黄土区特高压输电线路杆塔全掏挖基础抗拔分析

黄土区特高压输电线路杆塔全掏挖基础抗拔 贾 　宁 (北京国电华北电力工程有限公司 , 北京 　100011) 摘要 : 全掏挖基础是人工在地基中直接掏挖出基础形状 , 插入钢筋笼 , 灌入混凝土形成基础的一种 施工方法。采用规范中给出的土重法和剪切法 , 计算了输电线路杆塔基础的抗拔承载力 , 并与有限 元计算结果做了对比 , 分析了土重法和剪切法计算的极限抗拔力对应的基础周围土体状态。土重法 和剪切法计算的极限抗拔力均小于有限元计算的极限抗拔力 , 3 种方法极限抗拔力土体均处于弹性 状态。剪切法计算结果大于土重法 , 且有相应的安全度 , 基础设计中可以采用剪切法。 关键词 : 输电线路 ; 抗拔分析 ; 杆塔基础 ; 全掏挖 ; 黄土 中图分类号 : TU470 + 13 文献标识码 : A Pullout resistance analysis of transmission line foundation in loess Jia Ning ( North China Power Engineering ( Beijing) Co. , Ltd , Beijing 　100011 , China) Abstract : The foundation ditch of transmission line excavated by hand has the shape of concrete foundation , before inserting the reinforcing cages and pouring the concrete. Pile foundation pullout resistance is calculated by soil weight method and soil shear method that are given by the code. The results are compared with that by FEM. The condition of the soil around the foundation is analyzed. Pullout resistance given by soil weight method and soil shear method are both less than that given by FEM. The soil around the foundation is in elastic condition. The soil shear method yields a larger pullout resistance than that given by soil weight method , and has a reasonable safety factor , and can be used in foundation design. Key words : overhead transmission line ; pullout resistance analysis ; poles and towers foundations ; hand2 excavation ; loess 收稿日期 : 200824230 ; 修订日期 : 2008207204 作者简介 : 贾宁 (1975 - ) , 男 (汉族) , 山西大同人 , 博 士 , 工程师. 0 　引言 全掏挖基础避免了大开挖后再填土 , 不扰动原 状土的天然结构强度 , 基础承受上拔荷载时 , 原状 土的强度可以得到充分发挥 , 抗拔承载力较大。另 外 , 这种基础型式对地植被的破坏较小 , 有较好 的经济和环境效益[1 ] 。根据以往 500kV 线路工程的 统计 , 由于各线路地质条件不同 , 采用全掏挖基础 比阶梯式基础节约钢材和混凝土分别在 3 %～7 %和 8 %～20 %之间[2 ] 。 全掏挖基础示意图见图 1。 理论上讲 ,《架空送电线路基础设计技术规定》 (DLΠT5219 - 2005) [3 ] 中的剪切法对应于地基土的剪 切破坏模式 , 而土重法对应于地基土为回填土时的 破坏模式。对于掏挖基础 , 一般认为采用剪切法较 为合适[4 ] , 但在黄土中采用哪种模式计算较为合 理 , 二者又相差多少 , 是工程设计中关心的问题。 本文以晋东南 —南阳 —荆州 1000kV 特高压交 流输电线路工程河南段为例 , 对比了规范给出的 2 种极限抗拔力计算方法 , 并与有限元计算结果作了 对比。分析了这 3 种方法计算结果的大小关系、极 限抗拔力作用下土体塑性点的分布及地基土的位移 情况 , 为计算方法的选用提供依据。 1 　塔基黄土工程性状 根据《湿陷性黄土地区建筑规范》 ( GB50025 - 2004) [5 ] , 河南段属于湿陷性黄土工程地质分区的 Ⅴ区 , 该区黄土层厚度一般为 10～14m , 湿陷性黄 土层厚度一般为 5～10m , 低阶地湿陷系数δs 平均 值为 01030。地面标高一般在 150～225m 之间。 42　　　工程勘察 　Geotechnical Investigation &Surveying 2009 年第 2 期 　 图 1 　全掏挖基础示意图 　　地层为马兰黄土 , 浅黄、褐黄色 , 稍湿 —湿 , 土质较均匀 , 含虫孔 , 含少量白色钙质条纹 , 含少 量钙质结核。在勘测期间地下水位埋深大于 16m。 马兰黄土主要物理力学性质指标见表 1 和表 2。 2 　解析法 211 　土重法 土重法计算基础极限抗拔力 Tw 采用《架空送 电线路基础设计技术规定》 (DLΠT5219 - 2005) [3 ] 中 的通用计算 (61311 - 1) 。计算中不考虑水平力 的影响 , 水平力影响系数γE 取 110 ; 不考虑相邻基 础的影响 , 相邻基础影响微体积Δvt取 0。具体计算 公式见文献[3 ] 。 马兰黄土物理力学性质指标一览表 表 1 项目 天然含水量 w ( %) 密度 (gΠcm3) 湿密度ρo 干密度ρd 天然孔隙比 eo 饱和度 S r ( %) 液限 WL ( %) 塑限 WP ( %) 塑性指数 Ip 液性指数 IL 最大值 2111 2100 1165 1116 8910 30160 19130 11150 0132 最小值 513 1140 1125 0164 1410 24120 16130 6180 - 1133 平均值 1117 1157 1140 0194 3417 27147 17178 9169 - 0163 马兰黄土物理力学性质指标一览表 表 2 项目 压缩模量 Es (MPa) Es1 - 2 Es2 - 4 黄土湿陷试验 湿陷系数δs P = 50 P = 100 P = 200 P = 300 湿陷起始压力 Psh (kPa) 自重湿陷系数 δzs 最大值 25195 36152 01027 01066 01105 01130 300100 0108 最小值 2131 2153 01001 01001 01001 01002 28100 0100 平均值 12104 13109 01006 01011 01023 01037 122130 0101 　　土重法上拔临界深度 hc 取 215 倍基础扩大端 直径 D。 212 　剪切法 剪切法计算基础极限抗拔力 Ts 采用《架空送 电线路基础设计技术规定》 (DLΠT5219 - 2005) [3 ] 中 的通用计算公式 (61211) 。具体计算公式见文献[3 ] 。 考虑到基底扩展角对极限抗拔的影响 , 文献 [ 3 ] 中 Ts 计算式的右侧乘以 018 的影响系数。与土重 法相同 , 剪切法同样不考虑水平力和相邻基础的影 响。 3 　有限元计算模型 黄土采用摩尔—库仑弹塑性模型。在摩尔 —库 仑模型中 , 若采用相关流动法则求取塑性应变速 率 , 将会夸大剪胀作用 , 所以除了屈服函数外 , 还 引入了三个塑性势函数 : g1 = 1 2 | σ′2 - σ′3 | + 1 2 (σ′2 +σ′3 ) sinψ (1) g2 = 1 2 | σ′3 - σ′1 | + 1 2 (σ′3 +σ′1 ) sinψ (2) g3 = 1 2 | σ′1 - σ′2 | + 1 2 (σ′1 +σ′2 ) sinψ (3) 　　式中 , ψ为剪胀角 , 当内摩擦角φ大于 30°时 , ψ=φ- 30°, 当内摩擦角φ小于 30°时 , ψ取 0。 对于两个塑性势函数交接处尖角的处理 , 采用 Koiter , Van Langen 等提出的急转跳跃算法[6 , 7 ] 。 计算模型采用 6 结点轴对称模型。在边界的选 定上 , 为了不影响基坑的变形和稳定性 , 又能保证 一定的计算精度 , 通过试算确定模型右侧边界取 4 倍扩大端半径 , 基底以下深度取 2 倍扩大端半径。 计算模型见图 2。边界左右两侧设水平位移约束 , 底部设水平和垂直位移约束。模型共剖分 634 个单 元 , 1337 个结点 , 1902 个应力点。模型单元剖分见 图 3。 由于全掏挖的前题条件是地下水埋深较大 , 所 以计算时不考虑地下水的作用。 4 　计算结果分析 411 　数值大小对比 根据土工试验结果 , 结合当地经验 , 本文计算 选取 3 组计算参数。3 组参数所代表的土体强度逐 52　2009 年第 2 期 工程勘察 　Geotechnical Investigation &Surveying 　　　　 图 2 　计算模型 图 3 　模型单元剖分图 渐增高 , 3 组计算参数见表 3。 解析法及有限元计算参数表 表 3 参数 组号 容重γ (kNΠm3) 压缩模量Es1 - 2(MPa) 粘聚力c (kPa) 内摩擦角φ (°) 泊松比ν 饱和度S r ( %) 上拔角α (°) 1 1510 1110 1210 2210 0135 50 10 2 1515 1310 2510 2210 0135 50 15 3 1515 1510 3010 2510 0135 50 20 典型全掏挖基础上部直柱直径 d 为 1700mm , 扩大端直径 D 为 5600mm , 直柱长度 L 1 为 2900mm , 扩大段长度 L2 为 1900mm , 扩大端高度 L3 为 100mm (参见图 1) 。 在有限元计算中 , 逐渐增大桩顶上拔力 , 计算 对应于不同桩顶上拔力的桩顶位移 , 绘制上拔力 T 与桩顶上拔量 S 的关系曲线 (图 4) 。图 4 中同时标 出了对应于不同参数下 , 由土重法和剪切法计算出 的极限上拔力 Tw 和 Ts 。有限元法计算出的极限上 拔力 Tu 对应于 T - S 曲线曲率最大处。 3 组参数 2 种解析法计算的极限上拔力 Tw 和 Ts , 以及有限元计算的极限上拔力 Tu 见表 4。 从图 4 看出 , 剪切法计算出的基础极限抗拔力 Ts 和土重法计算出的基础极限抗拔力 Tw 均在 T - 图 4 　上拔力 T 与桩顶上拔量 S 的关系曲线 S 曲线的直线段 , Tw 小于 Ts , Tw 为 Ts 的 75 %～ 81 %。土重法计算出的极限抗拔力 Tw 为有限元计 算出的极限抗拔力 Tu 的 61 %～66 % , 剪切法计算 出的极限抗拔力 Ts 为有限元计算出的极限抗拔力 Tu 的 81 %～84 %。Tw 与 Ts 所对应的土体状态仍处 于线弹性状态。 有限元及解析法计算结果 表 4 参数组号 项目 上拔力 比值 ( %) Tw (kN) Ts (kN) Tu (kN) TwΠTs TwΠTu TsΠTu 1 2704 3308 4085 8117 6612 8110 2 3147 4163 5131 7516 6113 8111 3 3577 4729 5645 7516 6314 8318 412 　塑性点及位移分析 第 2 组参数解析法计算出的极限荷载 Tw 和 Ts 对应的塑性点及张应力点分布见图 5。从图 5 (a) 看出 , 在荷载 Tw 作用下 , 只有在桩底扩大端脚趾 上部有少量的塑性点 , 在基础底面、基础主柱侧面 和地表面附近存在张应力点 , 塑性点和张应力点在 基础附近的土体中没有连成一片 , 土体在宏观变形 特性上仍处于弹性阶段。 从图 5 (b) 看出 , 与 Ts 对应的塑性点面积大 于 Tw 对应的塑性点面积 , 张应力点分布面积也有 所扩大 , 但塑性点和张应力点仍没有在基础扩大端 顶面连成一片 , 土体仍处于弹性状态。 　　第 2 组参数解析法计算出的极限荷载 Ts 和 Tw 对应的位移等值线见图 6。从图 6 看出 , 荷载 Ts 和 Tw 对应的位移等值线分布相似。但 Ts 对应的桩周 土位移比 Tw 对应的桩周土位移稍大。 综合分析 , 土重法与剪切法计算出的极限荷载 对应的土体状态均处于弹性状态 , 而剪切法与有限元 计算出的极限荷载相近。所以 , 对于人工全掏挖基础 , 采用剪切法来验算基础抗拔稳定性更接近实际。 62　　　工程勘察 　Geotechnical Investigation &Surveying 2009 年第 2 期 　 图 5 　塑性点分布 图 6 　位移等值线 5 　结论 (1) 土重法计算出的基础极限抗拔力 Tw 为剪切法 计算出的基础极限抗拔力 Ts 的 75 %～81 %。 (2) 土重法计算出的极限抗拔力 Tw 为有限元计算 出的极限抗拔力 Tu 的 61 %～66 % , 剪切法计算出 的极限抗拔力 Ts 为有限元计算出的极限抗拔力 Tu 的 81 %～84 %。 (3) 土重法计算出的基础极限抗拔力 Tw 和剪切法 计算出的基础极限抗拔力 Ts 作用下 , 土体仍处于 弹性阶段。 (4) 对于人工全掏挖基础 , 采用剪切法来验算基础 抗拔稳定性更接近实际。 参 考 文 献 [1 ] 　姜燕波 , 罗志恒. 掏挖式基础在送电线路工程中的应用分析. 云南电力技术 , 2006 , 34 (5) : 40～42. [2 ] 　中国电力工程顾问集团公司 , 北京国电华北电力工程有限公 司 , 西北电力设计院等. 晋东南—南阳—荆门 1000kV 线路初 步设计阶段 (第一卷 , 总说明书) [ R] . 2006. [3 ] 　东北电力设计院等. 架空送电线路基础设计技术规定 (DLΠ T5219 - 2005) . 北京 : 中国电力出版社 , 2005. [4 ] 　李凤勤. 人工掏挖原状土基础的研究与应用. 吉林电力技术 , 1994 , (4) : 52～55. [5 ] 　陕西省计划委员会主编. 湿陷性黄土地区建筑规范 ( GB50025 - 2004) . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2004. [6 ] 　Koiter , W. T. , General theorems for elastic2plastic solids [A] . In : I. N. Sneddon , R. Hill ( Ed) . Progress in Solid Mechanics V (1) . North2Holland , Amsterdan , 19601 165～221. [7 ] 　Van Langen , H. , Vermeer , P. A. . Automatic step size correction for non2associated plasticity problems [ J ] . Int . J . Num. Meth. Engng. , vol (29) : 579～598. 72　2009 年第 2 期 工程勘察 　Geotechnical Investigation &Surveying