透水性樁處治輸電塔不均勻沉降的適用性研究

陳曉光

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?山東 濟(jì)南 250199)

自立式輸電鐵塔是一種超靜定空間桁架結(jié)構(gòu),承受來(lái)自水平方向的風(fēng)荷載、縱向的導(dǎo)、地線張力荷載及垂直方向的鐵塔與附件自重,下部基礎(chǔ)為4分裂式[1-2]。由于上部傳遞的荷載、自重及土體固結(jié)等不同,相鄰基礎(chǔ)間會(huì)發(fā)生不均勻沉降,造成輸電鐵塔發(fā)生變形失穩(wěn),嚴(yán)重時(shí)發(fā)生倒塌破壞,給社會(huì)造成不良影響[3-6]。田家棟[7]通過(guò)有限元計(jì)算模型得出當(dāng)基礎(chǔ)不均勻沉降值超過(guò)0.14 m時(shí),鐵塔上部結(jié)構(gòu)桿件發(fā)生變形。因此,如何減少不均勻沉降發(fā)生一直是電力工作者關(guān)注的問題。工程中常用的一些地基處置方法,諸如強(qiáng)夯、堆載預(yù)壓、井點(diǎn)降水以及灌注樁、碎石樁等[8-14]均有一定成效,但上述各方法適用條件、施工工期及成本均有所不同,工程設(shè)計(jì)時(shí)仍期待有新方法解決不均勻沉降。本文結(jié)合正在建設(shè)施工的濟(jì)寧西500 kV線路工程,對(duì)透水性混凝土樁復(fù)合地基進(jìn)行數(shù)值模擬研究,用以探求對(duì)處治輸電鐵塔不均勻沉降的適用性。

1 透水性混凝土樁用于地基處理時(shí)的作用機(jī)理

透水性混凝土樁主要原料與一般樁相同,但內(nèi)部添加有特殊集料,經(jīng)過(guò)特定工藝制備而成,樁身抗壓強(qiáng)度一般為10 MPa～20 MPa,滲透系數(shù)為0.05 cm/s～2.0 cm/s之間,既擁有剛性樁的高強(qiáng)度特性,又具有一般排水樁的強(qiáng)透水性[15]。在處理地基時(shí),透水性混凝土樁既可以利用自身的高強(qiáng)度承受上部荷載,又可在地基中形成多重排水通道,加速土體固結(jié),使大部分地基土沉降在基礎(chǔ)施工期完成。透水性混凝土樁作用機(jī)理主要有以下幾種[16-17]。

1.1 置換作用

透水性混凝土樁為半剛性樁,強(qiáng)度遠(yuǎn)大于地基土,通過(guò)將一部分土體置換為樁體,使得上部鐵塔傳遞的荷載大部分由樁體承擔(dān),地基承載力得到大幅度提高,豎向位移減少。

1.2 排水作用

透水性混凝土樁孔隙率在20%～25%之間,且多為直徑大于1 mm的大孔,相較于地基土,滲透系數(shù)大[18]。因此,透水性混凝土樁在地基中能夠加速孔隙水的排出,使土體固結(jié)在短時(shí)間內(nèi)完成。

1.3 振動(dòng)擠密作用

透水性混凝土樁施工與一般樁施工不同,采用振動(dòng)沉管法。施工時(shí),樁體對(duì)周圍土體產(chǎn)生擠壓,空隙減少,密度增大,各項(xiàng)力學(xué)特性得到顯著提高[19]。

1.4 褥墊層作用

復(fù)合地基通常在基礎(chǔ)與地基之間鋪筑一層碎石,起到褥墊層作用。一方面可以緩沖樁頂對(duì)基礎(chǔ)的沖切,另一方面通過(guò)擠壓樁間土,提高地基承載力。

2 工程概況

濟(jì)寧西500 kV線路工程主要位于黃河沖擊平原區(qū),該區(qū)域土以粉土、粉質(zhì)黏土為主,且地下水位高,地表排水不暢。大量室內(nèi)外試驗(yàn)表明:該區(qū)域土含水量高、孔隙比大、固結(jié)速率慢,承載力低,屬于典型的高壓縮性土。修筑于該地區(qū)的輸電鐵塔基礎(chǔ),在上部荷載的作用下,基礎(chǔ)易發(fā)生不均勻沉降,威脅鐵塔結(jié)構(gòu)安全。基于此,本文以本工程A2號(hào)塔為例,進(jìn)行透水性混凝土樁加固地基的數(shù)值模擬研究。

3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬軟件根據(jù)計(jì)算方法通常分為有限元、有限差分和離散元軟件等,它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。不同模擬計(jì)算時(shí),選擇合理的計(jì)算方法不僅能使模型簡(jiǎn)單,還能提高計(jì)算準(zhǔn)確度[20]。因此為了更好的模擬地基土非線性、大變形等特點(diǎn),本文選用有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[21]。當(dāng)計(jì)算模型較大時(shí),網(wǎng)格單元?jiǎng)澐侄?計(jì)算時(shí)間較慢,因此,本文采用縮尺模擬,縮尺比例為10∶1。首先,建立計(jì)算模型,模型以鐵塔中心線為對(duì)稱軸,建模時(shí)取鐵塔基礎(chǔ)影響范圍一半進(jìn)行分析,地基模型大小為8 m×6 m×20 m,樁徑為0.12 m,樁長(zhǎng)及樁間距不固定。根據(jù)A2號(hào)塔地質(zhì)資料可知,地基土從上到下依次為粉土、粉質(zhì)黏土和砂土,故將地基土模型分為3組。為減少運(yùn)算時(shí)間,提高計(jì)算精度,模型網(wǎng)格采用放射狀,并在樁周進(jìn)行加密,網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)取0.1 m～0.2 m,整個(gè)計(jì)算模型如圖1所示。將模型上平面設(shè)為自由面,下平面添加豎向約束(鏈桿約束),側(cè)面設(shè)置水平向固定約束。由于地基土與樁體剛度差異大,在豎向力作用下,二者會(huì)產(chǎn)生位移差。因此為了模型更加準(zhǔn)確,我們?cè)跇杜c土體之間設(shè)置了接觸面,允許滑動(dòng)和分離,接觸面如圖2所示。Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型通過(guò)采用拉伸破壞作為判斷巖土體強(qiáng)度破壞的準(zhǔn)則,可以簡(jiǎn)單清晰反映出土體的塑性變形特性,同時(shí)該模型所需參數(shù)能夠較容易從實(shí)驗(yàn)室獲得,因此本次模擬地基土選用摩爾-庫(kù)侖彈塑性本構(gòu)模型,透水性混凝土樁選用彈性本構(gòu)模型。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告可知,A2號(hào)塔施工期間地下水位可至地表以下0.5 m,因此本次數(shù)值模擬需要考慮地下水對(duì)地基土的影響。地基在上覆鐵塔荷載作用下發(fā)生固結(jié)沉降,開啟滲流模式,進(jìn)行流固耦合分析。根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行賦值,如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

開啟滲流模式,對(duì)建立好的地基模型施加豎向力,用來(lái)模擬鐵塔上部傳來(lái)的豎向荷載。在保持樁徑不變的情況下,分析不同樁長(zhǎng)、樁間距對(duì)地基固結(jié)沉降的影響。本次數(shù)值模擬共設(shè)置8種工況,其中第8種工況作為對(duì)比,地基中不布置樁,工況設(shè)置情況如表2所示。

表2 數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)方案 m

4.1 不同樁長(zhǎng)對(duì)地基固結(jié)沉降的影響

保持樁徑0.12 m、樁間距1.4 m不變,樁長(zhǎng)分別為1.4 m,1.6 m,1.8 m,2 m。在模型上表面部分節(jié)點(diǎn)施加豎向荷載,以模擬上部鐵塔傳遞的荷載。圖3,圖4分別為不同樁長(zhǎng)下模型孔隙水壓力云圖和豎向位移云圖。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),相鄰樁體之間,云圖中均出現(xiàn)明顯的凹凸?fàn)?表明此時(shí)各工況樁體間距離均大于透水性混凝土樁的橫向影響半徑。從圖3孔隙水壓力云圖中可以看出,隨著樁長(zhǎng)增大,透水性混凝土樁的豎向影響面積不斷變大,復(fù)合地基孔隙水得以排出,地基固結(jié)沉降時(shí)間加快。同時(shí),本文利用軟件自帶的記錄命令,記錄樁周及樁底部分主要節(jié)點(diǎn)位移的變化,結(jié)合圖4的豎向位移云圖,可以發(fā)現(xiàn),增大透水性混凝土樁長(zhǎng),地基承載力變大,固結(jié)沉降速率加快,豎向位移減小。復(fù)合地基豎向位移隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。從圖5中可以看出,施加豎向荷載后前20 d,復(fù)合地基沉降量較大,18 d以后,速度放緩,后趨于穩(wěn)定。相較于傳統(tǒng)地基處治方式,透水性混凝土樁能夠加速地基固結(jié)沉降,預(yù)防不均勻沉降的發(fā)生。

4.2 不同樁間距對(duì)地基固結(jié)沉降的影響

保持樁徑0.12 m、樁長(zhǎng)1.8 m不變,樁間距分別為1.0 m,1.2 m,1.4 m,1.6 m。圖6,圖7分別為不同樁間距下模型孔隙水壓力云圖和豎向位移云圖。從圖中可以看出,樁間距為1.4 m和1.6 m時(shí),兩根樁之間云圖均有明顯的凸?fàn)?這表明此時(shí)兩根樁中心土體不受透水性混凝土樁的影響。利用記錄命令統(tǒng)計(jì)出不同節(jié)點(diǎn)處孔隙水壓力及豎向位移,可以發(fā)現(xiàn)透水性混凝土樁的影響范圍為0.15 m～0.25 m,即樁徑的1.5倍～2倍,略小于部分國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的透水性混凝土樁的影響半徑。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),隨著樁間距的增大,樁豎向位移逐漸減小,同時(shí)樁周土體位移逐漸變大。

4.3 不同樁長(zhǎng)和樁間距下透水性混凝土樁的應(yīng)力分布規(guī)律

對(duì)比不同工況下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖,可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)透水性混凝土樁處治后的地基,樁周土體均有應(yīng)力集中現(xiàn)象。相較于樁周土體,樁體承擔(dān)了來(lái)自上部傳遞的絕大部分荷載,這也與以往研究的規(guī)律相同。保持樁徑0.12 m、樁間距1.4 m不變,樁長(zhǎng)增加,透水性混凝土樁應(yīng)力值也不斷增大。當(dāng)樁長(zhǎng)分別為1.4 m,1.6 m,1.8 m,2 m時(shí),透水性混凝土樁樁體應(yīng)力值分別為17.5 kPa,18.2 kPa,18.5 kPa,19.2 kPa。樁土應(yīng)力比與樁長(zhǎng)的關(guān)系如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn),樁土應(yīng)力比隨著樁長(zhǎng)增加而變大。保持樁徑0.12 m、樁長(zhǎng)1.8 m不變,隨著樁間距的變大,樁體應(yīng)力值隨之減小。對(duì)應(yīng)于樁間距1.0 m,1.2 m,1.4 m,1.6 m,透水性混凝土樁樁體應(yīng)力值分別為19.6 kPa,19.1 kPa,18.5 kPa,18.2 kPa。樁土應(yīng)力比與樁間距的關(guān)系如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn),隨著樁間距增加,樁土應(yīng)力比也越大,后趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后最大樁土應(yīng)力比為6.5。

5 結(jié)論

1)透水性混凝土樁既具有高抗壓特性,又具有強(qiáng)透水性能。應(yīng)用于地基處治中,可以依靠自身強(qiáng)度顯著提高地基承載力,同時(shí)又可在地基中形成豎向排水通道,加快地基土固結(jié)。2)地基土在飽和狀態(tài)下,相較于不設(shè)樁地基,透水性混凝土樁復(fù)合地基承載力2倍于普通地基土。3)在透水性混凝土樁復(fù)合地基中,樁體承擔(dān)了大部分豎向荷載,并且能夠調(diào)節(jié)周圍土體應(yīng)力,越遠(yuǎn)離樁體,土體應(yīng)力值越小。4)在豎向荷載作用下,透水性混凝土樁復(fù)合地基超孔隙水壓力消散速率先快后慢。樁長(zhǎng)不變,隨著樁間距增大,超孔隙水壓力消散速率變慢,復(fù)合地基最大沉降量變大;保持樁間距不變,超孔隙水壓力消散速率隨著樁長(zhǎng)增加而變快,復(fù)合地基最大沉降量變小。5)透水性混凝土樁聯(lián)合堆載預(yù)壓或其他預(yù)壓方式,能夠顯著加快地基固結(jié)沉降速率,使得地基土大部分沉降在上部組塔前完成,可以有效減少鐵塔桿件變形。