斜坡地形輸電線路樁基礎設計研究

陳俊帆，蔣 銳，黃 興，韓大剛，楊 洋

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

山區輸電線路大量塔基位于25°～45°的高陡斜坡上，受地形坡度、地質情況、交通運輸及施工等多方面因素制約，樁基礎成為山區輸電線路中最常采用的基礎型式[1]。但在現行輸電線路基礎設計中，JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[2]和DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程[3]》等規范的計算理論均建立在場平地基的假定上，對于斜坡地基樁基礎設計并無完善的理論。

國內外學者對于斜坡地基承載力已有了一定的研究。加拿大學者邁耶霍夫[4]在平地地基極限承載力理論公式的基礎上，首次推導出斜坡地基承載力理論公式。美國學者鮑爾斯[5]提出用面積比折減法來修正承載力系數。日本學者加井正召[6]建議用極限分析法研究斜坡地基的極限承載力。中國學者顧慰慈[7]推導出傾斜荷載作用下的層狀地基的極限承載力的近似計算公式。徐守國[8]用土體抗剪強度發揮系數m推導了坡頂距為零的臨坡地基和斜坡上地基的極限承載力。王年香[9]根據Mohr-Coulomb屈服準則推導了半無限土坡在坡頂豎向荷載作用下的應力計算公式。

表1 幾種典型巖石物理力學參數及其等效m值

在目前輸電線路樁基礎設計中各設計院廣泛采用摩擦樁計算模型，需通過土的水平反力系數的比例系數m計算水平位移。對于山區輸電線路樁基礎設計，常常具有地形坡度陡、樁頂距地面高度大的特點，水平承載力及位移成為影響樁基礎設計的控制條件。現行各類規范[10-16]中并未明確給出巖石地基的水平反力系數的比例系數m的取值建議，因此設計時對于水平位移驗算時的m取值仍存在較大爭議。以往工程多憑借經驗假定，并采取相對保守的設計值。在業主對設計管理、要求越來越細致，對工程經濟性、安全性要求越來越高的情況下，有必要對斜坡地形樁基礎進行較為系統的研究和分析，提出合理的設計應對策略。

下面通過有限差分軟件FlAC3D進行數值模擬，分析斜坡地基承載力影響要素，并針對某±800 kV特高壓直流工程典型直線塔和耐張塔進行算例分析，提出了典型巖石地基的等效m的取值建議，為山區輸電線路工程樁基礎設計提供參考。

1 巖石地基等效m取值建議

針對山區輸電線路“上土下巖”的地質情況，為便于實際工程應用，提出巖石等效水平反力系數的比例系數m的概念(簡稱等效m)，參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[18]中4.16節，對于無試驗或缺少當地經驗時的經驗公式(式(1))，利用巖石的黏聚力c和內摩擦角φ測算了幾種典型巖石地基的等效m值，詳見表1。

(1)

式中：m為水平反力系數的比例系數，MN/m4；c為黏聚力，kPa；φ內為摩擦角，(°)；vb為樁基礎地面處位移量，按地區經驗取值，mm。

對于山區輸電線路樁基礎設計，由于地形坡度陡、樁頂距地面高度大的特點，設計時應兼顧經濟性，不宜由樁基礎地面處水平位移作為控制條件，建議取值時應結合工程情況測算后確定。通過對某±800 kV特高壓直流工程典型直線塔和耐張塔進行算例分析發現，當按表2中推薦的等效m取值時，能夠滿足絕大部分樁基礎地面位移為10 mm的限值，供工程設計參考。

表2 幾種典型巖石的等效m工程推薦值

2 斜坡地形承載力影響因素

利用有限差分軟件FLAC3D，建模研究了在斜坡地基上樁基礎承載力的影響因素，主要對工程設計最為關心的地形坡度、地質巖性和設計虛坡寬度(基礎外緣至坡頂的水平距離)進行了參數化分析。

2.1 分析模型

從對研究問題的分析及計算收斂性考慮，采用帶坡腳平臺的斜坡模型。模型基本幾何參數如圖1所示。

圖1 帶坡腳平臺的斜坡模型

模擬軟件采用巖土工程通用軟件FLAC3D進行分析，為了節省計算時間，取1/2模型進行計算，整體模型X方向長32 m，Y方向長8 m，Z方向高20 m，模型中樁徑1.6 m，埋深8.0 m。樁、土(巖)之間設置一層接觸面，采用接觸面單元模擬樁基礎與地基土(巖)的界面力學行為。網格劃分及接觸面設置如圖2所示。

圖2 模型網格劃分

2.2 參數選擇

模擬計算中不考慮樁體本身的破壞，選用彈性本構模型，斜坡地基選用摩爾-庫侖本構模型，其中樁和土(巖)之間設置一層接觸面，模型采用的土、巖石、樁力學參數如表3所示。

表3 材料力學參數

根據表3中地基土(巖)和樁的材料力學參數，估算得到其體積模量K和剪切模量G，如表4所示。接觸單元材料參數如表5所示。

表4 地基土(巖)體和樁基礎的體積模量K和剪切模量G

表5 接觸單元材料力學參數

2.3 荷載及邊界條件

計算中采用邊坡強度折減法[17]研究斜坡地基承載力，選取實際工程鐵塔基礎作用力加載于樁頂處，取最大豎向荷載為2600 kN、最大水平向荷載370 kN進行計算。

邊界條件為橫向左右邊界X方向約束，縱向前后邊界Y方向約束，底邊界全約束，重力加速度取10 m/s2。

2.4 模擬工況

考慮在實際輸電線路工程中，通常斜坡塔位選擇在山脊或山頂等處，地質情況較為單一，為簡化數值模擬工況，假定各模擬工況中斜坡地基地質從上至下均為同一土體或巖體。對地形坡度、地質巖性、虛坡寬度等工程設計最為關心的因素進行參數化分析，如表6所示。

表6 模擬工況

2.5 模擬結果

通過計算各自工況下斜坡地基承載力安全系數，研究地形坡度、地質巖性、虛坡寬度等因素對斜坡承載力的影響。為便于后續分析，引入m值折減系數μ，定義為

(2)

式中：mi為考慮地形坡度、長期水平荷載等不利影響后的水平抗力系數的比例系數；m0為未考慮任何不利影響的水平抗力系數的比例系數。

1)地形坡度的影響

為研究地形坡度對斜坡承載力的影響，按實際工程設計經驗取虛坡寬度為2d時進行數值分析。從圖3可以看出，當虛坡寬度一定時，硬質巖地質的承載力明顯高于軟質巖和黏性土地質，但三者的地基承載力安全系數均隨地形坡度的增大而減小，地形坡度每增大5°，黏性土地基承載力安全系數降低約1%～3%，軟質巖地基承載力安全系數降低約3%～6%，硬質巖地基承載力安全系數降低約4%～9%。

圖3 地形坡度與斜坡安全系數的關系

因此，樁側土水平反力系數的比例系數m的取值應考慮地形坡度對水平承載力和位移的不利影響，其m值折減系數μ1與地形坡度的關系，可按表7取值。

表7 地形坡度與m值折減系數μ1的關系

2)虛坡寬度的影響

為研究虛坡寬度對斜坡承載力的影響，整理了不同虛坡寬度下的斜坡承載力安全系數，如圖4所示。從圖4中可以看出，在不同巖性下，安全系數隨虛坡寬度的變化規律較為一致，隨著虛坡寬度的增大，承載力安全系數不斷增大；隨著地形坡度的增加，曲線的斜率略有增大。

圖4 虛坡寬度與斜坡安全系數的關系

3 長期水平荷載作用對水平承載力的影響

在DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》第9.6.3注釋中說明，當水平荷載為長期或經常出現的荷載時，應將規范推薦的m值取值乘以0.4降低采用。同時，在JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》5.7.5條文說明中明確指出：m值對于同一根樁并非定值，與水平荷載呈非線性關系，低荷載水平下，m值較高；隨荷載增加，樁側土的塑性區逐漸擴展而降低。因此，m取值應與實際荷載、允許位移相適應，可按式(3)進行計算：

(3)

式中：Hcr為臨界水平荷載；xcr為臨界水平荷載下對應的地面處水平位移；vx為樁頂水平位移系數；b0為樁身計算寬度；EI為樁身抗彎剛度。

在輸電線路桿塔設計中，耐張塔的水平荷載顯著大于直線塔，主要包含了線條張力荷載及橫向風荷載。其中線條張力荷載應視作長期或經常出現的荷載，在同樣的水平位移限值情況下，建議需對耐張塔的m值進行折減。隨著耐張塔轉角度數增大，水平荷載中線條張力荷載占比也逐漸增大。通過對某±800 kV特高壓直流工程1～4型耐張塔進行測算，整理了耐張塔轉角度數和線條張力占比的關系及其m值折減系數與耐張塔轉角度數的關系，詳見表8。

表8 耐張塔轉角度數與m值折減系數μ2的關系

4 結 語

針對山區輸電線路樁基礎設計特點，提出了巖石地基等效m的工程取值建議，通過數值模擬參數化分析及工程算例研究了樁基礎斜坡地基承載力與地形坡度、地質巖性、設計虛坡寬度等因素的關系，主要結論有：

1)當設計虛坡寬度一定時，斜坡地基承載力安全系數隨地形坡度的增大而減小，地形坡度每增大5°，黏性土地基承載力安全系數降低約1%～3%，軟質巖地基承載力安全系數降低約3%～7%，硬質巖地基承載力安全系數降低約4%～10%。

2)當虛坡寬度一定時，斜坡地基承載力安全系數與地質巖性相關敏感性較大，其值會隨著地基黏聚力c和內摩擦角φ的增加有明顯的提高。對于山區輸電線路中的陡坡塔位，宜對地質條件提出更高的要求。

3)在不同巖性下，安全系數隨虛坡寬度的變化規律較為一致，隨著設計虛坡寬度的增大，承載力安全系數不斷增大。其中隨著地形坡度的增加，曲線的斜率略有增大。在工程設計時，對于超過35°的陡坡地形，建議適當增加設計虛坡寬度。

4)在實際工程應用中，由于塔位所在地形坡度和耐張塔長期水平荷載客觀存在，建議樁基礎設計時m值折減系數宜將兩者的不利影響疊加考慮，取μ=μ1×μ2，計算值見表9所示。

表9 考慮耐張塔轉角度數和地形坡度的m值折減系數