卡盘式电力铁塔嵌岩桩的数值模拟分析

王春萌，李碧雄

(1.中国水电建设集团路桥工程有限公司四川分公司，成都 610000；2. 四川大学 建筑与环境学院土木系，成都 610065)

卡盘式电力铁塔嵌岩桩的数值模拟分析

王春萌1，李碧雄2*

(1.中国水电建设集团路桥工程有限公司四川分公司，成都 610000；2. 四川大学 建筑与环境学院土木系，成都 610065)

针对山区地质地貌特征，提出了用于电力铁塔的新型卡盘式桩。用有限元方法对比分析在2种不利工况下陡峭山坡上卡盘式桩和传统直柱式桩的承载形态。分析认为：卡盘式桩能有效改善桩体的抗拉拔能力，但对于抗压能力提高作用甚微；科学地认识桩-岩石界面特性是客观评估嵌岩桩承载力的前提。

电力铁塔基础；卡盘式桩；直柱式桩；有限元分析；ANSYS

在“西电东送”、“北电南送”的大格局下，为提高能源利用率，实现大功率、长距离的电力输送，特高压、大容量电网建设成为社会发展的必然[1]。特高压输电线路由于具有电压等级高、传输容量大、传输距离远、经历气候复杂等特点，输电线的健康运行至关重要。由于我国幅员辽阔，各个地区的地质地貌差异很大，因此所采用的输电线路基础形式也多种多样。中国西南山区的岩石地基使用的基础形式主要为掏挖式基础。杆塔基础作为输电线路的重要组成部分，其造价、工期和劳动消耗量在整个线路工程中占很大比重。基础选型、设计及施工的优劣严重影响着线路工程的建设。我国现有的输电线铁塔设计和国外相比，基础设计的尺寸比国外大，设计较为保守[2]，基础施工费用比国外高。基础过大，若采用大面积开挖，势必会造成大面积植被被破坏和水土的流失。因此，有必要加强对输电线路基础的研究，降低混凝土和钢筋的用量，减小土石方的开挖量，从而降低基础造价，节省资源，同时也减小对植被的破坏，加强环境保护，取得较好的经济效益和社会效益，实现可持续发展。

目前我国尚未系统地开展新的基础型式的试验、测试和分析研究，杆塔基础已成为输电线路建设中十分薄弱的环节[3]。地基处理及其基础型式选择与设计优化是当前输电线路工程迫切需要解决的重大课题[4-5]。本文以“康定—崇州500 kV双回线路新建工程”中的特殊基础为研究对象，结合输电线路途经地貌地质特殊情况，提出了一种新型卡盘式桩基础，用有限元方法对比研究不同的荷载工况下卡盘式桩和传统直柱式桩的承载性状，为实际工程中选择和优化桩型提供依据。

1 工程背景

康定—崇州500 kV双回线路工程起于康定500 kV变电站，止于崇州500 kV变电站，线路路径位于青藏高原向四川盆地的过渡带，具有海拔高、覆冰重、山势险峻、高差大、地质条件复杂、地震烈度高等特点。沿线最高海拔约4 000 m，地形坡度一般在35°左右，特别在特重冰区段，最大坡度在50°左右。沿线地质条件较差，覆盖层厚度较大，一般在1.0～5.0 m；局部地段有块石架空现象，一般厚度3～5 m，最大厚度约10 m，块石一般直径1～2 m，最大直径达5 m。

在实际线路上选取了一处试验点(位于雅安市天全县二郎山上)进行了详细的岩土工程勘察，查明了试验点处土和岩层的分布情况、各项物理力学指标，主要的地质参数如表1所示。

表1 试验点的主要地质参数

(a) 受拉工况； (b) 受压工况图1 桩顶承受的荷载工况

(a)M1 (b)M2图2 计算模型的几何尺寸

(a)M1 (b)M2图3 计算模型的网格划分

荷载工况的取值依据有关设计资料来确定，桩顶承受的荷载工况如图1所示，考虑铁塔基础的2种最不利工况：(a)受拉工况，上拔力与水平力组合；(b)受压工况，即下压力和水平力组合。其中，T=1 956 kN，V1=384 kN，N=2 616 kN，V2=480 kN。

2 有限元模型的建立

2.1计算范围及计算模型

考虑到研究对象所在的地貌和地质条件，本文提出采用卡盘式桩型。为了评估该桩型的承载形态，计算模型分别考虑了卡盘式桩型和传统的直柱式桩型2种情况。模型的几何尺寸如图2所示，用编号M1和M2分别表示卡盘式桩模型和直柱式桩模型。山体的坡度和覆盖层粉质粘土的厚度参考当地实际情况确定。采用嵌岩桩，参照文献[6]的观点，认为嵌岩桩的嵌岩部分与岩体咬合在一起，形成一个受力整体，故在建立有限元计算模型时，将桩和岩石黏结在一起，2种单元共节点。桩与土体之间设接触单元，桩侧与土体摩擦系数取0.2。

大多数岩土工程问题均涉及无限域和半无限域，而有限元分析是在有限的区域内进行离散处理，但必须取足够大的计算范围以使得这种离散方法不至于产生过大的误差。一般情况下，基础周围土体及深度的计算范围取基础边长的2～3倍。为了便于对比分析，本文对2种不同桩型采用相同的计算范围。同时，为了减少计算时间，方便观察和分析计算结果，考虑到结构的对称性，选取一半建模。

桩、土、岩体均采用solid45号单元。solid45为六面体8节点单元，每个节点具有3个位移分量。该单元具有塑性变形、蠕变、应力硬化、大变形的能力。为了保证计算精度，提高网格划分的质量，几何建模时，采用分块建模的方式。每一个模型大致有80～95个小块体组成，每个小块体单独划分网格，图3(a)和(b)分别为模型M1和M2的网格划分情况。

2.2 边界条件

通常，计算范围的边界可以采用3种方式处理，即位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件。本文模型采用位移边界条件，底部竖向位移约束，3个侧面水平位移约束，即相应方向的位移为零，顶面设置为自由边界。荷载的施加分为2个阶段，首先计算施加重力加速度后的模型反应，然后在桩顶节点上施加竖向和水平荷载。

2.3 计算参数

表2 岩性力学参数

根据前述主要地质参数，进行有限元建模时，为了使计算分析可能进行，简化为2层，上层为土，下层为基岩。参考表1中的地质参数，基于土力学和岩石力学中的相关公式计算确定岩体的弹性模量，根据土体和岩体的类别参照经验确定泊松比。采用DP模型，即覆盖层土和岩石服从Drucker-prager屈服。计算模型中采用的各有关参数如表2所示。桩体为C35混凝土，采用线弹性模型，弹性模量为3.15×104MPa，泊松比为0.2，容重为2 500 N/m3。

桩与土体之间采用ANSYS中提供的接触单元，即目标单元170和接触单元173，来模拟桩土之间的接触性质，桩侧与覆盖层土体摩擦系数取0.2。

3 有限元分析结果分析

有限元分析的第1步是计算覆盖土层和岩体的自重应力场，需要指出的是，由此在土体和岩体中产生自重作用下的初始位移与实际的初始位移早已结束有差异。桩的加入通过单元生死来实现。外荷载作用于桩顶。

3.1 竖向位移云图

图4(a)和(b)分别给出了第1种荷载工况下的模型M1和M2竖向位移云图，比较发现，在下压力和水平力作用下，竖向位移情况非常接近，卡盘式桩桩顶的竖向位移略低于直柱式桩。图5(a)和(b)分别为工况2作用下的竖向位移云图，可以看出，在上拔力和水平力共同作用下，卡盘式桩桩顶向上的竖向位移明显小于直柱式桩，参与抗拔的桩周土体范围更大，表现出更好的抗拔能力。

3.2 x方向水平位移云图

图6(a)和(b)分别给出了第1种荷载工况下的模型M1和M2水平位移云图，比较发现，在下压力和水平力作用下，水平位移分布几乎相同。图7(a)和(b)分别为工况2作用下的水平位移云图，在上拔力和水平力共同作用下，卡盘式桩桩顶水平位移明显小于直柱式桩。

从上述的位移云图可以看出，在本文所采用的桩长情况下，桩顶在荷载作用下产生了较大的侧移，有失稳的可能。因此，需要增大桩长或重新核定桩土之间的摩擦系数。

3.3 应力分布云图

图8和图9分别工况1和工况2下的Von-Mises等效应力云图，由于采用嵌岩桩，桩体与岩石之间采用共节点的固结方式，当桩承受外荷载作用时，上部覆盖层土体对于桩的抗拔或抗压所起的作用均很小，桩顶传来的荷载主要由嵌固段的侧阻力和端阻力来承受。下压荷载工况下，卡盘中的应力非常低，卡盘所起的作用很小；上拔荷载工况下，卡盘中的应力与桩身的应力接近，卡盘对抗拔的贡献较大。

因此，需要进一步深入研究嵌固段桩体与岩石之间的相互作用性能，以更为客观地模拟两者之间的接触性质。已有的高强度混凝土和高强度岩石嵌岩桩试验结果表明[7]，模型桩的破坏是由于混凝土-岩石界面上的剪切破坏引起的，而混凝土和高强度岩体内部皆保持完整。而另外的现场试验和室内模型试验结果[8]则认为，在不同地质条件和设计方法下，嵌岩桩可表现为摩擦型桩或端承型桩的承载性状，嵌岩桩的破坏模式与桩岩的相对刚度和强度有关，破坏可能发生的位置有桩岩界面、桩周围岩体中和桩体本身。故对于建立在岩体中的嵌岩桩，桩-岩石界面特性会极大地影响桩的承载力特性。

4 结语

1)本文所提出的卡盘式桩对提高桩体的抗拔能力非常有效，能降低上拔荷载下桩顶的位移，尤其是显著降低了桩顶水平位移；2)卡盘式桩不能明显改善桩体的抗压承载形态；3)采用共节点方式模拟嵌岩桩嵌固段岩石和桩身之间的相互作用时，桩的传力主要通过嵌固段来完成，不能可靠地反映桩身与岩石之间的作用性态，建议进一步研究桩-岩石界面特性，采用接触单元进行模拟。

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[2] 程永锋,邵晓岩,朱全军.我国输电线路基础工程现状及存在的问题[J].电力建设,2002,23(3):32-34.

[3] 李剑玲.斜插式电力铁塔基础稳定性研究及其数值模拟分析[D].重庆:重庆大学,2004.

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ResearchontheDeformationBehaviorsandCapacityPropertiesofOneNewStyleofPileBuiltinSteepSlope

WANGChunmeng1,LIBixiong2*

(1. Sinohydro Road Bridge Engineering Co, Ltd, Chengdu 610000, China; 2. Department of Civil Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In view of the geology and landform features in mountainous areas, a kind of Kapan pile was proposed for the foundations of electric power towers. The deformation behavior and bearing capacity mechanism of two kinds of piles were investigated by finite element method, which were Kanpan pile and Zhizhu pile. The results showed that the bearing capacity to resist drawing for Kapan pile was fairly higher than that for Zhizhu pile, however, the compressive capacity was similar to each other. Scientific understanding to pile and rock interface characteristics was the precondition for objectively evaluating rock-socketed pile bearing capacity.

iron tower foundation for electric transmission; Kapan pile foundation; Zhizhu pile foundation; finite element analysis; ANSYS

2013-10-06

国家科技支撑计划“环境触发式视频信号采集技术”(2012BAK10B07)；能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室开放基金(2013KF05)

王春萌(1969- )，女(汉族)，河南永城人，工程师，研究方向：机电工程。

李碧雄(1970- )，女(汉族)，湖南安化人，副教授，博士，研究方向：岩土工程，通信作者邮箱：347292361@qq.com。

TU473.1

A

2095-5383(2013)04-0067-04