某高壓鐵塔塔基邊坡支擋設計研究

江 磊, 李業(yè)根

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著我國城市的不斷發(fā)展與擴張,市政道路沿線的建設環(huán)境越發(fā)復雜,道路設計不可避免地會臨近既有建(構)筑物,并在施工過程中可能對其產(chǎn)生不利影響。輸電鐵塔是高壓輸電線路中最重要的受力構件,我國常見的鐵塔形式有自立式、拉線式、鋼筋混凝土塔以及鋼管桿塔等,其中干字自立式桿塔因結構形式較為簡單,在220～500 kV輸電線路中最為常用[1]。

高壓輸電鐵塔屬高聳結構物,各塔基相互獨立且對不均勻沉降較為敏感[2]。臨近高壓鐵塔進行路基邊坡支擋施工時引起的地層位移可能導致塔基出現(xiàn)差異沉降,進而危及輸電線路的正常運營和人民生命財產(chǎn)安全,因此存在一定的施工風險[3]。

計算機技術的不斷發(fā)展,使得數(shù)值模擬分析越來越多地應用于巖土工程中[4]。MIDAS/GTS巖土有限元分析軟件具有界面簡潔、材料模型豐富、前后處理功能強大等特點,可運用于多種巖土工程分析場景[5]。本文將結合工程實例,采用MIDAS/GTS軟件對臨近排樁施工所引起的高壓鐵塔樁基礎水平位移及不均勻沉降進行分析,繼而評價排樁施工對鐵塔的影響程度。

1 工程實例

1.1 工程概況

合肥市清溪路作為新高鐵西站市政配套道路之一,擬進行高架化改造,在樁號K0+900位置高架橋下穿220kV高壓輸電線路。該處現(xiàn)狀塔基邊坡采用漿砌塊石防護,長25 m、寬3.5 m、高4.0 m,由于其體積較大,侵占了本次設計非機動車道及人行道空間,致使樁號K0+890～K0+920段慢行系統(tǒng)缺失。擬在此處設置排樁支擋,以替代現(xiàn)狀漿砌塊石砌體,為本次道路改造慢行系統(tǒng)的實施創(chuàng)造空間。

現(xiàn)狀高壓鐵塔基礎為4根等長鋼筋混凝土樁,樁長10 m,樁徑1.4 m,沿道路方向樁間距為8.35 m,垂直道路方向樁間距為9.10 m。

圖1 高壓鐵塔現(xiàn)狀斷面示意圖

1.2 工程地質條件

高壓鐵塔位置勘探揭露的地層自上而下分別為①層雜填土、②層黏土、⑤1強風化泥質砂巖、⑤2中風化泥質砂巖。各巖(土)層物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖(土)層物理力學參數(shù)

2 塔基邊坡支擋設計及分析

2.1 支擋設計方案

為確保原漿砌塊石砌體路段慢行系統(tǒng)得以實施,本次設計應采用直立式支擋結構,避免侵占道路紅線。塔基邊坡高度約4.0 m,擬采用排樁支護,樁長10.0 m、樁徑1.0 m、樁間距1.8 m,樁身采用C35強度混凝土。樁頂部設置冠梁,冠梁尺寸為1.2 m×1.0 m,采用C35強度混凝土,樁身鋼筋預埋至冠梁內部。樁間擋板采用樁前掛板,掛板采用后植筋與樁體相連。同時為限制樁頂位移,減小高壓輸電鐵塔的影響,冠梁處設置一排預應力錨索(3束Φ15.2鋼絞線,fpy為1220 MPa),錨索長18 m(自由段長9 m,錨固段長9 m),下傾角度為30°,錨固體直徑150 mm,錨索水平間距3.6 m(避讓現(xiàn)狀高壓鐵塔樁基礎),錨索施加預應力100 kN。

2.2 支擋結構驗算

(1)錨索鋼筋截面積驗算

根據(jù)《建筑邊坡技術規(guī)范》(GB 50330-2013)(下同)8.2.2條,錨索鋼筋截面積應滿足下式(1)要求:

(1)

式中:As為預應力錨索截面面積(m2);fpy為預應力鋼絞線抗拉強度設計值(kPa);Kb為抗拉安全系數(shù),取2.2。經(jīng)計算,As=5.44×1-4m2>1.80×1-4m2,滿足要求。

(2)錨固段長度驗算

根據(jù)規(guī)范8.2.3條,錨桿(索)錨固體與巖土層間的長度應滿足下式(2)要求:

(2)

式中:K為錨固體抗拔安全系數(shù),取2.6;la為錨固段長度(m);D為錨固段鉆孔直徑(mm);frbk為巖土層與錨固體極限粘結強度標準值(kPa)。經(jīng)計算,la≥8.5 m,滿足要求。

(3)錨筋與砂漿間錨固長度驗算

根據(jù)規(guī)范8.2.4條,錨索與錨固砂漿間的錨固長度應滿足下式(3)的要求:

(3)

式中:la為錨筋與砂漿間的錨固長度(m);d為錨筋直徑(m);n為錨筋根數(shù)(根);fb為錨筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值(kPa)。經(jīng)計算,la≥0.90 m,滿足要求。

(4)整體滑動穩(wěn)定性驗算

采用畢肖普條分法計算得邊坡安全系數(shù)為6.14,滿足一級邊坡安全系數(shù)要求。

2.3 位移影響分析

2.3.1 模型建立

由于高壓輸電鐵塔對基礎不均勻沉降影響敏感,因此需建立三維數(shù)值模型，如圖2所示，以分析拆除現(xiàn)狀漿砌塊石砌體以及排樁施工對鐵塔樁基礎的影響。

圖2 三維數(shù)值分析模型

考慮施工影響范圍,水平及豎向計算范圍按塔基樁基礎2倍樁長選取,模型尺寸為50 m×50 m×20 m。巖土體及漿砌塊石砌體采用3D實體單元,樁采用1D梁單元,錨索采用1D植入式桁架單元,漿砌塊石兩側現(xiàn)狀擋墻采用2D板單元。模型共計20325個節(jié)點,26934個單元。土層采用摩爾-庫侖(M-C)本構模型,混凝土、錨索、巖層采用各向同性彈性模型。

2.3.2 分析工況

模擬分為三個施工階段,分別為初始地應力平衡階段;排樁施工階段以及漿砌塊石砌體拆除階段。電力設計單位提供的高壓鐵塔樁基礎樁頂最不利工況受力情況如圖3所示。

圖3 高壓鐵塔樁基礎受力圖

2.3.3 計算結果分析

(1)高壓鐵塔樁基礎水平位移分析。排樁施工完畢工況下的高壓鐵塔樁基礎樁頂水平位移如圖4所示,樁頂水平位移最大值為-0.215 2 mm,方向向內(即背離清溪路一側,下同),最大水平位移差值為0.212 6 mm。拆除漿砌塊石砌體工況下的高壓鐵塔樁基礎樁頂豎向位移如圖5所示,樁頂水平位移最大值為0.710 3 mm,方向向外(即朝向清溪路一側,下同),最大豎向位移差值為0.566 3 mm。

圖4 排樁施工后鐵塔樁基礎水平位移

圖5 拆除漿砌塊石砌體后鐵塔樁基礎水平位移

(2) 高壓鐵塔樁基礎豎向位移分析。排樁施工完畢工況下的高壓鐵塔樁基礎樁頂豎向位移如圖6所示,樁頂豎向位移最大值為-0.010 2 mm,方向向下,最大豎向位移差值為0.009 9 mm。拆除漿砌塊石砌體工況下的高壓鐵塔樁基礎樁頂豎向位移如圖7所示,樁頂豎向位移最大值為0.004 8 mm,方向向上,最大豎向位移差值為0.003 3 mm。

圖6 排樁施工后鐵塔樁基礎豎向位移

圖7 拆除漿砌塊石砌體后鐵塔樁基礎豎向位移

(3)排樁位移分析。拆除漿砌塊石砌體工況下的排樁水平位移如圖8所示,水平位移最大值為0.886 3 mm,方向向外;豎向位移如圖9所示，豎向位移最大值為-0.189 1 mm,方向向下。

圖8 拆除漿砌塊石砌體后排樁水平位移

圖9 拆除漿砌塊石砌體后排樁豎向位移

3 結 論

本文利用MIDAS/GTS軟件建立了拆除漿砌塊石砌體對高壓鐵塔樁基礎影響的三維數(shù)值分析模型,通過對水平位移、豎向位移的分析可知,拆除漿砌塊石砌體對高壓鐵塔樁基礎的影響較小,滿足電力部門提出的高壓鐵塔樁基礎及排樁支擋結構最大豎向及水平位移不大于2 mm的要求。計算結果表明,設計所采用的排樁+預應力錨索支擋結構方案可確保高壓鐵塔的運營安全。