基于FLAC3D的斜坡塔基礎穩(wěn)定性研究

王緒民，雷志超，李 劍

(1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北 武漢 430068；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

輸電線路桿塔基礎有別于其他行業(yè)基礎設計的條件是基礎上拔穩(wěn)定是設計控制條件[1]。桿塔基礎的設計受到多方面的影響，其中塔基所處的地質情況尤其重要。我國土地遼闊，塔基常修建于斜坡上，斜坡地基與普通地基最明顯的區(qū)別在于邊坡面臨空而沒有橫向約束，降低了巖土體強度[2]。斜坡上的桿塔基礎要求更為嚴格。巖溶地面塌陷是指覆蓋型巖溶地區(qū)，巖溶孔隙與溶洞等提供土顆粒運移通道和儲藏空間，外部誘發(fā)因素直接或間接地產生的作用力導致土體“黏土塊”坍塌、砂顆粒漏失或軟弱土流失而引起的地面沉降變形現(xiàn)象[3]。巖溶地面塌陷經(jīng)常使輸電線路不能正常運行，對人民的財產造成損失。相關方面的研究取得了不少成果，謝壽平等[4]采用三維有限差分數(shù)值模擬方法研究了塔基與塔基邊坡的穩(wěn)定性。趙健等[5]采用3DEC離散元方法分析了開挖并截斷錨索后塔基邊坡的穩(wěn)定性以及新增支護并新建斜坡鐵塔后邊坡的穩(wěn)定性。周英博等[6]采用ABAQUS 有限元軟件分析了巖溶區(qū)域埋深等因素對輸電塔的影響。相關研究還有[7-10]，但這些只分析了斜坡對塔基或塔基邊坡的穩(wěn)定性、巖溶塌陷地區(qū)對基礎的穩(wěn)定性，而忽視了既有巖溶塌陷對斜坡上塔基的影響。

本文以某斜坡塔基出現(xiàn)巖溶塌陷為例，運用FLAC3D有限元法分析不同治理方式的受力和變形情況，希望對實際工程起到一定幫助。

1 工程概況

某斜坡塔D腿基礎邊緣出現(xiàn)巖溶塌陷隱患，基礎采用人工挖孔樁基礎，樁徑2.6 m，樁全長12 m，實際埋深9.7 m。塔位地質狀況為0～1.0 m粘土;1.0 m以下為灰?guī)r：淺灰色，中等風化，隱晶質結構，中厚層～厚層狀構造，1.0～6.7 m存在土夾石，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整。塔基右側發(fā)生塌陷，塌陷處連接的溶洞口約3 m見方，呈漏斗型，光照可見深度10 m左右，深度大于30 m。

根據(jù)溶洞形狀與巖性采取相應措施，有兩個治理方案：

治理方案一：樁側塌陷部分用C20混凝土充填處理，樁端下部洞體用毛石灌漿充填處理，處理深度為地表至樁端以下約58 m(圖1治理示意圖一)；

治理方案二：樁側塌陷部分用C20混凝土充填處理，樁端底部洞體不處理，處理深度為地表至樁端面以下約5 m(圖1治理示意圖二)。

圖1 治理示意圖

2 建立計算模型

計算模型根據(jù)工程實際(D腿樁基與溶洞的位置關系見圖2)，在不影響計算效果的前提下，進行一定簡化后建立。根據(jù)工程經(jīng)驗，D腿樁在水平荷載作用的影響范圍約為樁徑的2～3倍，故樁周圍巖土體厚度取2～3倍的樁徑，以減小模型邊界效應的影響。樁端以下根據(jù)溶洞深度確定。計算模型中D腿樁露出坡面4.5 m。三維模型最大尺寸取為45 m×15 m×65 m，建立的三維模型見圖3所示。數(shù)值計算模型采用六面體網(wǎng)格剖分，共剖分了47 804個單元，50 943個節(jié)點。

圖2 塔基D腿樁基與溶洞位置示意圖

圖3 計算模型與網(wǎng)格剖分

計算模型的左右邊界和底部邊界均采用約束邊界，分別給予了X和Z方向的位移約束，前后邊界分別給予了Y方向的位移約束，斜坡為自由邊界。

巖土是一種極為復雜的復合體，具有很復雜的力學行為。在外力的作用下，巖土體不僅產生彈性變形，而且還會產生不可恢復的塑性變形。因此，D腿塔位斜坡巖土體采用摩爾-庫侖彈塑性模型進行計算。另外，充填處理材料也采用摩爾-庫侖彈塑性模型進行計算。摩爾-庫侖模型的破壞包絡線對應于摩爾-庫侖判據(jù)(剪切屈服函數(shù))加上拉伸分離點(拉伸屈服函數(shù))，與拉應力法則相關聯(lián)而與剪切流動不相關聯(lián)。D腿樁基用實體單元建立，采用彈性模型模擬受力和變形。

根據(jù)地質勘察資料，結合現(xiàn)場實際情況，模型分為兩層，上層為較破碎的灰?guī)r層，下層為較完整的灰?guī)r層。充填體為：上部充填體采用C20混凝土，下部充填體采用毛石灌漿。各層巖土體根據(jù)勘察資料和工程經(jīng)驗，偏于保守取值，采用的參數(shù)見表1。

表1 巖土計算參數(shù)表

本模型計算僅考慮重力場作用和D腿樁基受抗壓與水平荷載共同作用下穩(wěn)定性分析。樁基頂面施加不同工況條件下的受壓荷載和水平荷載(水平荷載合力指向溶洞，水平合力示意圖見圖4)，荷載施加在樁頂面中心。計算模型中樁基單元及受力見圖5。

圖4 樁基承受的水平合力示意圖

圖5 樁結構及樁頂荷載

模擬計算工況如下：

工況1：樁側塌陷部分用C20混凝土充填處理，樁端下部洞體用毛石灌漿充填處理(處理深度為地表至樁端以下約58 m)后，樁基在極限工況下(15 m/s風，30/40 mm冰，溫度-5℃，最大下壓力及水平力分別為4 354 kN、724 kN、712 kN)，樁基及周圍巖體受力和變形情況；

工況2：樁側塌陷部分用C20混凝土充填處理，樁端底部洞體不處理(處理深度為地表至樁端面以下約5 m)后，樁基在極限工況下(15 m/s風，30/40 mm冰，溫度-5℃，最大下壓力及水平力分別為4 354 kN、724 kN、712 kN)，樁基及周圍巖體受力和變形情況。

3 計算結果分析

3.1 工況1計算結果

3.1.1 受力結果分析

圖6為治理方案1完成后(樁側塌陷部分用C20混凝土充填處理，樁端下部洞體用毛石灌漿充填處理，處理深度為地表至樁端以下約58 m)，樁基承受極限荷載作用時，樁基周圍巖土層剪應力分布圖。圖中可以看到，樁側塌陷區(qū)和樁端下部洞體充填處理后，在外力作用下，C20混凝土充填體的剪應力增大，說明充填體正在抵抗樁身的水平位移。

圖6 工況1條件下樁基周圍巖土體剪應力分布圖

圖7 工況1條件下樁基周圍巖土層塑性區(qū)分布圖

3.1.2 樁基周圍巖土層塑性區(qū)分布

圖7和圖8為治理方案1完成后，樁基承受極限荷載作用時，樁基周圍巖土層塑性區(qū)分布圖。圖中可以看到，在極限荷載下，邊坡及樁周巖土層承受了較大的剪應力，由于邊坡表層巖土層(較破碎灰?guī)r)強度參數(shù)較下臥基巖(較完整灰?guī)r)低，因此，樁身兩側和邊坡出現(xiàn)了塑性區(qū)。但是，C20充填體強度較高，并未出現(xiàn)塑性區(qū)。而且，樁身傳遞的水平荷載主要作用在樁側塌陷區(qū)充填體(C20混凝土)，故樁端下部洞體的充填體(毛石灌漿)未出現(xiàn)塑性區(qū)。

圖8 工況1條件下樁基周圍巖土層塑性區(qū)局部圖

3.1.3 樁基水平位移分析

圖9以看到，樁基在受到極限水平荷載時，在樁側充填體的抵抗作用下，樁身發(fā)生的水平位移量不大，樁頂最大水平位移約3.1 mm，地面處樁身水平位移約1.2 mm。

圖9 工況1條件下樁基水平位移分布圖

3.1.4 綜合分析

從樁基和周圍巖土層受力、變形和塑性區(qū)分布來看，充填體剪應力增大，但未超過其抗剪強度，故充填體未出現(xiàn)塑性區(qū)，可以繼續(xù)抵抗樁身的水平位移。而邊坡表層巖土體(較破碎灰?guī)r)力學參數(shù)低于其他巖土體，因此，塑性區(qū)主要分布在樁周巖土體表層及靠近樁體的邊坡表層。樁頂最大水平位移約3.1 mm，地面處樁身的水平位移約1.2 mm，說明治理方案1完成后，在極限荷載下，樁基的傾斜量小，樁基可以保持穩(wěn)定。

3.2 工況2計算結果

3.2.1 受力情況分析

圖10為治理方案2完成后(樁側塌陷部分用C20混凝土充填處理，樁端底部洞體不處理，處理深度為地表至樁端面以下約5 m)，樁基承受極限荷載作用時，樁基周圍巖土層剪應力分布圖。圖中可以看到，樁側塌陷區(qū)充填處理后，在外力作用下，C20混凝土充填體的剪應力增大，說明充填體正在抵抗樁身的水平位移。

圖10 工況2條件下樁基周圍巖土體剪應力分布圖

3.2.2 樁基周圍巖土層塑性區(qū)分布

圖11和圖12為治理方案2完成后，樁基承受極限荷載作用時，樁基周圍巖土層塑性區(qū)分布圖。圖中可以看到，在極限荷載下，邊坡及樁周巖土層承受了較大的剪應力，由于邊坡表層巖土層(較破碎灰?guī)r)強度參數(shù)較下臥基巖(較完整灰?guī)r)低，因此，樁身兩側和邊坡出現(xiàn)了塑性區(qū)。但是，C20充填體強度較高，在樁身發(fā)生水平位移的過程中并未出現(xiàn)塑性區(qū)。

圖11 工況2條件下樁基周圍巖土層塑性區(qū)分布圖

圖12 工況2條件下樁基周圍巖土層塑性區(qū)局部圖

3.2.3 樁基水平位移分析

圖13為樁側塌陷區(qū)充填后，樁基在極限荷載下，樁身的水平位移分布圖。從圖中可以看到，樁基在受到極限水平荷載時，由于樁側塌陷區(qū)充填了C20混凝土，可以抵抗樁身發(fā)生水平位移。樁頂最大水平位移量約3.2 mm，與地面齊平的平面上，樁身水平位移量約為1.3 mm。

圖13 工況2條件下樁基水平位移分布圖

3.2.4 綜合分析

從樁基和周圍巖土層受力、變形和塑性區(qū)分布來看，治理方案2完成后，在極限荷載作用下，C20混凝土充填體的剪應力增大，說明充填體抵抗了樁身發(fā)生水平位移，但由于充填體力學強度較高，并未發(fā)生破壞，可以持續(xù)抵抗樁身發(fā)生水平位移。從樁身水平位移量來看，治理方案2完成后，樁頂最大水平位移約3.2 mm，地面處樁身的水平位移約1.3 mm，說明治理方案2完成后，在極限荷載下，樁基的傾斜量小，樁基可以保持穩(wěn)定。

4 結語

塔D腿塔基在兩種不同工況條件下，樁基受力、變形和塑性區(qū)分布情況，主要結論如下：

(1)治理方案1完成后，在極限荷載作用下，C20充填體阻礙了樁基發(fā)生水平位移。樁頂最大水平位移量約3.1 mm，地面處樁身水平位移量約1.2 mm，樁基傾斜量小，樁基可以保持穩(wěn)定。

(2)治理方案2完成后，在極限荷載作用下，C20充填體阻礙了樁基發(fā)生水平位移，因此樁頂最大水平位移量約3.2 mm，地面處樁身水平位移量約1.3 mm，樁基傾斜量小，樁基可以保持穩(wěn)定。

方案2樁基及周圍巖土體的受力、變形和塑性區(qū)分布與方案1基本相同，由于方案1更經(jīng)濟，故采用治理方案一。