透水性桩处治输电塔不均匀沉降的适用性研究

陈晓光

(山东电力工程咨询院有限公司,山东 济南 250199)

自立式输电铁塔是一种超静定空间桁架结构,承受来自水平方向的风荷载、纵向的导、地线张力荷载及垂直方向的铁塔与附件自重,下部基础为4分裂式[1-2]。由于上部传递的荷载、自重及土体固结等不同,相邻基础间会发生不均匀沉降,造成输电铁塔发生变形失稳,严重时发生倒塌破坏,给社会造成不良影响[3-6]。田家栋[7]通过有限元计算模型得出当基础不均匀沉降值超过0.14 m时,铁塔上部结构杆件发生变形。因此,如何减少不均匀沉降发生一直是电力工作者关注的问题。工程中常用的一些地基处置方法,诸如强夯、堆载预压、井点降水以及灌注桩、碎石桩等[8-14]均有一定成效,但上述各方法适用条件、施工工期及成本均有所不同,工程设计时仍期待有新方法解决不均匀沉降。本文结合正在建设施工的济宁西500 kV线路工程,对透水性混凝土桩复合地基进行数值模拟研究,用以探求对处治输电铁塔不均匀沉降的适用性。

1 透水性混凝土桩用于地基处理时的作用机理

透水性混凝土桩主要原料与一般桩相同,但内部添加有特殊集料,经过特定工艺制备而成,桩身抗压强度一般为10 MPa～20 MPa,渗透系数为0.05 cm/s～2.0 cm/s之间,既拥有刚性桩的高强度特性,又具有一般排水桩的强透水性[15]。在处理地基时,透水性混凝土桩既可以利用自身的高强度承受上部荷载,又可在地基中形成多重排水通道,加速土体固结,使大部分地基土沉降在基础施工期完成。透水性混凝土桩作用机理主要有以下几种[16-17]。

1.1 置换作用

透水性混凝土桩为半刚性桩,强度远大于地基土,通过将一部分土体置换为桩体,使得上部铁塔传递的荷载大部分由桩体承担,地基承载力得到大幅度提高,竖向位移减少。

1.2 排水作用

透水性混凝土桩孔隙率在20%～25%之间,且多为直径大于1 mm的大孔,相较于地基土,渗透系数大[18]。因此,透水性混凝土桩在地基中能够加速孔隙水的排出,使土体固结在短时间内完成。

1.3 振动挤密作用

透水性混凝土桩施工与一般桩施工不同,采用振动沉管法。施工时,桩体对周围土体产生挤压,空隙减少,密度增大,各项力学特性得到显著提高[19]。

1.4 褥垫层作用

复合地基通常在基础与地基之间铺筑一层碎石,起到褥垫层作用。一方面可以缓冲桩顶对基础的冲切,另一方面通过挤压桩间土,提高地基承载力。

2 工程概况

济宁西500 kV线路工程主要位于黄河冲击平原区,该区域土以粉土、粉质黏土为主,且地下水位高,地表排水不畅。大量室内外试验表明:该区域土含水量高、孔隙比大、固结速率慢,承载力低,属于典型的高压缩性土。修筑于该地区的输电铁塔基础,在上部荷载的作用下,基础易发生不均匀沉降,威胁铁塔结构安全。基于此,本文以本工程A2号塔为例,进行透水性混凝土桩加固地基的数值模拟研究。

3 数值模拟

数值模拟软件根据计算方法通常分为有限元、有限差分和离散元软件等,它们有各自的优缺点。不同模拟计算时,选择合理的计算方法不仅能使模型简单,还能提高计算准确度[20]。因此为了更好的模拟地基土非线性、大变形等特点,本文选用有限差分软件进行数值模拟[21]。当计算模型较大时,网格单元划分多,计算时间较慢,因此,本文采用缩尺模拟,缩尺比例为10∶1。首先,建立计算模型,模型以铁塔中心线为对称轴,建模时取铁塔基础影响范围一半进行分析,地基模型大小为8 m×6 m×20 m,桩径为0.12 m,桩长及桩间距不固定。根据A2号塔地质资料可知,地基土从上到下依次为粉土、粉质黏土和砂土,故将地基土模型分为3组。为减少运算时间,提高计算精度,模型网格采用放射状,并在桩周进行加密,网格单元边长取0.1 m～0.2 m,整个计算模型如图1所示。将模型上平面设为自由面,下平面添加竖向约束(链杆约束),侧面设置水平向固定约束。由于地基土与桩体刚度差异大,在竖向力作用下,二者会产生位移差。因此为了模型更加准确,我们在桩与土体之间设置了接触面,允许滑动和分离,接触面如图2所示。Mohr-Coulomb弹塑性本构模型通过采用拉伸破坏作为判断岩土体强度破坏的准则,可以简单清晰反映出土体的塑性变形特性,同时该模型所需参数能够较容易从实验室获得,因此本次模拟地基土选用摩尔-库仑弹塑性本构模型,透水性混凝土桩选用弹性本构模型。

根据地质报告可知,A2号塔施工期间地下水位可至地表以下0.5 m,因此本次数值模拟需要考虑地下水对地基土的影响。地基在上覆铁塔荷载作用下发生固结沉降,开启渗流模式,进行流固耦合分析。根据地勘资料及工程经验对各参数进行赋值,如表1所示。

表1 计算参数取值

4 数值模拟计算结果及分析

开启渗流模式,对建立好的地基模型施加竖向力,用来模拟铁塔上部传来的竖向荷载。在保持桩径不变的情况下,分析不同桩长、桩间距对地基固结沉降的影响。本次数值模拟共设置8种工况,其中第8种工况作为对比,地基中不布置桩,工况设置情况如表2所示。

表2 数值计算实验方案 m

4.1 不同桩长对地基固结沉降的影响

保持桩径0.12 m、桩间距1.4 m不变,桩长分别为1.4 m,1.6 m,1.8 m,2 m。在模型上表面部分节点施加竖向荷载,以模拟上部铁塔传递的荷载。图3,图4分别为不同桩长下模型孔隙水压力云图和竖向位移云图。从图5中可以发现,相邻桩体之间,云图中均出现明显的凹凸状,表明此时各工况桩体间距离均大于透水性混凝土桩的横向影响半径。从图3孔隙水压力云图中可以看出,随着桩长增大,透水性混凝土桩的竖向影响面积不断变大,复合地基孔隙水得以排出,地基固结沉降时间加快。同时,本文利用软件自带的记录命令,记录桩周及桩底部分主要节点位移的变化,结合图4的竖向位移云图,可以发现,增大透水性混凝土桩长,地基承载力变大,固结沉降速率加快,竖向位移减小。复合地基竖向位移随时间的变化曲线如图5所示。从图5中可以看出,施加竖向荷载后前20 d,复合地基沉降量较大,18 d以后,速度放缓,后趋于稳定。相较于传统地基处治方式,透水性混凝土桩能够加速地基固结沉降,预防不均匀沉降的发生。

4.2 不同桩间距对地基固结沉降的影响

保持桩径0.12 m、桩长1.8 m不变,桩间距分别为1.0 m,1.2 m,1.4 m,1.6 m。图6,图7分别为不同桩间距下模型孔隙水压力云图和竖向位移云图。从图中可以看出,桩间距为1.4 m和1.6 m时,两根桩之间云图均有明显的凸状,这表明此时两根桩中心土体不受透水性混凝土桩的影响。利用记录命令统计出不同节点处孔隙水压力及竖向位移,可以发现透水性混凝土桩的影响范围为0.15 m～0.25 m,即桩径的1.5倍～2倍,略小于部分国内学者提出的透水性混凝土桩的影响半径。从图7中可以发现,随着桩间距的增大,桩竖向位移逐渐减小,同时桩周土体位移逐渐变大。

4.3 不同桩长和桩间距下透水性混凝土桩的应力分布规律

对比不同工况下节点应力云图,可以发现经过透水性混凝土桩处治后的地基,桩周土体均有应力集中现象。相较于桩周土体,桩体承担了来自上部传递的绝大部分荷载,这也与以往研究的规律相同。保持桩径0.12 m、桩间距1.4 m不变,桩长增加,透水性混凝土桩应力值也不断增大。当桩长分别为1.4 m,1.6 m,1.8 m,2 m时,透水性混凝土桩桩体应力值分别为17.5 kPa,18.2 kPa,18.5 kPa,19.2 kPa。桩土应力比与桩长的关系如图8所示。可以发现,桩土应力比随着桩长增加而变大。保持桩径0.12 m、桩长1.8 m不变,随着桩间距的变大,桩体应力值随之减小。对应于桩间距1.0 m,1.2 m,1.4 m,1.6 m,透水性混凝土桩桩体应力值分别为19.6 kPa,19.1 kPa,18.5 kPa,18.2 kPa。桩土应力比与桩间距的关系如图9所示。可以发现,随着桩间距增加,桩土应力比也越大,后趋于稳定,稳定后最大桩土应力比为6.5。

5 结论

1)透水性混凝土桩既具有高抗压特性,又具有强透水性能。应用于地基处治中,可以依靠自身强度显著提高地基承载力,同时又可在地基中形成竖向排水通道,加快地基土固结。2)地基土在饱和状态下,相较于不设桩地基,透水性混凝土桩复合地基承载力2倍于普通地基土。3)在透水性混凝土桩复合地基中,桩体承担了大部分竖向荷载,并且能够调节周围土体应力,越远离桩体,土体应力值越小。4)在竖向荷载作用下,透水性混凝土桩复合地基超孔隙水压力消散速率先快后慢。桩长不变,随着桩间距增大,超孔隙水压力消散速率变慢,复合地基最大沉降量变大;保持桩间距不变,超孔隙水压力消散速率随着桩长增加而变快,复合地基最大沉降量变小。5)透水性混凝土桩联合堆载预压或其他预压方式,能够显著加快地基固结沉降速率,使得地基土大部分沉降在上部组塔前完成,可以有效减少铁塔杆件变形。