凍土凍融循環(huán)過(guò)程輸電塔基極限承載力分析

柳貢強(qiáng)， 孫 巍， 劉中元， 周洪毅

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司， 黑龍江哈爾濱 150090；2.黑龍江省電力科學(xué)研究院， 黑龍江哈爾濱 150030)

我國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)域主要分布在東北、西北等區(qū)域，以黑龍江省分布最為廣泛，該地區(qū)凍土凍融持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，給輸電線路塔基帶來(lái)了損傷，引起了工程人員的高度關(guān)注。

季節(jié)性凍土孔隙中的水分隨著溫度變化出現(xiàn)了相變與遷移，這種變化使土體產(chǎn)生往復(fù)的凍脹與融沉。凍土的凍融過(guò)程不斷地改變著凍土的孔隙以及土體顆粒的聯(lián)結(jié)，致使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化，該過(guò)程嚴(yán)重降低了凍土區(qū)域土體的力學(xué)性能[1-3]，土體結(jié)構(gòu)的變化會(huì)直接導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定[4]、樁基不穩(wěn)[5-7]等系列問(wèn)題。季節(jié)性凍土區(qū)域輸電線路塔基受到凍土凍融的變化，塔基出現(xiàn)不均衡受力從而導(dǎo)致桿塔傾斜；塔基裂縫中水分的凍融過(guò)程加快破壞了桿塔基礎(chǔ)。這些過(guò)程均會(huì)造成輸電桿塔的失穩(wěn)，嚴(yán)重情況下會(huì)破壞輸電塔線體系，直接發(fā)生輸電桿塔傾倒等事故，影響了區(qū)域供電安全。

有關(guān)季節(jié)性凍土區(qū)域樁基穩(wěn)定性的研究方法，主要分為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、理論分析三大類。Sowa通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得了混凝土樁的極限承載力[5]。Shanker通過(guò)模型試驗(yàn)獲得了基礎(chǔ)樁承載力分析的半經(jīng)驗(yàn)方程[6]。Deshmukh假設(shè)地基土體的滑裂面為圓錐形的連續(xù)面，基于Kotter方程式，推導(dǎo)出了無(wú)黏性土體基礎(chǔ)樁的極限承載能力[7]。與Deshmukh的假設(shè)略有不同，酈建俊等認(rèn)為地基土體的滑裂面應(yīng)該為冪函數(shù)的滑移曲面，他們建立了基于極限平衡狀態(tài)的分層凍土中基礎(chǔ)樁極限承載力的簡(jiǎn)易方程式[8-9]。基于分層基地的思想，在比較了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，何思明等建立了基礎(chǔ)樁破裂面發(fā)展趨勢(shì)的確定方法，推導(dǎo)出基礎(chǔ)樁極限承載力的計(jì)算方法[10-11]。輸電線路桿塔塔基屬于典型的樁基，相關(guān)的研究較少。魯先龍等基于Mohr-Column(M-C)準(zhǔn)則等理論，建立了拔極限平衡狀態(tài)時(shí)原狀土中輸電線路桿塔基礎(chǔ)的應(yīng)力分布基本方程式[12]。曾二賢等基于極限平衡法和M-C屈服理論，采用推薦的破裂面方程，提出了原狀土中輸電線塔擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔承載力的理論分析方法[13]。涉及到凍土區(qū)域輸電桿塔基礎(chǔ)問(wèn)題，主要集中在青藏聯(lián)網(wǎng)工程塔基選位[14]、凍土地基監(jiān)測(cè)[15]和凍融災(zāi)害防控[16]等方面的研究工作。

凍土區(qū)域融凍過(guò)程桿塔塔基的極限承載力與凍土土體參數(shù)之間相互影響，這些影響的參數(shù)包括塔基參數(shù)，如樁長(zhǎng)和樁周直徑等，土體參數(shù)較多，如內(nèi)摩擦角、粘聚力、土-樁摩擦角和土體容重等，分層凍土的各項(xiàng)參數(shù)受到了土層含水量、凍融循環(huán)等的影響，分層凍土中桿塔基礎(chǔ)的破裂參數(shù)與基礎(chǔ)抗拔承載力也受到相應(yīng)的影響。本文首先研究土體隨含水量和凍融循環(huán)的變化情況，在文獻(xiàn)[10-11]的基礎(chǔ)上，建立輸電桿塔極限承載力的多元函數(shù)，給出桿塔基礎(chǔ)的極限抗拔力，分析多次凍融循環(huán)對(duì)桿塔基礎(chǔ)的影響。

1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

黑龍江地區(qū)的土壤主要為粉質(zhì)黏土，該地區(qū)平原較多，通常的地層如圖1所示，近地表的地層通常為三層結(jié)構(gòu)，富冰凍土分布在河谷灘地、沼澤地和山坡背陰處等區(qū)域。這種凍土的第1層3～6 m、第2層4～10 m、第3層10 m以上，凍土層為弱融沉～融沉類型。凍土區(qū)域季節(jié)性凍融循環(huán)的作用下，如果基礎(chǔ)凍土層不均一，桿塔單腿基礎(chǔ)不均勻拱出地表(圖2)，直接引發(fā)鐵塔彎曲，造成桿塔傾斜，嚴(yán)重影響區(qū)域輸電線路的安全運(yùn)行。

圖1 土層結(jié)構(gòu)示意

圖2 基礎(chǔ)現(xiàn)狀

土體由土顆粒骨架和骨架之間的孔隙組成，這些孔隙的充填物一般是水和氣體，土體抗剪強(qiáng)度主要由土骨架來(lái)承擔(dān)，土體受到了剪切性破壞即是土骨架顆粒之間產(chǎn)生了相對(duì)位移；土體凍融前后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，水分聚集到了凍融界面，在多層凍土體形成了夾層，抗剪強(qiáng)度直接大幅減小。根據(jù)葛琪等[17-18]、劉杰等[19]的研究，土體抗剪強(qiáng)度是由土壤的黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ這兩個(gè)參數(shù)決定的。當(dāng)凍融變化會(huì)引起土體c、φ值發(fā)生變化，分層凍土中桿塔基礎(chǔ)的承載力直接受到影響。

在哈爾濱市呼蘭河的河灘獲取了本次試驗(yàn)所需的樣土，進(jìn)行了含水量測(cè)量，第1層土的含水量在20 %左右，第2層土在16 %左右，第3層土12 %左右。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]提供的方法，分析凍融循環(huán)次數(shù)、土體含水量對(duì)黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ這兩個(gè)參數(shù)的影響。對(duì)比了本次試驗(yàn)和文獻(xiàn)[17]的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)條件相同，樣土含水量為18.5 %(圖3～圖5)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ與文獻(xiàn)[17]有相同的趨勢(shì)，但低于文獻(xiàn)[17]的結(jié)果，可能跟地區(qū)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異相關(guān)。

圖3 實(shí)驗(yàn)示意[17]

圖4 土壤黏聚力試驗(yàn)結(jié)果比較

圖5 土壤內(nèi)磨察角試驗(yàn)結(jié)果比較

圖6、圖7為本次試驗(yàn)的結(jié)果，根據(jù)結(jié)果顯示：

(1)隨土壤含水量逐漸增大，土壤黏聚力c呈線性下降態(tài)勢(shì)，如未進(jìn)行融凍循環(huán)的土壤含水量，從16 %到21 %時(shí)，c值直接下降57.4 %；土壤內(nèi)摩擦角φ的整體趨勢(shì)亦隨土壤含水量的呈線性下降趨勢(shì)，但是下降率略低于黏聚力，從16 %到21 %時(shí)，φ值直接下降僅26 %。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，隨土壤含水量逐漸增大，土壤黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ呈反飽和下降態(tài)勢(shì)，以土壤含水量18.5 %為例，從凍融循環(huán)次數(shù)0次到5次，土壤黏聚力c下降37.5 %，內(nèi)摩擦角φ下降42.7 %。

圖6 本次試驗(yàn)黏聚力結(jié)果

圖7 本次試驗(yàn)內(nèi)摩擦角結(jié)果

根據(jù)結(jié)果分析：從土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，當(dāng)土壤含水量不斷增加，土體內(nèi)部孔隙被自由水逐漸充滿，土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生系列變化，土壤顆粒間的粘聚作用逐漸降低，土壤顆粒之間的咬合程度逐漸喪失，這些均降低了土壤粘聚力；土壤含水量的增加，應(yīng)力傳遞由土壤顆粒間的傳遞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫端畟鬟f，直接導(dǎo)致土壤內(nèi)摩擦角直接下降。在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體內(nèi)部孔隙的自由水含量越高，土壤顆粒之間水分凍融直接破壞了土壤顆粒的粘聚程度，凍融循環(huán)次數(shù)越多，粘聚程度逐漸越低，咬合程度也會(huì)下降，這些直接導(dǎo)致了土壤的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的下降。

2 抗拔樁極限承載力分析

2.1 基本模型

采用文獻(xiàn)[10]提供的方法來(lái)分析桿塔基礎(chǔ)的極限承載力。輸電線路桿塔基礎(chǔ)的極限承載力Pu為

(1)

式中：Fyi為桿塔基礎(chǔ)和凍土之間的縱向作用力；d為桿塔基礎(chǔ)直徑。式(1)中包含的分層參數(shù)(α1、α2、α3、……αn)，分層分別為(土層1：α1、α2、α3、……αm；土層2：αm+1……、αi、……、αn)這些參數(shù)確定凍土中桿塔基礎(chǔ)的破裂面。而確定桿塔基礎(chǔ)抗拔承載力，首先需要對(duì)式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，即表達(dá)式(2)：

(2)

根據(jù)式(2)，獲取了凍土中桿塔基礎(chǔ)的極限承載力P：

(3)

式中：L1為土層1的樁長(zhǎng)；L2為土層2的樁長(zhǎng)；γ1為土層1的容重；γ2為土層2的容重。根據(jù)式(3)，可以獲得最優(yōu)解，即為極限承載力。

2.2 極限承載力分析

根據(jù)前面的分析，選擇含水量16 %和21 %的粉質(zhì)黏土作為雙層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，計(jì)算示意圖如圖8所示。

圖8 計(jì)算模型

以110 kV直線塔為研究對(duì)象，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5219[20]、DL/T 5501[21]和JGJ 118[22]和現(xiàn)場(chǎng)資料，樁長(zhǎng)L=10m、樁徑d=1.0m，其中：L1為4 m，L2為6 m；γ1為18.1 kN/m3，γ2為19.2 kN/m3；樁-土摩擦角為0.8φ，其中：δ1=0.8φ1，δ2=0.8φ2。本次計(jì)算的凍土凍融循環(huán)的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，取凍融循環(huán)次數(shù)0次、1次和3次的值，進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)2.1提供的方法分析凍土凍融循環(huán)過(guò)程抗剪強(qiáng)度的損傷程度對(duì)桿塔基礎(chǔ)極限承載力的影響。

表1 計(jì)算參數(shù)

土壤黏聚力對(duì)桿塔基礎(chǔ)極限承載力的影響(圖9)，桿塔基礎(chǔ)極限承載力與土壤黏聚力成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，土層1中承載力上升趨勢(shì)大于土層2的上升趨勢(shì)，這可能跟土層含水量有一定的關(guān)系。標(biāo)黑部分為本次實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)的極限承載力，從圖中直接可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤黏聚力下降，極限承載力隨之下降。從0次凍融循環(huán)到3次凍融循環(huán)，土層1中的極限承載力下降約0.61×106N，土層2下降值較小，約0.19×106N；從3次凍融循環(huán)到5次循環(huán)，土層1極限承載力下降較少約0.16×106N，土層2下降值僅為0.08×106N。這些分析表明，隨著土層的凍融次數(shù)增加，土壤黏聚力引起的桿塔基礎(chǔ)極限承載力下降值，開(kāi)始比較大，后來(lái)比較平緩。

圖9 土壤黏聚力的影響

土壤內(nèi)摩擦角對(duì)桿塔基礎(chǔ)極限承載力的影響(圖10)，桿塔基礎(chǔ)極限承載力與土壤內(nèi)摩擦角成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，兩個(gè)土層中承載力上升趨勢(shì)基本相同。標(biāo)黑部分為本次實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)的極限承載力，從圖中直接可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤內(nèi)摩擦角值下降，極限承載力受影響而直接下降。從0次凍融循環(huán)到3次凍融循環(huán)，兩個(gè)土層中極限承載力下降較多，約0.90×106N；但從3次凍融循環(huán)到5次循環(huán)，下降值較少，約0.40×106N。這些分析表明，隨著土層的凍融次數(shù)增加，土壤內(nèi)摩擦角引起的桿塔基礎(chǔ)極限承載力下降值，也是開(kāi)始比較大，后來(lái)比較平緩，但是兩個(gè)土層的變化趨勢(shì)相同。

圖10 土壤內(nèi)摩擦角的影響

綜合凍融循環(huán)過(guò)程中土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，發(fā)現(xiàn)隨著土層的凍融次數(shù)增加，桿塔基礎(chǔ)極限承載力下降值總體趨勢(shì)開(kāi)始比較大，后來(lái)比較平緩，并且土層1中承載力下降的幅度大于土層2的下降幅度，這暗示著凍融過(guò)程后，桿塔地基抗拔能力隨著凍土結(jié)構(gòu)減小，導(dǎo)致了圖2的情況出現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角整體趨勢(shì)隨土壤含水量的呈線性下降趨勢(shì)，但是內(nèi)摩擦角下降率略低于黏聚力。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角呈反飽和下降態(tài)勢(shì)，下降的趨勢(shì)先急后緩。

(3)桿塔基礎(chǔ)的極限承載力跟土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角成正相關(guān)關(guān)系，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而直接下降。