來自土體自重、人員器械施工外載荷的側(cè)向土壓力。將外圍土體假設(shè)處于彈性平衡狀態(tài)作用于護壁上,即在裝配式護壁設(shè)計時,側(cè)向土壓力均以靜止土壓力計算。

假設(shè)地基土層是各向同性的彈性體,在地面以下深度為處同一水平面上各點的應(yīng)力狀態(tài)相同。基坑地面以下處土體所受的豎向自重應(yīng)力為

σv=∑γihi

(1)

式中:σv為基坑中土體豎向自重應(yīng)力;γi為第i層土體重度;hi為第i層土體厚度。

基坑地面以下z處土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力為

σz=k0σv

(2)

式中:σz為基坑中土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力;k0為土體側(cè)向土壓力系數(shù),k0=1-sinφ,φ為土體內(nèi)摩擦角。

2.2 環(huán)形護壁應(yīng)力計算

取基坑地面以下z處分析,其裝配式護壁力學(xué)計算模型可簡化為四周均勻承壓的圓環(huán)結(jié)構(gòu),如圖6所示,四周承受的壓力大小為基坑開挖后的側(cè)向土壓力。

圖6 環(huán)形護壁力學(xué)計算模型

設(shè)裝配式護壁厚度為t,當t≤r2/20時,側(cè)向土壓力在護壁上產(chǎn)生的應(yīng)力為

σ=3σz(r2/t)

(3)

當t>r2/20時,側(cè)向土壓力在護壁上產(chǎn)生的應(yīng)力為

(4)

式中:σ為環(huán)形護壁應(yīng)力;r1為環(huán)形護壁內(nèi)半徑;r2為環(huán)形護壁外半徑。

2.3 環(huán)形護壁穩(wěn)定性計算

計算環(huán)形護壁穩(wěn)定性時考慮長護壁和短護壁2種情況。設(shè)護壁臨界長度為Lcr,計算長度為L,當L≥Lcr時為長護壁;當L

(5)

長護壁臨界壓力pcr和臨界應(yīng)力σcr分別為

(6)

(7)

短護壁的臨界壓力p′cr和臨界應(yīng)力σ′cr分別為

(8)

(9)

式中:E為材料彈性模量。

當σ≤σcrorσ′cr時,護壁穩(wěn)定性滿足要求。

3 典型條件下護壁應(yīng)力計算方法驗證

分別采用環(huán)形護壁設(shè)計方法和有限元計算方法對典型條件下的護壁應(yīng)力進行計算,驗證2種方法的有效性。

典型條件為基坑土體重度γ=18 kN/m3、內(nèi)摩擦角φ=20°、基坑直徑為1.2 m、基坑深度為10 m、場地內(nèi)無地下水。

考慮地面施工荷載時,將施工載荷等效為作用于地面上的土體,其中有無地面施工荷載計算時的三維等效圖如圖7所示。

圖7 有無地面施工荷載等效模型

3.1 護壁材料本構(gòu)模型

裝配式護壁采用6061鋁合金,6061鋁合金采用Von-Mises屈服準則、隨動強化準則的雙線性隨動強化模型,如圖8所示,其本構(gòu)關(guān)系曲線分為彈性和塑形2種階段,采用理想“二折線”型,用2條直線段表達材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

圖8 材料本構(gòu)模型

(10)

式中:fy為屈服強度;fu為極限屈服強度;εy為材料硬化起點應(yīng)變;εu為峰值應(yīng)變。

3.2 有限元模型建立

根據(jù)設(shè)計的標準節(jié)段裝配式護壁結(jié)構(gòu)形式,建立完整的護壁-土體有限元模型,如圖9所示,為提高仿真分析模型收斂效率,忽略相鄰標準節(jié)段護壁上下連接片。

圖9 護壁-土體有限元模型

護壁與土體單元類型均采用C3D8R實體單元建立,用六面體中性軸劃分網(wǎng)格。為提高收斂效率,采用顯示動力分析步,將全局接觸中法向行為定義為“硬接觸”、切向行為摩擦定義為“罰”函數(shù)。邊界條件將土體底部設(shè)置鉸接約束、土體外圍限制x、y方向位移。

3.3 計算結(jié)果分析

a.無地面施工荷載

無地面施工荷載條件下,10 m深基坑與裝配式護壁整體模型有限元計算應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10可知,裝配式護壁應(yīng)力自上而下呈現(xiàn)連續(xù)層次分布,隨著深度增大,護壁應(yīng)力逐漸增大,最大應(yīng)力出現(xiàn)在基坑底部處護壁環(huán)體上,最大應(yīng)力為26.85 MPa。由環(huán)形護壁設(shè)計方法計算最下段護壁應(yīng)力理論結(jié)果為26.91 MPa,與有限元的計算結(jié)果相對誤差為-0.22%。

圖10 無地面荷載護壁應(yīng)力云圖

b.有地面施工荷載

有地面施工荷載條件下,基坑與裝配式護壁整體模型有限元計算應(yīng)力云圖如圖11所示。由圖11可知,有無地面施工荷載作用的護壁應(yīng)力分布較為一致,由于施加地面施工荷載,將其換算成土體厚度后護壁深度增大,使各標準節(jié)段護壁環(huán)體上的應(yīng)力均增大,但增幅較小,其中基坑底部處護壁環(huán)體上最大應(yīng)力由26.85 MPa增大至29.07 MPa。由環(huán)形護壁設(shè)計方法計算最下段護壁應(yīng)力的理論結(jié)果為28.51 MPa,與有限元計算結(jié)果的相對誤差為1.96%。

圖11 有地面荷載護壁應(yīng)力云圖

有無地面施工荷載2種情況下,理論計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果均小于材料屈服強度241.34 MPa

和臨界應(yīng)力51.81 MPa,裝配式護壁滿足強度和穩(wěn)定性要求。理論計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果的相對誤差為-0.22%～1.96%,說明環(huán)形護壁理論設(shè)計方法和有限元計算方法合理有效。

4 多因素對護壁應(yīng)力影響規(guī)律分析

本文采用整體模型有限元計算方法和正交試驗方法,分析基坑直徑、基坑深度、土體類型等因素對護壁應(yīng)力的影響規(guī)律。

4.1 正交試驗方法

基于正交試驗方法原理進行基坑直徑、基坑深度和土體類型對孔壁應(yīng)力的影響試驗,參數(shù)如表1所示。

4.2 有限元試驗方法

基于有限元方法進行16種工況數(shù)值試驗,其中工況1-4基坑裝配式護壁應(yīng)力云圖、護壁-土體整體剖面云圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 裝配式護壁應(yīng)力云圖

圖13 護壁-土體整體剖面云圖

對不同基坑直徑、基坑深度和土體類型的影響因素在16種工況條件下,護壁應(yīng)力有限元計算結(jié)果如表2所示。

表2 有限元計算結(jié)果

4.3 影響因素分析

極差分析是反映不同基坑直徑、基坑深度、土體類型3種因素影響護壁應(yīng)力變化的幅度,即極差R值越高,說明該因素對護壁應(yīng)力大小影響最大,即可得出各因素對護壁應(yīng)力影響的主次關(guān)系。

對上述正交試驗結(jié)果的極差R值結(jié)果繪制護壁應(yīng)力與4水平因素的關(guān)系曲線如圖14所示。將3種影響因素分別取4種情況進行研究,即為4水平因素?；又睆?個取值分別為1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m;基坑深度4個取值分別為8 m、10 m、12 m、14 m;土體類型分別為耕植土、粉質(zhì)黏土、碎石土、黃土。

圖14 3因素與護壁應(yīng)力的關(guān)系曲線

由圖14可知,基坑深度和基坑直徑均對護壁應(yīng)力有明顯影響,即護壁應(yīng)力隨基坑深度和基坑直徑增大呈顯著增大趨勢;不同土體類型對護壁應(yīng)力的影響較小,原因是土壤重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角3個參數(shù)都會對基坑護壁應(yīng)力產(chǎn)生影響,而4類土體的重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角并沒有一致的變化規(guī)律;此外,由碎石土基坑護壁的應(yīng)力大于其他3類土體基坑護壁的結(jié)果可知,相對于黏聚力和內(nèi)摩擦角,土壤重度對護壁應(yīng)力的影響最大。

5 結(jié)論

a.針對護壁技術(shù)存在的不足,設(shè)計一種適用于山地圓狀基坑快速搶險的裝配式護壁結(jié)構(gòu)形式和快速裝配方法,能有效解決傳統(tǒng)護壁施工周期長、材料不易運輸?shù)葐栴},可提高工程應(yīng)急搶險效率。

b.提出環(huán)形護壁承載力計算方法,以2種典型工況為例計算護壁應(yīng)力理論值,并借助有限元仿真分析模型相互驗證。結(jié)果表明,2種方法計算的應(yīng)力值相對誤差為-0.22%～1.96%,說明理論設(shè)計方法和有限元計算模型有效合理。

c.采用合理的有限元計算模型對多因素影響下的護壁應(yīng)力進行計算,分析發(fā)現(xiàn)基坑深度和基坑直徑是影響護壁應(yīng)力的主要因素;不同土體類型對護壁應(yīng)力影響較小,相對于黏聚力和內(nèi)摩擦角,土壤重度是對護壁應(yīng)力影響最大的土體力學(xué)參數(shù)。