短樁與錨桿組合應用的復合型桿塔基礎數值模擬分析

袁清泉，湯濤，李政民，王恩來，彭源

(1.國核電力規劃設計研究院，北京市 100095;2.國核電力規劃設計研究院重慶有限公司，重慶市 401121)

0 引言

桿塔基礎是輸電線路的重要組成部分，是電網安全運行的重要保障，其造價、工期和勞動消耗量在整個架空輸電線路工程中所占的比重較大［1-2］。相對我國其他地區，重慶的地質條件比較特殊，不僅山區丘陵地帶斜坡地形廣泛分布，而且存在大量上覆2～3 m土層，土層以下為巖石地基的區域。隨著輸電電壓等級和桿塔基礎荷載的提高，選擇單一的掏挖或巖石錨桿基礎在大多數情況下不能滿足工程的要求。此外，隨著重慶地區電網的發展，越來越多的輸電線路工程桿塔基礎需要埋置于山區斜坡地形和淺土層覆蓋巖石地基中，此時桿塔基礎的選型、基礎與桿塔結構的配合更具有特殊性。對于地面淺土覆蓋層或較為破碎的巖石地層，直接采用直柱掏挖成混凝土柱(短樁)傳遞抗拔、抗壓承載力，下部較完整的巖石利用錨桿基礎提供抗拔、抗壓承載力，可以滿足大荷載條件下輸電線路桿塔基礎的要求。懸臂部分可以作為高立柱基礎配合長短腿鐵塔使用［3-6］。

直柱短樁與巖石錨桿組合應用的桿塔基礎屬于新型基礎，國內沒有既定的規范與成熟的經驗，也缺乏相關的試驗研究成果。本文通過數值模擬方法對短樁與錨桿組合應用的復合型桿塔基礎(簡稱復合型基礎)進行研究，為該類型基礎設計和工程應用提供參考。

1 工程實例

1.1 基礎作用力

設基礎上拔力T=1 340 kN，相應水平合力H1=310 kN;下壓力N=1 830 kN，相應水平力合力H2=430 kN。

1.2 巖體地質條件

根據相關的巖土勘察報告，某輸電線路工程自上而下的巖土體性質為:

(1)場地部分揭露有覆蓋層，主要為粉土，覆蓋層較薄，最大厚度為2.5 m，其重度γ=18 kN/m3，粘聚力c=10 kPa，內摩擦角φ=15°，地基承載力特征值fak=140 kPa。

(2)場地基巖表層3 m范圍內主要為強風化的白云巖，其重度γ=22 kN/m3，巖石等代極限剪切強度τs=20 kPa，地基承載力特征值fak=400 kPa。

(3)3 m以下主要為中風化的白云巖，其重度γ=23 kN/m3，巖石等代極限剪切強度 τs=40 kPa，地基承載力特征值fak=800 kPa。

1.3 復合型基礎初步設計

強風化白云巖部分采用短樁基礎，樁底部采用錨桿基礎，以提高其抗拔承載力。參數取值為:(1)樁側摩阻力為200 kPa;(2)樁端阻力為2 500 kPa;(3)樁徑為1.2 m。經初步試算，該基礎滿足承載力，短樁直徑d=1 200 mm，樁長L=2.0 m;樁底部采用4根錨桿，錨固長度la=3.0 m。復合型基礎初步設計尺寸如圖1所示。

圖1 復合型基礎初步設計尺寸Fig.1 Preliminary design size of compound foundaiton

2 數值模擬方案

2.1 模擬計算模型方案

為對比分析錨桿基礎對上拔承載力的影響、露頭高低對抗傾覆承載力的影響、增大短樁立柱直徑或增加短樁基礎埋深對抗傾覆承載力的影響，共設立了6種不同尺寸的基礎數值模擬計算模型方案，各方案數值見表1。

表1 復合型桿塔基礎模型方案Tab.1 Models of ompound foundation

2.2 計算參數

強風化至中風化巖體統一采用摩爾-庫侖彈塑性本構模型，其物理力學性質參數見表2［7-9］。

表2 巖體Mohr-Coulomb模型特性參數Tab.2 Characteristic parameters of Mohr-Coulomb model for rock

表2中，E為彈性模量，μ為泊松比。基礎的上部短樁基礎采用彈性模型，其力學參數指標見表3。

表3 復合型基礎上部短樁的力學參數Tab.3 Mechanical parameters of short pier at compound foundations upper

復合型基礎下部錨桿的力學參數見表4。

表4 復合型基礎下部錨桿的力學參數Tab.4 Mechanical parameters of anchor at compound foundations bottom

2.3 有限元計算模型

有限元計算程序采用FLAC3D，其計算模型有限元網格劃分如圖2所示［10］。

3 數值模擬結果與分析

3.1 抗拔性能分析

短樁基礎及無露頭復合型基礎在上拔荷載下的荷載位移曲線如圖3所示，從圖3中可以看出，短樁基礎的抗拔破壞荷載為1 080 kN，對應的豎向位移為59.15 mm;無露頭復合型基礎的抗拔破壞荷載為1 440 kN，對應的豎向位移為59.80 mm。

短樁基礎在1 080 kN上拔破壞荷載作用下的上拔位移云圖如圖4所示，從圖4中可以看出，短樁基礎整體已拔出。

短樁基礎在1 080 kN上拔破壞荷載作用下的塑性區云圖如圖5所示，從圖5中可以看出，在短樁周圍的巖土體全部發生剪切破壞，向外區域為剪切與拉拔破壞共同存在的區域，最外圍區域為單純發生拉拔破壞的區域，樁底區域全部發生拉拔破壞。

圖4 短樁基礎上拔位移云圖(T=1 080 kN)Fig.4 Displacement nephogram for short pier foundation at uplift load 1 080 kN

圖5 短樁上拔荷載作用下塑性區云圖(T=1 080 kN)Fig.5 Plastic zone nephogram for short pier foundation at uplift load 1 080 kN

根據圖3～5可知，短樁基礎底部添加錨桿連接可以顯著提高鐵塔基礎的上拔承載力，低露頭的復合型基礎可以滿足鐵塔基礎上拔承載力的設計要求。

3.2 抗傾覆性能分析

短柱基礎及復合型基礎無露頭、1 m露頭、2 m露頭等4種方案的基礎在水平荷載作用下的荷載位移曲線如圖6所示。

圖6 不同基礎方案水平荷載位移曲線Fig.6 Lateral load-displacement curves for different foundation

(1)對比短樁基礎和無露頭復合型基礎可知，其荷載位移曲線基本一致，在310 kN最大水平荷載作用下，其對應的水平位移分別為3.94、3.78 mm，均滿足規范要求(小于10 mm)，因此滿足鐵塔荷載的抗傾覆要求，這說明短樁基礎底部增加錨桿對其抗傾覆能力基本沒有影響。

(2)無露頭基礎與1 m露頭基礎，其荷載位移曲線呈線性狀態;2 m露頭基礎在水平荷載達到極限狀態時位移量顯著增加。在310 kN最大水平荷載作用下，無露頭、1 m露頭、2 m露頭基礎的水平位移分別為3.78、9.49、22.25 mm，可見鐵塔基礎的露頭越高，其抵抗水平荷載的能力越弱，因此2 m高露頭的復合型基礎已不能滿足鐵塔基礎抗傾覆荷載的要求。

3.3 提高基礎抗傾覆能力方法

對于高露頭的復合型基礎，其抗傾覆能力較差，當基礎露頭大于2 m時，已不能滿足傾覆荷載的要求，因此需要通過增大基礎立柱的直徑或增加基礎立柱埋深等措施來提高其抵抗水平荷載的能力。

(1)增大立柱直徑:將短樁基礎直徑由初始的1.2 m增大至1.5 m，其他尺寸不變，單個塔腿基礎的混凝土用量增加1.27 m3，增加量約為56%。

(2)增加立柱埋深:將短樁基礎的埋深由初始的2 m增加至3 m，其他尺寸不變，單個塔腿基礎的混凝土用量增加1.13 m3，增加量約為50%。

不同尺寸的復合型基礎水平荷載位移曲線如圖7所示。

圖7 水平荷載下不同尺寸復合型基礎荷載位移Fig.7 Load-displacement curves for different combination foundation under lateral load

從圖7中可以看出，2 m露頭的原始復合型基礎、增大立柱直徑與增加基礎埋深的復合型基礎，在310 kN的水平荷載作用下，對應的水平位移分別為22.25、12.92、10.89 mm。無論增大立柱直徑還是增加基礎埋深，其荷載位移曲線呈線性分布，相比于原始的2 m露頭復合型基礎，其水平位移量顯著減小，均可有效提高基礎的抗傾覆承載能力。

4 結論

(1)復合型基礎可以滿足輸電線路桿塔基礎的荷載要求，短柱底部施加錨桿可以顯著提高基礎的抗拔承載性能，但對抗傾覆性能的提高作用不大。

(2)隨著基礎露頭尺寸的增加，復合型基礎難以滿足抗傾覆性能的要求，因此對于高露頭的復合型基礎應以抗傾覆荷載作為設計控制條件。

(3)增大立柱直徑與增加基礎埋深可有效提高高露頭基礎的抗傾覆能力，對于短樁與錨桿組合應用的復合型桿塔基礎，增加基礎埋深的措施更為有效。

［1］Lu Xianlong，Cheng Yongfeng.Review and new development on transmission lines tower foundation in China［C］//Paris:CIGRE 2008 Session，2008:211-215.

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