紅砂巖地基桿塔基礎抗拔承載特性分析

史國寵 武抒理 陳永貴

(安徽宏源電力建設投資有限公司，安徽 合肥 231201)

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紅砂巖地基桿塔基礎抗拔承載特性分析

史國寵 武抒理 陳永貴

(安徽宏源電力建設投資有限公司，安徽 合肥 231201)

選取軍塘—西二110 kV輸電線路工程紅砂巖層G24桿塔樁基礎為研究對象，基于彈塑性理論，并采用有限差分方法，數值模擬了桿塔樁基礎在上拔荷載作用下地基巖土體變形破壞過程，獲得桿塔樁基礎地基土體在上拔荷載作用下的變形破壞模式，為紅砂巖地區輸電線路桿塔基礎設計提供參考。

輸電線路，桿塔樁基礎，紅砂巖，計算模型

軍塘—西二110 kV輸電線路工程全長約17.7 km，該工程線路屬皖南山區，沿線地形起伏較大。工程地質主要為全風化～強風化的(泥質)砂巖、礫巖。該地區輸電線路基礎采用樁基礎，以混凝土和鋼筋骨架灌注于天然土體內，能充分發揮原狀土的特性，具有良好的抗拔能力。桿塔樁基礎具有施工方便、工藝簡單、經濟性高等特點[1]。國內外很多學者對上拔荷載作用下桿塔樁基礎承載特性、地基土體變形破壞過程開展了研究[2，3]。但上述研究大多數采用室內試驗結合理論分析探索上拔荷載作用下土體破壞面的形狀，并且主要針對砂土中的樁基礎，而采用數值分析計算紅砂巖中桿塔樁基礎周圍巖土體的變形破壞模式研究較少。鑒于此，本文以軍塘—西二110 kV輸電線路紅砂巖層G24桿塔基礎為例，基于彈塑性理論，采用有限差分方法，對桿塔樁基礎在上拔荷載作用下紅砂巖地基變形破壞過程進行模擬，分析得出紅砂巖地基在上拔荷載作用下的變形破壞模式。

1 數值計算方法

上拔荷載作用下桿塔樁基礎地基巖土體彈塑性變形破壞計算采用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua連續介質快速拉格朗日分析方法)方法[4]開展數值模擬計算。

2 G24桿塔樁基礎地基巖土體變形破壞分析

2.1 桿塔基礎尺寸及參數

以軍塘—西二110 kV輸電線路G24桿塔樁基礎為研究對象，G24桿塔樁基礎所在位置巖土體地質參數為：分成三層。第一層0 m～0.7 m的黃褐色，稍濕的填土層；第二層為0.7 m～8 m的褐色、灰褐色，稍濕，全風化～強風化的礫巖夾砂巖層，風化程度隨深度增加而減弱；第三層為8.0 m～15.0 m的灰紅色，稍濕，強風化～中風化的礫巖夾砂巖。G24桿塔基礎尺寸見圖1。

2.2 三維數值計算模型的建立

根據G24桿塔J10位置基礎的幾何尺寸，選取數值計算模型范圍為50 m×50 m×50 m；桿塔基礎與土層單元采用8節點六面體等參單元進行劃分，桿塔基礎與地基巖土體接觸面采用無厚度的接觸面單元進行模擬[4,5]；基礎數值網格模型共劃分657 755個單元，680 275個節點。數值網格模型具體見圖2。

2.3 材料本構模型及屈服準則的選取

由于J10位置基礎的相對埋深(h/d)較淺(<8)，地基巖土體在受荷過程中可認為是處于低圍壓的狀態，因此本次計算中選擇理想彈塑性模型作為土體的本構模型[4,6,7]。由于樁體采用鋼筋混凝土材料，在基礎上拔過程中其始終處于彈性狀態，故樁體的本構模型為彈性本構模型。

桿塔基礎在上拔荷載作用下地基巖土體將發生不同程度的彈塑性變形，并且在上拔過程中地基巖土體可能出現張拉破壞。為了能反映巖土體在開挖過程中張拉和壓剪破壞模式，本次計算中選擇Mohr-Columb屈服與張拉破壞相結合的復合準則，作為地基巖土體的屈服準則[4,8]。

2.4 邊界條件及加載方式

桿塔基礎數值計算模型的邊界條件如圖3所示。模型的4個側面及底面約束為法向約束，土體上表面為自由邊界，桿塔基礎上表面施加的荷載垂直向上。上拔荷載采用應力加載方式，按靜載荷在基礎頂部施加垂直向上的均布面荷載，進行逐級加載，直至基礎從土體中拔出，基礎體系喪失承載能力。

計算過程中在桿塔基礎頂部中心和基礎周圍巖土體表面設置位移監測點(圖3的監測點A為桿塔基礎頂部中心點，監測點B為距基礎0.5 m處的地表點)，以監測基礎和地基巖土體的位移隨荷載增加的變化情況。

2.5 數值計算參數取值

根據文獻[4][10]中關于巖土體的物理力學性質數據及相關參數建議值，并類比其他類似巖土體的物理力學參數值，確定上拔荷載作用下G24桿塔J10位置基礎紅砂巖地基及混凝土樁的物理力學參數的取值，抗拉強度是以抗壓強度的1/4～1/10確定，具體見表1。

表1 上拔荷載作用下G24桿塔J10位置基礎及地基巖土體的參數取值

2.6 數值計算結果

依據參考文獻[4]～[7]的地基基礎體系失穩破壞的綜合判斷準則，根據監測點A,B的位移監測值，繪制桿塔樁基礎荷載位移Q—S曲線，由曲線可確定桿塔基礎在上拔荷載作用下的比例極限值為4 500 kN，具體見圖4。

由圖4可以看出，桿塔基礎荷載位移曲線整體表現出“先緩變后陡變”的變化趨勢。曲線分為線性段、陡變段。線性段：加載初期，隨著荷載的增加桿塔基礎上拔位移呈線性增加，二者的荷載位移曲線趨勢基本相同；陡變段：當荷載達到比例極限4 500 kN時，隨著荷載的繼續增加，曲線斜率逐漸變大，樁土間相對位移增大，達到極限荷載時，基礎位移急劇增加，樁土間相對位移也急劇增加，基礎將從土體中拔出，整個基礎體系喪失承載能力。

根據沈珠江[9]對漸進破壞理論的研究，綜合以上數值模擬結果分析，可將紅砂巖地基基礎在上拔荷載作用下的破壞機理和過程概括為：地基土體壓縮擠密→巖土體塑性區出現和發展→巖土體整體剪切破壞。

數值計算得到基礎巖土體在軸對稱面(選取圖2的1—1剖面)的上拔荷載作用下處于極限狀態(荷載為6 000 kN)時的塑性區和位移場分布圖，具體見圖5，圖6。

由圖5可知，桿塔基礎土體處于極限狀態時，基礎周圍土體發生塑性屈服的區域主要分布在桿塔基礎兩側靠近基礎的頂部和中部，塑性區局部連通。從圖6看出，地基巖土體位移場出現明顯的分界面，在分界面以上位移較大，分界面以下位移非常小。分析得出桿塔基礎地基土體的變形破壞模式為沿著桿塔基礎上邊緣呈軸對稱的曲面破壞。

3 結語

本文選用軍塘—西二110 kV輸電線路紅砂巖層G24桿塔基礎為研究對象，基于彈塑性理論，采用有限差分方法對桿塔樁基礎在上拔荷載作用下紅砂巖地基變形破壞過程進行數值模擬，得出桿塔基礎紅砂巖地基在上拔荷載作用下的變形破壞模式，主要結論如下：

1)由荷載位移曲線分析表明，紅砂巖地基上拔破壞過程依次為巖土體壓密階段、巖土體局部剪切階段到樁土界面形成明顯的錯動位移階段，最終基礎從地基中拔出。2)數值分析表明，桿塔基礎土體處于極限狀態時，樁基礎周圍土體發生塑性屈服的區域主要分布在樁基礎兩側靠近基礎的頂部和中部，塑性區局部連通。隨著上拔荷載的增加，塑性區進一步向上擴展，與樁土界面一起形成完整的滑動面。3)本文所獲得的成果可以為紅砂巖地區輸電線路桿塔地基基礎的設計、施工等提供參考。

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Analysis on tower pile foundation anti-pulling properties of red sand stone base

Shi Guochong Wu Shuli Chen Yonggui

(AnhuiHongyuanPowerConstructionInvestmentCo.,Ltd,Hefei231201,China)

The paper selects red sand stone G24 tower pile foundation of Juntang-Xi’er 110 kV transmission line as an example, follows elastic theory, applies finite difference method, numerically simulates foundation geotechnical rock deformation damage process of tower pile foundation under pulling load, and obtains tower pile foundation soil deformation damage mode under up-lifting load, which has provided some guidance for designing transmission line tower pile foundation in red sand stone area.

transmission line, tower pile foundation, red sand stone, calculation model

1009-6825(2017)06-0108-02

2016-12-15

史國寵(1970- )，男，助理工程師； 武抒理(1976- )，男，高級工程師； 陳永貴(1969- )，男，高級工程師

TU473.11

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