輸電線路微型樁基礎承載性能的數值模擬

屈勇

（廣東電網公司佛山供電局，廣東省佛山市，528200）

0 引言

微型樁作為軟土地基中的一種新型環保基礎，目前逐漸在輸電線路桿塔基礎工程中得到應用[1-2]。微型樁一般指樁徑小于400mm，樁長通常不超過30m，采用鉆孔、壓力注漿工藝施工的小直徑樁，布置型式有各種排列的直樁和網樁結構的斜樁[3-4]。在輸電線路中，微型樁具有如下優勢：（1）在同樣承載力要求下，微型樁基礎工作量較小；（2）微型樁施工機具簡單，對環境和場地適應性強；（3）通過壓力注漿可改善樁周土的受力特性，能有效提高抗傾覆能力。

近些年，國內開始研究和設計輸電線路桿塔微型樁基礎，2003年浙江省電力設計院和浙江大學合作進行了桿塔基礎微型樁試驗研究，在500 kV嘉王線塔基中首次試驗應用，在500 kV北天Ⅱ回輸電線路進行了推廣應用。中國電力科學研究院協同各相關單位先后在上海、浙江、安徽和天津等地選擇典型的軟土地基開展了輸電桿塔微型樁基礎的相關課題研究工作，進行了微型樁基礎的設計計算方法、施工工藝、成樁質量與檢測方法等方面的研究。利用相關的研究成果，微型樁桿塔基礎已經在500 kV寧海—蒼巖雙回線路、500 kV安慶—廬桐變線路中得到了進一步的試點應用，取得良好的經濟和社會效益[5]。

為了研究微型樁基礎的受力特性，進一步推進微型樁基礎在輸電線路中的應用，運用PLAXIS程序對單樁、群樁基礎分別進行了抗拔、抗壓、水平力等的數值計算分析，研究了微型樁的工作特性，以期對微型樁基礎的設計計算進行優化。

1 PLAXIS有限元程序簡介

PLAXIS有限元程序是荷蘭研制的專門用于巖土工程2D或3D變形和穩定性分析的有限元程序[6]。PLAXIS有限元程序主要具有以下特點：（1）具有友好的用戶界面，邏輯的交互性輸入、自動處理和快速缺省設置幫助用戶輕松建模；（2）具有先進且強大穩定的本構關系模型，可精確模擬土的特性，各模型參數充分結合了巖土工程實踐。

PLAXIS有限元程序功能比較強大，能分析比較多的實際工程，能自動生成有限元網格，并通過重要部位網格的細分達到比較好的精度。同時用戶界面友好，使用也比較方便。在后處理方面，該程序能在計算過程中動態顯示提示信息，有利于工程技術人員在使用過程中對計算結果進行監控。

2 參數設定

針對微型樁基礎的特點，本文主要探討微型樁基礎的作用規律。PLAXIS有限元程序的摩爾-庫侖土體力學模型（MC模型）屬于理想彈塑性模型，理想彈塑性材料在應力未達屈服時，只有彈性變形，而一旦屈服就會產生不可恢復的塑性變形，塑性變形不斷發展直至破壞。采用MC模型分析微型樁基礎是可行的。

MC模型需要根據實際情況確定5個基本參數：彈性模量E、泊松比μ、粘聚力C、內摩擦角φ和剪脹角ψ，相關參數取值見表1。樁長在20d～50d時，單樁抗拔承載力隨樁長基本呈線性變化；當樁長超過50d后，單樁抗拔承載力隨樁長的增長表現出顯著的非線性特征，此時繼續增加樁長對其抗拔承載力的提高程度不明顯。

表1 土體MC模型取值參數TTab.11 Main parameters of soil model

在PLAXIS有限元程序中，為了模擬其他材料（如樁、土工織物等）與土的相互作用，引入了接觸面單元的概念。接觸面間可以傳遞壓力，但不能承受拉力，其性質用彈塑性模型來描述。

3 計算結果分析

3.1 樁長對單樁承載力的影響

通常情況下，樁長對單樁的抗拔承載力有很大的影響。圖1為樁長為13、18、20m的單樁抗拔荷載位移曲線，從圖1中可以看出，隨著樁長的逐漸增加，其抗拔承載力也隨之增大。

因此，對于承受抗拔荷載的微型樁基礎，其最優樁長不易大于50 d。

3.2 樁身傾角對單樁承載力的影響

樁身傾斜一定角度時，微型樁能承受更強的水平荷載與豎向荷載。圖3為不同傾角作用下單樁的豎向抗壓Q-S曲線。從圖3中可以看出，隨著微型樁樁身傾斜角度從0°增加到18°時，其豎向承載力逐漸變大；但是當樁身傾斜角度由18°增加到24°時，其豎向承載力急劇減小，甚至小于傾斜為12°時的承載力，說明單樁的豎向承載力存在最優傾斜角度。當樁身傾斜度達到最優時，單樁豎向承載力達到最大。

圖2為經過歸一化處理后的單樁抗拔承載力隨樁長的變化曲線，圖中橫坐標為樁長與樁徑的比值（L/d），縱坐標為不同樁長的承載力Q與20倍樁徑的樁長承載力Q0的比值，經歸一化處理后比較容易獲得承載力與樁徑比之間的關系。從圖2中可以看出，

圖4為斜樁豎向承載力與樁身傾斜角度關系曲線，從圖中可以看出，樁身傾斜為18°左右時，其豎向承載力達到最大。

結合現場施工機具的特性與施工工藝的可行性，微型樁單樁的最佳傾角取10°為宜。

3.3 樁間距對群樁承載力的影響

對于輸電線路桿塔基礎所受荷載，往往需要采用3×3以上的群樁基礎來承擔，則群樁中各個基樁之間的樁間距對群樁效應影響顯著。群樁效應系數是指群樁中的基樁平均抗拔承載力與單樁抗拔承載力之比，群樁效應系數越大，表明群樁中各個基樁間的影響越小。

圖5為3×3群樁在不同樁間距條件下群樁效應系數的分布規律，從圖5中可以看出，隨著樁間距的逐漸增加，微型群樁的群樁效應系數逐漸增加，當樁距達到6d時，群樁效應系數達到0.9，此時可基本不考慮群樁效應。但考慮施工占地面積大小的影響，設計中群樁樁間距為3d，此時必須考慮群樁效應系數。

4 結論

（1）微型樁存在臨界樁長。合理樁長不應超過50d，樁長過長對提高單樁豎向承載力作用并不明顯。

（2）具有一定傾斜角度的單樁豎向承載力存在最優解。結合現場施工機具的要求，樁身傾角應不大于10°。

（3）對于群樁基礎，由于樁間距相對較小，在設計時必須考慮群樁效應的影響。

目前，微型樁基礎已逐漸在軟土地區的輸電線路桿塔基礎中獲得應用，然而微型樁群樁基礎的設計與施工質量檢測仍舊是一個復雜的問題，還需要進一步深入的理論研究與現場試驗驗證。

[1]呂凡任，陳仁明，陳云民，等.軟土地基微型樁抗壓和抗拔特性試驗研究[J].土木工程學報，2005，38（3）：99-105.

[2]魏鑒棟，陳仁明，陳云敏，等.微型樁抗拔特性原型試驗研究[J].工程勘察，2006（8）：14-19.

[3]Bruce D A，Dimillio A F，Juran I.Introduction to micropiles：an international perspective[A]//Willian F Ked.Foundation upgrading and repair for infrastructure improvement[C].New York：Geotechnical Special Publication，ASCE，1995，50：1-26.

[4]上海市建設和交通委員會.DBJ08-40-94地基處理技術規范[S].上海：上海市標準發行站，1994.

[5]蘇榮臻，鄭衛鋒，魯先龍，等.軟土地基中桿塔微型樁抗拔特性試驗研究[J].電力建設，2008，29（1）：11-14.

[6]Brinkgreve R B J.PLAXIS－finite element code for soil and rock analyses，2D-version 8[M].Rotterdam：BalkemaAA，2002.