復(fù)雜地形條件下高填方及其支擋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析

邢月龍，朱天浩，沈愷倫，歐曉暉

（1.浙江省電力設(shè)計院，杭州市，310012；2.中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京市，100070；3.浙江大學(xué)巖土工程研究所，杭州市，310027）

0 引言

舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程大貓山主跨越塔為目前最高的跨越鐵塔，塔基位于地形急劇變化的山體陡坎處，基礎(chǔ)周邊地質(zhì)條件異常復(fù)雜。3、4號基礎(chǔ)外側(cè)存在深厚的淤泥層，而且由于地勢較低，需填方近20 m。經(jīng)過分析，結(jié)合本工程的實際情況，初步確定的原則方案主要有：（1）采用放坡方案，對軟土地基進行處理；（2）避開軟土地基，在施工平臺外淤泥層較淺處設(shè)置擋土墻。

對方案（1），放坡回填前需對淤泥進行地基處理?？紤]到淤泥層太厚（最厚處達到13 m），清淤換填的方案顯然不合適。其他可能的軟基處理方案有：排水固結(jié)法、振沖砂石樁、水泥攪拌樁和爆破擠淤法。前3種方案軟基處理后，雖然豎向承載力可以滿足要求，但是滑移穩(wěn)定性仍然沒有得到顯著改善；如采用這3種方案，則還需在坡腳處設(shè)置沉井基礎(chǔ)才能保證滑移穩(wěn)定性，工期較長、費用也較高。對于爆破擠淤法，經(jīng)過現(xiàn)場測量放樣，塔位附近的養(yǎng)殖塘、大壩和水庫均在爆破擠淤的直接影響范圍之內(nèi)，爆破擠淤技術(shù)對本塔位而言也不合適。

對方案（2），適合本塔位的擋土墻方案主要有：衡重式擋墻方案和加筋土擋墻方案?？紤]到本塔位存在海水沖刷的影響，加筋土擋墻不宜低于海水沖刷的高度。因此，這2種方案轉(zhuǎn)變?yōu)楹庵厥綋鯄σ约昂庵厥綋鯄图咏钔翐鯄M合方案（下部衡重式擋墻，上部加筋土擋墻）。這2種方案對本塔而言均是合適的，造價也相當，但是加筋土擋墻對施工工藝要求較高，同時所需工期也較長[1]。

綜合考慮上述因素，大貓山370 m跨越塔3、4號基礎(chǔ)外側(cè)高填方區(qū)域采用了片石混凝土支擋結(jié)構(gòu)。對如此高的支擋結(jié)構(gòu)有必要從總體上對采用該方案后跨越塔塔基穩(wěn)定性進行深入研究，對工程的安全性作出合理評價。

1 工程概況

舟山群島地處我國東南沿海，長江口南側(cè)，杭州灣外緣的東海洋面上。舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程為220 kV輸電線路工程，其中螺頭水道跨越部分按500 kV設(shè)計，是整個工程的核心。螺頭水道主跨越段跨越檔距為2 756 m，島上2基高塔基礎(chǔ)分別座落在舟山大貓島和寧波涼帽山上。

本工程超高跨越塔塔基及基礎(chǔ)存在以下特點：（1）基礎(chǔ)體型巨大，最大單個基礎(chǔ)平面尺寸為18 m× 18 m；（2）上部結(jié)構(gòu)下傳荷載量大且形式復(fù)雜，下壓工況下單腿的壓力達到10 000 kN以上，水平力也在1 000 kN以上；（3）塔基所處位置的地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，大貓山跨越塔位于地形狹窄的丘陵位置，塔基局部位于陡坎處，基底高差大，同時從地質(zhì)條件看，基巖面高差大，巖性也較復(fù)雜，覆土厚度不均。

2 塔基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計

大貓山島的主跨越塔全高370 m，鐵塔半根開為30.81 m，施工場地要求110 m×110 m。塔基地面標高為4.5～42 m（1985國家高程基準），設(shè)計高程20.0 m。

為達到設(shè)計高程以及跨越塔施工機械行走要求，須對原始山地進行開挖和回填平整。由于原地形呈西低東高走勢，因此3、4號基礎(chǔ)周圍及其西側(cè)施工場地為回填區(qū)。

回填區(qū)淺部地基土層主要為：①層素填土；②層淤泥；③層含角礫粉質(zhì)粘土；④層強風(fēng)化凝灰?guī)r；⑤層中等風(fēng)化凝灰?guī)r。為填方區(qū)設(shè)計和分析計算需要，對填方區(qū)進行了勘察，典型地質(zhì)剖面土體分層情況如圖1。

圖1 填方區(qū)典型地質(zhì)剖面Fig.1 Typical geological profile of the embankment area

回填區(qū)主要采用開挖巖土體填筑，由于山腳養(yǎng)殖塘淤泥層較厚，且填方高度超過20 m，在征地范圍內(nèi)高填方穩(wěn)定性難以保證。設(shè)計采用漿砌片石混凝土擋墻支護，擋墻基座入巖，墻趾反壓回填，如圖2。

圖2 填方區(qū)剖面布置Fig.2 Retaining structure profile of embankment

3 整體穩(wěn)定性研究

3.1 有限元模型的建立

由于輸電塔3、4號基礎(chǔ)回填區(qū)域地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，相應(yīng)擋土結(jié)構(gòu)及其與土體的相互作用較為特殊，常規(guī)計算方法不能滿足計算分析和設(shè)計要求，須采用有限元方法進行計算分析。所用計算軟件為荷蘭Delft大學(xué)研發(fā)的專業(yè)巖土工程計算分析商業(yè)軟件Plaxis[2]。軟件可模擬巖土的分層特性，考慮了工程中巖土體與結(jié)構(gòu)物之間存在的分界面的影響和靜水壓力、超孔隙壓力影響；同時可以分階段進行計算，模擬實際的施工過程，計算均假設(shè)巖土體變形為小變形。

在本構(gòu)模型方面，針對不同材料采用了不同的彈性和彈塑性模型[3]。土工試驗表明，彈塑性模型中莫爾-庫侖強度理論比較符合巖土材料，同時莫爾-庫侖強度理論的本構(gòu)模型概念清晰，采用的參數(shù)少且易確定。該強度理論在巖土工程理論與實踐中廣為采用[4]，是一個對土工計算分析而言較理想的本構(gòu)模型。其他材料如硬質(zhì)巖體和混凝土等結(jié)構(gòu)則采用彈性模型。

有限元方法能較好模擬施工全過程，并可利用土體強度折減法來模擬荷載作用下土體和支護結(jié)構(gòu)的破壞過程，給出安全性評價。有限元法在穩(wěn)定性研究方面概念清晰，易于編程實現(xiàn)，且可以清楚觀察到破壞面位置與破壞的發(fā)展歷程。有限元方法用于穩(wěn)定分析已成為當前穩(wěn)定性理論研究的發(fā)展方向[5]，Plaxis在整體穩(wěn)定性分析方面采用的方法即為強度折減法[6-9]。

計算選擇了3、4號塔基中部坡腳軟土層最厚的剖面作為典型計算分析斷面，如圖2。對施工到正常使用期間全過程的有限元模擬主要集中在3個階段：

（1）塔基施工結(jié)束后，擋土墻結(jié)構(gòu)和墻后土體填筑施工完成，墻后填土經(jīng)過壓實后抗剪強度和變形模量有所提高，形成豎向和側(cè)向荷載，同時擋土墻及其基礎(chǔ)形成側(cè)向擋土體系，該階段處于施工期間，有部分沉降和側(cè)向變形發(fā)生。

（2）墻頂形成施工平臺，大型施工機械進場施工，機械行走和吊裝等過程產(chǎn)生附加荷載，沉降和側(cè)向變形進一步發(fā)生。其有限元計算模型及其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 Plaxis有限元計算模型及其網(wǎng)格劃分Fig.3 Plaxis finite element method computation model and mesh generation

（3）場地的整體穩(wěn)定性計算，這一階段采用是強度折減法，該方法是在計算過程中通過將各層土體的抗剪強度指標按比例逐步減小，直到整個體系失穩(wěn)破壞，通過起始點和破壞點的抗剪強度比較最終獲得場地的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3.2 支擋體系應(yīng)力應(yīng)變分析

在填方區(qū)場地堆填和擋墻砌筑之前，巖土體本身的應(yīng)力場即初始應(yīng)力場是有限元計算分析的基礎(chǔ)。Plaxis有限元軟件根據(jù)不同巖土體的容重計算各深度處的豎向有效應(yīng)力，然后根據(jù)各層巖土體的力學(xué)性質(zhì)（彈塑性體的抗剪強度指標或彈性體的泊松比）計算靜止巖土體壓力系數(shù)，從而得出水平向應(yīng)力，最終得到一個適應(yīng)于場地地形和地質(zhì)情況的初始應(yīng)力場。

支擋結(jié)構(gòu)施工完畢后，在數(shù)值模擬的施工荷載和支擋結(jié)構(gòu)自重的共同作用下，整個支擋體系發(fā)生相應(yīng)位移，整體位移趨勢為：擋墻底部入巖，幾乎不發(fā)生位移；墻體整體略微向外傾斜，墻頂位移最大，同時墻后回填土體下沉；墻趾回填鎮(zhèn)壓區(qū)下臥深厚軟土層，沉降較大，同時堆填體外側(cè)有明顯土體隆起發(fā)生。

墻背填土表面沉降分布和墻趾回填鎮(zhèn)壓區(qū)原地表沉降和外側(cè)隆起分布如圖4。從變形量看，由于擋墻墻基入巖，大大限制了墻體本身和墻后填土的變形，墻背填土沉降量遠小于回填鎮(zhèn)壓區(qū)原地表沉降，前者不足后者的1/6。墻后填土地表沉降大致呈折線型分布，最大沉降發(fā)生在靠近擋墻約10 m的范圍之內(nèi)，最大沉降量約28 mm。墻趾回填鎮(zhèn)壓區(qū)沉降呈中間大兩頭小的分布方式，中間最大沉降177 mm，外側(cè)隆起最大為76 mm。從位移分布看，設(shè)計使墻基入巖能有效抑制墻體和墻后填土發(fā)生較大變形，從而保證了跨越塔施工的順利進行和塔基的穩(wěn)定。

圖4 整體穩(wěn)定計算失穩(wěn)破壞位移場Fig.4 Displacement field at failure with integral stability analysis

在數(shù)值模擬的施工荷載和支擋結(jié)構(gòu)自重的共同作用下，整個支擋體系和周邊巖土體應(yīng)力分布發(fā)生明顯改變。片石混凝土擋墻和墻下堅固巖體共同承擔(dān)了大部分墻后填土自重和施工機械作業(yè)形成的荷載，表現(xiàn)為墻體下部和墻基附近巖體應(yīng)力水平較高，墻趾附近有壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，而墻前回填鎮(zhèn)壓區(qū)由于擋墻的支擋，軟土區(qū)域應(yīng)力分布較為均勻，有利于軟土分布區(qū)域的穩(wěn)定。片石混凝土擋墻墻趾有壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力水平不高，最大壓應(yīng)力不超過1.3 MPa，施工時應(yīng)注意保證墻基有一定入巖深度，并保持該部位附近巖體完整。

3.3 整體穩(wěn)定性分析

整體穩(wěn)定性計算過程中人為使巖土體的抗剪強度降低到極限值時，場地發(fā)生整體破壞，破壞時場地位移矢量分布如圖4。由位移分布形式可見，由于擋墻墻基入巖，擋墻本身片石混凝土結(jié)構(gòu)也較為堅固，加之墻趾前方回填鎮(zhèn)壓層的設(shè)置，支擋體系本身整體穩(wěn)定性較好。因此，整體穩(wěn)定破壞發(fā)生在墻趾前方的回填鎮(zhèn)壓區(qū)，滑動面呈圓弧狀，由強度折減法得到的計算剖面整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.34。

4 結(jié)論

（1）片石混凝土擋墻為主體的填方區(qū)支擋體系能有效起到支擋填土體、限制位移和保持塔基整體穩(wěn)定性的作用，由強度折減法得到的計算剖面整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.34。

（2）擋墻墻基入巖使片石混凝土結(jié)構(gòu)與其下巖體形成較好的支擋系統(tǒng)，承載了大部分墻后填土自重和施工操作產(chǎn)生的荷載，保證了擋墻內(nèi)外的巖土體穩(wěn)定。

（3）就擋墻本身而言，存在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，設(shè)計應(yīng)考慮墻基趾部有一定入巖深度，并在拉應(yīng)力區(qū)采取相應(yīng)構(gòu)造措施，同時施工過程中也應(yīng)注意保持墻基巖體的完整性。

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