輸電桿塔斜插基礎(chǔ)地基變形模擬研究

王英浩，何亞雄

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014000）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，架空輸電線路的年投資正逐步增加。桿塔基礎(chǔ)是輸電線路結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，它的造價(jià)、勞動(dòng)消耗等在整個(gè)工程投資中占很大比重[1-3]。桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、荷載、地形和地質(zhì)的情況直接影響地基變形及其穩(wěn)定性[4]。地基變形分析往往是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。如果對地基變形的估算不足，則會造成工程結(jié)構(gòu)裂縫和傾倒等重大工程事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5，7]。桿塔基礎(chǔ)除承受壓外，還承受著較大的水平荷載。斜插式電力桿塔基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)，通過調(diào)節(jié)立柱的傾斜角度，使其受力合理，在輸電線路設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，這種基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論不夠完善，經(jīng)驗(yàn)還不成熟，可以借鑒的資料很少，本文通過對直柱板式基礎(chǔ)和斜插基礎(chǔ)進(jìn)行地基變形模擬分析及對比，希望能夠?yàn)樾辈寤A(chǔ)的設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 輸電桿塔基礎(chǔ)受力分析

桿塔基礎(chǔ)相對于傳統(tǒng)基礎(chǔ)，受力有很明顯不同。輸電桿塔的基礎(chǔ)在受到豎向荷載的同時(shí)，也承受導(dǎo)線、地線等產(chǎn)生的水平荷載。因此對豎向荷載與水平荷載共同作用下的地基變形計(jì)算具有現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)我國現(xiàn)有的《DL/T 5219-2014架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[8]，上部桿塔的設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟合理，但是基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尺寸較大，相比國外較為保守，所以基礎(chǔ)工程的費(fèi)用比國外要高出很多。傳統(tǒng)建筑地基變形的計(jì)算分析，沒有將地基水平荷載作為主要的影響因素，輸電線路的桿塔作為一種特殊的建筑物，在設(shè)計(jì)、建造及施工中，應(yīng)該充分地考慮這些因素的影響[9]。桿塔每個(gè)塔腳的基礎(chǔ)承受上部桿塔傳下來的壓力、拔力、水平力[10]，見圖1。圖中A腿、B腿、C腿、D腿分別為桿塔四個(gè)塔腿所對應(yīng)的四個(gè)基礎(chǔ)；N為鐵塔對基礎(chǔ)產(chǎn)生的下壓力；T為鐵塔對基礎(chǔ)產(chǎn)生的上拔力；Nx、Ny為x方向、y方向的水平力。

圖1 桿塔基礎(chǔ)受力示意圖

2 斜插基礎(chǔ)理論分析

在鐵塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，斜插基礎(chǔ)的立柱傾斜率是設(shè)計(jì)此類地基的主要技術(shù)指標(biāo)之一，這與基礎(chǔ)受力是否合理有關(guān)[11-12]。如圖2，N為鐵塔對基礎(chǔ)產(chǎn)生的下壓力；Nx、Ny為x方向、y方向的水平力；ex、ey為x方向、y方向的偏心距。確定立柱的傾角，使其傾角與外力方向一致，基礎(chǔ)底部僅承受軸向荷載。

圖2 斜插基礎(chǔ)受力示意圖

圖3 直柱板式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

圖4 斜插基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

圖5 地應(yīng)力平衡應(yīng)力及位移云圖

3 工程實(shí)例模擬

該工程為500kV線路工程，全部位于內(nèi)蒙古牙克石市，線路全長57km，桿塔125基，其中掏挖基礎(chǔ)77基，開挖基礎(chǔ)41基，灌注樁基礎(chǔ)7基。同塔雙回路架設(shè)，導(dǎo)線采用4×JL/G1A-400/35鋼芯鋁絞線，線路總體呈西北-東南走向。沿線地形以丘陵和山地為主，部分基礎(chǔ)位于山間河谷。該工程在線路的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中部分采用直柱板式基礎(chǔ)，現(xiàn)在通過一個(gè)模型模擬來比較斜插式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求。由于設(shè)計(jì)理論的不完善，該新型基礎(chǔ)的穩(wěn)定性是否滿足實(shí)際需要還存在一定的疑問。因此，根據(jù)工程資料，選取其中1基轉(zhuǎn)角桿塔的基礎(chǔ)建模進(jìn)行分析，對模擬的結(jié)果進(jìn)行對比。兩種基礎(chǔ)的具體結(jié)構(gòu)形式見圖3、圖4。地基土力學(xué)參數(shù)見表1，并應(yīng)用ABAQUS建立三維數(shù)值模型。

基礎(chǔ)所受荷載（轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)）：基礎(chǔ)所受下壓力為1134kN；水平力為155kN。假設(shè)基礎(chǔ)自身強(qiáng)度滿足要求，基礎(chǔ)不會被損壞。

表1 地基土巖土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)所給參數(shù)，建立有限元模型，并且達(dá)到地應(yīng)力平衡，地應(yīng)力平衡的應(yīng)力和位移云見圖5。從圖5中可以看到地應(yīng)力平衡后，產(chǎn)生了初始應(yīng)力，總體來說，它符合模擬研究的前提，也就是說，它能反映地基在擾動(dòng)前的實(shí)際情況。

圖6是直立板式基礎(chǔ)受到荷載之后的位移云圖及位移表，可以看出，基礎(chǔ)底面產(chǎn)生了一定不均勻沉降，最大沉降值達(dá)到13mm，基礎(chǔ)底面中心沉降值為12mm，距離基礎(chǔ)底面越遠(yuǎn)的地方，地基變形越小，符合地基變形的特征。

3.2 斜插基礎(chǔ)模擬

圖7是斜插基礎(chǔ)受到荷載之后的位移云圖及位移表，可以看出，基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的沉降比較均勻，最大沉降值為11mm，距離基礎(chǔ)底面越遠(yuǎn)的地方，地基變形越小，符合地基變形的特征。

圖6 直立板式基礎(chǔ)最終位移云圖及位移表

圖7 斜插基礎(chǔ)最終位移云圖及位移表

4 結(jié)語

通過對兩種基礎(chǔ)的模擬研究，得出以下結(jié)論：

1）斜插基礎(chǔ)的地基變形比直柱板式基礎(chǔ)地基均勻，因?yàn)樾辈寤A(chǔ)豎向荷載偏離基礎(chǔ)中心，能夠與水平荷載產(chǎn)生的彎矩抵消。如果角度根據(jù)合力的方向設(shè)計(jì)，可以使基礎(chǔ)立柱只受軸向力，有效地減少彎矩對基礎(chǔ)底部的影響。這是在一般工況下，如果基礎(chǔ)所受為極限工況，斜插式基礎(chǔ)更能體現(xiàn)出地基變形的平衡性；

2）斜插基礎(chǔ)的最大沉降量都為11mm，直柱板式基礎(chǔ)底板中心的沉降量為12mm，斜插基礎(chǔ)能夠一定程度降低基礎(chǔ)中心最終沉降量。相對于直柱板式基礎(chǔ)，斜插基礎(chǔ)受力更加合理，基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，斜插基礎(chǔ)在今后的運(yùn)用中會更加成熟，逐漸得到廣泛應(yīng)用。

通過本文的對比分析，希望能為廣大輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)人員在計(jì)算基礎(chǔ)受力及地基變形方面提供有益的幫助。