上拔荷载作用下输电线路掏挖基础保护范围研究

上拔荷载作用下输电线路掏挖基础保护范围研究

罗伟黑文豪

中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司湖南长沙410007

摘要：针对某110kV直线塔典型掏挖基础在硬塑粘性土地质条件下，对上拔荷载作用下掏挖基础对周围土体的影响范围采用传统经验方法、有限元方法和颗粒流方法进行分析比较研究。结果表明由有限元方法计算得到的掏挖基础对周围土体的影响范围与传统经验方法得到的数值较为接近，而采用颗粒流方法得到的结果明显小于前两者。

关键词：输电线路；掏挖基础；保护范围；有限元；颗粒流

1引言

随着人们对自然环境保护意识的加强，输电线路基础的优化设计显得日益重要。掏挖基础在设计上利用了原状岩土自身的力学性能提高基础的抗拔、抗倾覆承载能力，减少对原状土结构、地表植被等破坏，有利于减少水土流失和环境保护，是一种经济节能环保型基础。杨剑[1]和刘文白[2]等人分别采用了有限元方法和颗粒流理论模拟了外荷载作用下输电线路基础的力学特性。本文针对某110kV直线塔典型掏挖基础在硬塑粘性土地质条件下，对上拔荷载作用下掏挖基础对周围土体的影响范围采用传统经验方法、有限元方法和颗粒流方法进行分析比较。

2掏挖基础保护范围

2.1保护范围概念

高压输电线路所经区域各式各样，地形千差万别，往往采用全方位高低塔腿配合不等高基础设计来处理地形问题，如图1所示。基础设计时通常假设土体自由面水平，按水平地面的设计基础在不等高地表肯定不能满足其使用要求，此时需要加高基础来处理，而加高高度则依据与基础“保护范围”内的最低点平齐来对不等高地表进行设计。

图1典型高低塔腿配合不等高基础示意图

2.2传统经验方法

工程上保护范围的选取取决于以下四个方面：1）基础主柱直径的4.5倍；2）基础底板直径的一半加上有效埋深；3）基础底板直径的一半加上有效埋深乘以内摩擦角的正弦值再加上1.0m；4）基础周围土体圆弧滑移面加上0.5m。其中1）和2）为设计经验值，而3）和4）则是根据土力学原理所计算得到的范围值加上一定的安全裕度后所得。其中4）为规范所示计算方法，其形状由下列参数确定：

式中：r为圆弧曲面半径，α表示半径r随H/D而变化的特征；n为随土体的物理特性而异的系数；α1为圆弧曲面在水平地面处与水平面夹角；α2为圆弧曲面在底板处与水平面夹角。

（1）

2.3典型基础传统保护范围计算

计算条件：主柱直径0.8m，埋深2.6m，底板1.6m，土体容重19kN/m3，粘聚强度C=48kPa，内摩擦角ψ为14°。根据1）计算得到L保护取3.6m；根据2）计算得到L保护取3.4m；根据3）计算得到L保护取2.45m；根据4）计算得到L保护取2.6m。根据以往经验公式，保护范围通常取1）和2）的小值后，再与3）和4）计算得到的基础保护范围值比较，取其中的最大值，即L保护=max（min（1，2），3，4）。由此可知，该基础的保护范围取3.4m。

3基于有限元方法的数值模拟

利用有限元软件建立掏挖基础与周围均质地基土体共同作用体系的有限元模型。基础混凝土采用线弹性模型，基础周围的土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，基础及土体材料参数如表1所示。

表1材料参数

基础主柱顶面上升时，基础和周围土体的位移分布如图2（a）所示。由图可见，由于基础向上移动，使基础底板与土体分离，产生较大的间隙；基础扩头部分与土体充分接触，土体受到基础所施加法向力和摩擦力后，整体向上和右侧发生变形产生位移，土体与基础主柱部分脱离。在均匀的上拔荷载作用下，基础底部几乎没有影响，而基础扩头部分上部的土体影响较大，呈外扩型曲线向周边扩散，离基础越近土体影响越明显。靠近基础外表面的土体位移最大，土体自由面的位移整体上沿远离基础的方向逐渐降低，其中从最里端至离基础中心1.0m处时下降较为缓慢，之后呈线性关系降低至离基础中心3.6m处时下降速度降缓。由此可见，基础位移荷载对该基础周围土体的影响范围约为3.6m。

4基于颗粒流方法的数值模拟

颗粒流模型采用轴对称模型。在给定的墙体范围内生成颗粒，按随机位置将颗粒往区域内填充。数值模拟中，所选定的试样颗粒模型的参数如下表2。

表2土体颗粒模型的参数

（a）有限元模拟土体位移分布云图（b）颗粒流模拟土体位移分布图

图2数值模拟结果

在上拔荷载作用下，基础缓慢上升，基础底板与底部土体脱离，整体趋势与有限元计算模拟结果相一致，如图2（b）所示。而与有限元模拟结果不同的是，基础圆台部分的土体在重力的作用下随着基础的上升而滑移到基底，与此同时，基础主柱侧面的土体则随着基础的上升而不断抬高，越靠近基础，土体影响越明显，采用颗粒流方法模拟的土体影响范围约为2.4m，明显小于采用有限元方法和传统经验方法模拟得到的结果。这是由于颗粒流模型中考虑土体颗粒之间的滑移。

5结束语

本文针对某110kV直线塔典型掏挖基础在硬塑粘性土地质条件下，对上拔荷载作用下掏挖基础对周围土体的影响范围采用传统经验方法、有限元方法和颗粒流方法进行分析比较研究。结果表明采用颗粒流方法模拟方法得到的土体影响范围明显小于采用有限元方法和传统经验方法。由于颗粒流模型中考虑土体颗粒之间的滑移，本质上更加接近实际。

参考文献：

[1]杨剑，高玉峰等.输电线路掏挖式基础在倾斜荷载作用下的特性[J].工业建筑，2008，38（6）：62-66.

[2]刘文白，周健.上拔荷载作用下桩的颗粒流数值模拟[J].岩土工程学报，2004，26（4）：516-521.