戈壁灘地區輸電線路掏挖基礎上拔荷載應用

楊智峰，趙玉成，李占嶺，趙懷宇，魏 銳

(1.石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043；2.河北省電力勘測設計院，河北 石家莊 050031)

掏挖基礎在工程施工方法上，一般分為人工挖孔與機械擴孔；掏挖基礎原狀土的施工對周邊環境影響不大，同時，能夠有效保證土的承載力不被破壞。目前，掏挖基礎應用較為廣泛的是輸電線路基礎設施、高架橋梁等，一般地，工程上把不大于6 m的樁叫作墩，掏挖基礎可以理解成擴底墩的形式。對于掏挖基礎的研究，魯先龍等在戈壁灘地區，以及黃土地區做過大量的工程實踐。對輸電線路桿塔基礎的擴底墩而言，受力特性要優于直柱樁，對其他工程也有較好的借鑒與應用。

有限元模擬方法可以清晰地反映基礎工程的受力特性，對于掏挖基礎而言，建立三維彈塑性有限元模型能夠更全面的、立體化的看到在上拔過程中的應力應變云圖情況。ABAQUS軟件在巖土工程領域應用較為廣泛，能夠解決巖土的非線性、參數數值化等問題，這里就掏挖基礎的ABAQUS軟件建模相對較容易，分析較具體；同時，對于巖土工程，通常采用MC模型，考慮邊界問題等。

1 工程概況

某±800 kV輸電線路穿過河西走廊戈壁灘地區，該地區海拔在1 300～1800 m之間，戈壁灘地表以礫石層為主，直徑一般為2～5mm，成分大多為灰巖、頁巖，顆粒級配較好，中粗砂、黏性土填充，混10%～20%卵石，戈壁灘雨水較少，土層自立性能較好。同時，沿線地下水位埋深超過10 m，對構筑物基礎一般不造成影響。掏挖基礎適用于硬塑土、可塑土的地質條件，以往對于戈壁灘碎石土質條件工程上應用較少，為此，進行有限元的模擬分析就顯得尤為重要。根據已有的現場直剪試驗，得到河西走廊的土質參數，粘聚力c值大約在10 ～20 kPa，土體有效摩擦角φ在40°～47°。

2 有限元建模分析

2.1 土的力學模型

在巖土中M－C模型應用較多，圖1摩爾圓中，表示正應力σf與切應力τf的關系式為：

圖1 摩爾圓示意圖

在ABAQUS模擬中，塑性勢面形式采用連續光滑的塑性勢函數來修正摩爾庫倫里菱角分明的屈服面，使計算更容易收斂。

2.2 樁土本構關系

掏挖基礎的有限元三維建模，采用八節點六面體單元，基礎尺寸樁身直徑d為1.30 m，擴底直徑D為1.85 m，擴底矢高為0.8 m，樁長L為4.6 m，滿足人工挖孔的要求；為了最大程度上消除邊界對上拔過程的影響，這里選取土體半徑為15倍擴底直徑，3倍的樁長；考慮到樁土耦合作用，選取一半建模并不影響計算結果；鋼筋－砼樁等效為相同強度的線彈性體，土為非線性的彈塑性體符合Mohr－Coulomb屈服準則，具體樁土參數見表1。

表1 樁土材料參數

2.3 建模過程分析

根據樁土的本構關系建立計算模型，見圖2。

圖2 掏挖基礎計算模型

樁土接觸問題是有限元分析的關鍵，本文考慮單樁受極限上拔荷載的情況，樁的側摩阻力τ=μp，其中，摩擦系數μ的取值與土的內摩擦角有關，這里采用μ=tan(0.57φ)，p為接觸面的豎向土壓力與橫向系數K0(K0=1－sinφ)的乘積；工程中，通常在現場綁定鋼筋籠及澆筑混凝土施工，可保證樁良好的強度，且使樁土接觸更緊密，因此，在有限元建模中，可以采用樁土的面面單元接觸，樁的強度大且網格劃分較密作為主面。

樁土邊界采用底部在空間三維約束，樁土的對稱面以及土的外側進行水平向約束，方便進行豎向荷載施加與位移觀測，且符合工程實際。在樁頂面逐級施加靜力荷載，首次可選擇2倍預測極限值的1/10進行施加，為了精確地得到所求極限荷載值，這里采用盡可能小的單級荷載值，多分析步的計算方法。

樁土網格劃分越精確對計算結果越有益，這里設置樁土為非獨立單元，共享一個接觸面節點，樁土一共擁有10998個單元，見圖3。

IgD型MM的治療方法與其他類型的骨髓瘤相似，以化療和自體造血干細胞移植為主[1, 5-6,11]。在應用硼替佐米、來那度胺等新藥及進行自體干細胞移植治療之前，IgD型MM患者的中位生存期不足2年[6]；另有文獻[12]報道，這類患者的中位生存期只有21個月，3年及5年的生存率分別是36%、21%。大劑量化療后聯合自體干細胞移植可以改善患者的總體生存率，延長其無病生存時間[8, 13-15]。研究[13]表明，單純化療患者的疾病總體生存期可達2年，化療加自體干細胞移植患者總體生存期可達5.1年。

圖3 樁土網格劃分示意圖

計算過程分析，第一步采用自動地應力平衡法，對土施加重力構建應力場，滿足自然條件下土體位移為0的狀態；第二步添加樁，并設置樁土的接觸，同時對樁施加重力荷載以滿足工程實際存在自重的狀態；第三步后，對樁逐級施加荷載，以有限元計算最終盡可能收斂為止。

2.4 數據處理分析

得到相應的樁頂荷載與位移曲線關系(QS)，見圖4。依據規范極限荷載值為3250 kN。通過表2有限元計算值、公式推導值、現場試驗值分析可見，有限元模擬值為“剪切法”值的79.50%，為現場試驗值的59.09%，偏于安全。

圖4 樁頂荷載與位移曲線關系圖

表2 計算結果對比表

在樁處于極限荷載情況下，土體表面、樁體中部及距擴底端以上0.4 m處的位移曲線見圖5。較大位移出現在擴大頭斜截面中部，是樁側地表面位移的3～4倍；從圖中可見，距離樁側10 m以上，土體豎向位移已達10～4 m以上，滿足樁土邊界計算的位移場要求。

圖5 樁側土邊界范圍內位移變化圖

根據側摩阻力經驗計算公式，

(其中，γ為土體容重，z為樁深)，計算等截面4.6 m樁的側摩阻力值為433.34 kN。有限元計算基礎上拔荷載傳遞見圖6，荷載在小于(等于)500 kN時，樁身側摩阻發揮作用，等同于等截面樁樁身荷載傳遞效果；超過該值時，樁身在變截面處出現荷載走勢突變的情況，說明擴大頭起到明顯抵制上拔荷載的作用。

圖6 樁身荷載傳遞曲線關系圖

樁在受不同上拔荷載時，土體的塑性變形情況見圖7～圖9。受影響土體的范圍隨著荷載增大沿著樁身向上延展，在荷載值為1000 kN時，塑性變化出現在變截面處及樁底，土體有少許屈服；逐級荷載施加到2000 kN時，土體塑性屈服面沿著距擴底端邊緣外0.9 m處呈柱狀向上延伸，在距地表面1.9 m處呈倒錐形，為“復合型”破壞形式；荷載繼續加大時，地表距樁側5.14 m內，呈“倒臺錐型”破壞，土體完整的屈服面形成，整體剪切破壞形式符合規范要求。

圖7 1000 kN時樁周土體塑性屈服變化圖

圖8 2000 kN時樁周土體塑性屈服變化圖

圖9 3250 kN時樁周土體塑性屈服變化圖

3 掏挖基礎上拔荷載影響因素分析

3.1 土體內摩擦角的影響

土體有效摩擦角的改變，理論上樁土接觸面的摩擦系數會有相應的變化，這里固定取系數為0.58，考察其對樁上拔承載力的影響。不同摩擦角下的荷載－位移曲線關系見圖10。

通過對比分析，土體內摩擦角對樁上拔承載力有較大影響。內摩擦角40°的土體承載力為內摩擦角30°的1.44倍，說明土體隨著內摩擦角值的增大而擁有較好的抵制上拔承載力。

3.2 土體彈性模量的影響

土體彈性模量選取為0.6Ec、1Ec、1.5Ec(Ec為上文模擬土體的彈性模量)時，基礎的承載力情況見圖11。由圖可見，土體模量對基礎的上拔承載力影響較大。

圖10 不同φ值下的荷載－位移曲線關系圖

圖11 土體模量變化下的荷載－位移關系圖

3.3 樁長的影響

樁長選取為0.8L、1L、1.3L(L為上文模擬樁長)，通過樁頂荷載－位移曲線關系圖12可得，上拔極限荷載值隨著樁長的增加而增加，1L樁長為0.8L樁長承載力的1.625倍。工程中一般地考慮建(構)筑物的設計上拔極限荷載值，從而選取適宜的樁長，降低工程造價，節約資源。該工程根據實際地質勘測及幾何尺寸最優化設計采用直線塔2.9 m≈0.63L埋深，轉角塔4.1 m≈0.89L埋深。

3.4 擴底矢高的影響

擴底高度對基礎構造有一定影響，改變了擴展角度。選取0.8h1、h1、1.3h1進行三維有限元模擬得到相應基礎荷載情況見圖13。擴底圓臺高度增加，相應地擴展角減小，隨之基礎上部覆土減少，承載力值也隨之降低。一般地，掏挖基礎在設計與施工開挖過程中，都要注意變截面處的角度問題，防止圓臺上部土體坍塌，對于戈壁灘特殊土質，該基礎工程控制擴展角度在≤20°范圍內。

圖12 不同樁長下的荷載－位移曲線關系圖

圖13 土擴底矢高變化下的荷載－位移關系圖

4 總結

(1)通過三維有限元將樁土參數數值化，得到的模擬極限荷載值低于工程實測值，略保守；掏挖基礎上拔荷載的傳遞機制較為明顯，隨著荷載值的增大沿著樁身向下延展，擴底圓臺的擴展角起到關鍵作用。

(2)掏挖基礎的破壞形式為“倒臺錐型”破壞，地表影響范圍為距樁側5.14 m≈4d；樁土本構模型的邊界條件，距樁側10 m≈5.41D處以上即可。

(3)掏挖基礎保留原狀土體的承載力，對周邊環境影響不大；影響其上拔承載力的因素中，內摩擦角、土體模量、樁長都與承載力值成正比關系，圓臺高度會影響到擴展角的改變，同時，立柱與擴底直徑對擴底樁也有較大影響。