輸電線路擴(kuò)底樁錨桿復(fù)合基礎(chǔ)數(shù)值模擬研究

邱昊茨 武奮前 李揚(yáng)森 林少遠(yuǎn) 陳瑋雨 林凱

（1 國網(wǎng)泉州供電公司 福建泉州 362000 2 國網(wǎng)福建省電力有限公司 福建福州 350001）

0 引言

巖石錨桿基礎(chǔ)是以地腳螺栓或鋼筋作為錨筋直接錨入機(jī)械鉆鑿成的巖孔內(nèi)并采用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿或細(xì)石混凝土等膠結(jié)材料進(jìn)行灌注，通過水泥砂漿或細(xì)石混凝土等膠結(jié)材料在巖孔內(nèi)的膠結(jié)，使錨筋與巖體結(jié)成整體來抵抗上部桿塔結(jié)構(gòu)傳來的荷載的基礎(chǔ)型式。常規(guī)巖石錨桿可以節(jié)約工程投資，受限于相應(yīng)的地形地質(zhì)條件的影響，其應(yīng)用范圍有一定的局限性［1-5］。本文提出1 種新型的錨桿復(fù)合基礎(chǔ)型式，上部為擴(kuò)底樁基礎(chǔ)，下部為錨桿基礎(chǔ)，能適應(yīng)不同的地形以及地質(zhì)條件，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)錨桿基礎(chǔ)，國內(nèi)同行已經(jīng)開展相關(guān)的研究。王剛耀［6］通過和重力式塔基礎(chǔ)的對(duì)比，結(jié)果表明錨桿-承臺(tái)電塔基礎(chǔ)較重力式塔基礎(chǔ)明顯降低了材料用量，且能抵御臺(tái)風(fēng)；程永鋒等［7］在現(xiàn)場(chǎng)完成了不同錨桿埋深和承臺(tái)嵌巖深度的3 個(gè)2 m×2 m 承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)的抗拔試驗(yàn)、3 個(gè)3 m×3 m 承臺(tái)式（8 根錨桿布置）群錨基礎(chǔ)的上拔與水平力組合荷載工況試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水平力明顯降低了承臺(tái)嵌巖式巖石錨桿群錨基礎(chǔ)的抗拔承載性能，適當(dāng)增加承臺(tái)嵌巖深度可有效提高承臺(tái)嵌巖式巖石錨桿群錨基礎(chǔ)的抗拔承載性能，并提出承臺(tái)嵌巖式巖石錨桿群錨基礎(chǔ)具有較好的抗拔與水平承載性能；魯先龍等［8］在4 種典型巖石地基中對(duì)4 種不同材質(zhì)錨桿群錨和單錨基礎(chǔ)抗拔開展了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：巖石群錨基礎(chǔ)抗拔承載性能既取決于單錨承載性能，也受巖石地基性質(zhì)影響。宋永發(fā)［9］根據(jù)原型試驗(yàn)結(jié)果，分析了強(qiáng)分化地區(qū)巖石錨桿基礎(chǔ)中錨筋滑移與屈服、砂漿柱體抗拔、巖體剪切破壞機(jī)理及破壞形式、錨筋內(nèi)力分布、水平力對(duì)直錨式群錨和承臺(tái)式群錨的影響以及影響承載力的因素，計(jì)算了相應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力。

雖然國內(nèi)同行針對(duì)錨桿基礎(chǔ)已經(jīng)開展系列的研究，但是針對(duì)擴(kuò)底樁錨桿復(fù)合基礎(chǔ)的研究較少，因此開展擴(kuò)底樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工研究具有重要的意義。

1 基礎(chǔ)幾何特性

數(shù)值模擬幾何形狀如圖1 所示，各試驗(yàn)基礎(chǔ)的尺寸參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)基礎(chǔ)尺寸參數(shù)表

圖1 試驗(yàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

新型復(fù)合型基礎(chǔ)的計(jì)算模型寬度為10 m、模擬深度為20 m。網(wǎng)格單元共劃分為30 000 個(gè)立體單元。模型采用全模結(jié)構(gòu)，模型左右兩側(cè)限制X 向水平約束，模型前后兩側(cè)限制Y 向水平約束，模型底部限制X、Y、Z 等3 個(gè)方向的約束（相當(dāng)于固定支座），整個(gè)計(jì)算模型尺寸如圖2 所示。

圖2 地基計(jì)算模型

2 物理力學(xué)參數(shù)選取

數(shù)值計(jì)算中巖土體采用理想彈塑性本構(gòu)模型-摩爾庫侖（Mohr-Coulomb）模型，擴(kuò)底樁＋巖石錨桿新型復(fù)合型基礎(chǔ)的周圍巖土體分為上部黏性土與下部中風(fēng)化巖體，摩爾庫侖模型中的相關(guān)特性參數(shù)取值如表2 所示。

表2 巖土體Mohr－Coulomb 模型特性參數(shù)

擴(kuò)底樁基礎(chǔ)為C30 混凝土，彈性模型的相關(guān)特性參數(shù)主要包括彈性模量、泊松比及重度，詳見表3。數(shù)值計(jì)算中錨桿基礎(chǔ)采用錨索（Cables）結(jié)構(gòu)單元來模擬真實(shí)的結(jié)構(gòu)件，錨索結(jié)構(gòu)單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)和水泥漿特性來定義，如表4 所示。

表3 復(fù)合基礎(chǔ)（混凝土）物理力學(xué)參數(shù)

表4 下部巖石錨桿部分的力學(xué)參數(shù)

3 上拔位移云圖

圖3 所示為不同類型基礎(chǔ)在不同荷載特征下不同樁頂位移等級(jí)下位移等值線云圖。從圖3 中可以看出，在上拔荷載作用下，地基中上拔位移隨樁頂位移增加而顯著增加，直至破壞時(shí)基礎(chǔ)呈現(xiàn)整體拔出破環(huán)狀態(tài)；擴(kuò)底樁嵌固基礎(chǔ)最先出現(xiàn)塑性區(qū)域的是擴(kuò)底段和土體的接觸面，因此在擴(kuò)底樁嵌復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意擴(kuò)底段的樁基本體的承載力。

圖3 不同樁頂位移等級(jí)下的云圖

由圖3 可知，不同的錨桿根數(shù)對(duì)承載力以及塑性區(qū)域有很大的影響，因此不同的上部結(jié)構(gòu)尺寸和錨桿根數(shù)、錨桿的錨固深度可以進(jìn)行有效的匹配，進(jìn)而獲得最優(yōu)構(gòu)造。

4 應(yīng)力分布

圖4 為不同類型基礎(chǔ)在不同荷載特征和不同樁頂位移等級(jí)下基礎(chǔ)應(yīng)力分布云圖。如圖4 所示，在極限上拔承載力作用下，巖石錨桿部分呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，埋置在上部樁基混凝土內(nèi)的錨桿桿體的拉力值較小，而在土巖界面處的錨桿桿體拉力值最大，為625 kN，與巖石錨桿基礎(chǔ)的極限上拔承載力相同，可見復(fù)合型基礎(chǔ)中巖石錨桿部分的極限承載力基本可完全發(fā)揮出來。

圖4 不同基礎(chǔ)應(yīng)力分布特點(diǎn)

對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可知，隨著錨桿根數(shù)的增加，錨桿部分承擔(dān)的基礎(chǔ)作用力也隨著增大，因此上部結(jié)構(gòu)和土體的相互作用力就相應(yīng)的減少。對(duì)比圖4（c）和圖4（d）可知，復(fù)合基礎(chǔ)在水平荷載作用下，隨著錨桿根數(shù)的增加，其抗水平承載力增加，因此復(fù)合基礎(chǔ)在抵抗水平力條件下較常規(guī)錨桿基礎(chǔ)有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 塑性區(qū)分布規(guī)律

圖5 所示為不同類型基礎(chǔ)在不同荷載特征及不同樁頂位移等級(jí)下塑性區(qū)分布規(guī)律圖。如圖5 所示，在極限上拔承載力作用下，復(fù)合型基礎(chǔ)的塑性區(qū)分布云圖呈現(xiàn)出：上部擴(kuò)底樁部分出現(xiàn)剪切破壞，下部巖石錨桿部分出現(xiàn)拉伸破壞，可見復(fù)合型基礎(chǔ)的破壞狀態(tài)主要表現(xiàn)為上部擴(kuò)底樁部分的剪切破壞與下部巖石錨桿的拉伸破壞。

圖5 不同荷載特征下塑性區(qū)分布規(guī)律圖

圖6 荷載分擔(dān)比

由圖5（a）可知，最早出現(xiàn)塑性區(qū)域的是擴(kuò)底樁與土體的基礎(chǔ)，并且逐步增加塑性面積，塑性面積增加方向?yàn)樗较蚺c垂直向同步增加。但是隨著荷載的繼續(xù)增加，水平向塑性區(qū)域增加速度逐步緩慢，垂直向荷載塑性區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，最后形成“圓柱狀”的塑性發(fā)展區(qū)域。

由圖5（b）可知，在水平荷載作用下，首先出現(xiàn)塑性區(qū)域的依然為擴(kuò)底樁的錐形擴(kuò)底部分，其原因是擴(kuò)底部分與土體的接觸剛度較大，隨著荷載的增加，地面處與土體接觸塑性區(qū)域逐步擴(kuò)大，最后形成“倒八字”塑性發(fā)展區(qū)域。

6 復(fù)合基礎(chǔ)承載力分擔(dān)機(jī)制

通過不同基礎(chǔ)類型的有限元分析，分析2 種不同基礎(chǔ)的上拔荷載分擔(dān)比例，結(jié)果如下：當(dāng)荷載為30～50 kN時(shí)，錨桿分擔(dān)荷載比例在0.2 左右；當(dāng)?shù)鼗茐某龅鼗休d力時(shí)，錨桿分擔(dān)阻力進(jìn)一步下降至約0.11 左右。總的來說接近破壞時(shí)錨桿承擔(dān)荷載約為0.2，即根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果本類型分層巖體中嵌固基礎(chǔ)的荷載分擔(dān)比為0.2～0.25 之間。

7 結(jié)論

本文基于不同尺寸，不同受力狀態(tài)下擴(kuò)底樁錨桿復(fù)合基礎(chǔ)的數(shù)值模擬，得出擴(kuò)底樁錨桿復(fù)合基礎(chǔ)的上拔位移云圖、應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布以及荷載分擔(dān)比例等結(jié)論，主要結(jié)論如下：

（1）在上拔荷載作用下，地基中上拔位移隨樁頂位移增加而顯著增加，直至破壞時(shí)基礎(chǔ)呈現(xiàn)整體拔出破環(huán)狀態(tài)；擴(kuò)底樁嵌固基礎(chǔ)最先出現(xiàn)塑性區(qū)域的是擴(kuò)底段和土體的接觸面，需要注意擴(kuò)底段的樁基本體的承載力。

（2）隨著錨桿根數(shù)的增加，錨桿部分承擔(dān)的基礎(chǔ)作用力也隨著增大，因此上部結(jié)構(gòu)和土體的相互作用力就相應(yīng)的減少。復(fù)合基礎(chǔ)在水平荷載作用下，隨著錨桿根數(shù)的增加，其抗水平承載力增加，因此復(fù)合基礎(chǔ)在抵抗水平力條件下較常規(guī)錨桿基礎(chǔ)有一定的優(yōu)勢(shì)。

（3）復(fù)合基礎(chǔ)在上拔力作用下最早出現(xiàn)塑性區(qū)域的是擴(kuò)底樁與土體的基礎(chǔ)，并且逐步增加塑性面積，塑性面積增加方向?yàn)樗较蚺c垂直向同步增加。但是隨著荷載的繼續(xù)增加，水平向塑性區(qū)域增加速度逐步緩慢，垂直向荷載塑性區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，最后形成“圓柱狀”的塑性發(fā)展區(qū)域。在水平荷載作用下，首先出現(xiàn)塑性區(qū)域的依然為擴(kuò)底樁的錐形擴(kuò)底部分，其原因是擴(kuò)底部分與土體的接觸剛度較大，隨著荷載的增加，地面處與土體接觸塑性區(qū)域逐步擴(kuò)大，最后形成“倒八字”塑性發(fā)展區(qū)域。

（4）當(dāng)荷載為30～50 kN 時(shí)，錨桿分擔(dān)荷載比例在0.2 左右；當(dāng)?shù)鼗茐某龅鼗休d力時(shí)，錨桿分擔(dān)阻力進(jìn)一步下降至約0.11 左右?？偟膩碚f接近破壞時(shí)錨桿承擔(dān)荷載約為0.2，即根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果本類型分層巖體中嵌固基礎(chǔ)的荷載分擔(dān)比為0.2～0.25 之間。