地面堆载下高压电塔变形失稳原因数值分析.pdf

DOI:10.11991/yykj.202111007网络出版地址：https:/ Abaqus 有限元软件，并考虑软土的高灵敏特性，对扰动区软土进行强度折减，对堆载作用下软土地基高压铁塔基础的变形破坏行为进行模拟，揭示邻近堆土荷载作用下深厚软土层中塔基变形的影响机理。结果表明，受扰动地区的浅层淤泥在地面填土荷载产生的附加应力作用下发生破坏、流动，此外铁塔东面为河涌、河流，地势比铁塔桩基础顶面低，形成临空坡面，淤泥层更易发生剪切破坏并往临空面流动，从而导致塔基产生更大的变形以致高压电塔失稳。关键词：地面荷载；高灵敏性；深厚软土；高压输电塔；桩基变形；失稳机理；强度折减；数值分析中图分类号：TU433文献标志码：A文章编号：1009671X(2023)04010905A numerical analysis of the causes of instability and deformation of highvoltage tower under ground loadingGURenguo,ZHANLigui,FANGYingguangSchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,ChinaAbstract:Inviewofthedeformationandfailurephenomenonofhigh-pressureirontowerinnanshasoftsoilareaofGuangzhoucityunderpileload,consideringthehighsensitivityofsoftsoil,Abaqusfiniteelementsoftwarewasusedtoreducethestrengthofsoftsoilinthedisturbedarea,andsimulatingthedeformationandfailurebehaviorofhigh-pressureirontowerfoundationonsoftsoilunderpileload,sothattorevealtheinfluencemechanismoffoundationdeformationindeepsoftsoilundertheloadingofadjacentpile.Theresultsshowthattheshallowsiltinthedisturbedareaisdamagedandflowedundertheadditionalstressgeneratedbythegroundfillingload.Inaddition,ontheeastsideofthetowerisariverandcreakwater,andtheterrainislowerthanthetopsurfaceofthetowerpilefoundation,formingafreeslopesurface.Thesiltlayerismorepronetoshearfailureandflowtothefreesurface,resultingingreaterdeformationofthetowerfoundationandinstabilityofthehigh-voltagetower.Keywords:ground load;high sensitivity;deep soft soil;high voltage tower;deformation of the pile foundation;instabilitymechanism;strengthreduction;numericalanalysis我国软土分布广泛，主要分布在沿海地带及平原低洼、沼泽地区1。软土具有含水率高、孔隙比大、抗剪强度低和灵敏度高的特性2。当软土地区高压输电塔受邻近堆填土机械行走、碾压扰动时，软土结构会被破坏、强度迅速降低，使堆填土荷载下高灵敏性软土层产生较大的侧移3，引起塔基变形甚至破坏，从而影响上部结构的正常使用4。目前，研究堆载对邻近桩基的影响主要有现场勘测、模型试验、理论分析和数值分析等方法，尤其数值分析的方法采用最多58。郑明新等9借助 Abaqus 采用扩展的 Drucker-Prager 模型模拟分析了路堤填筑荷载作用下深厚软基桥桩的变形行为。陆培毅等10借助 Plaxis3D 采用 HSS 本构模收稿日期：20211102.网络出版日期：20230506.基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（51208211）；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究项目(2017KB16).作者简介：谷任国，男，副教授，博士.房营光，男，教授，博士生导师.通信作者：房营光，E-mail：.第50卷第4期应用科技Vol.50No.42023年7月AppliedScienceandTechnologyJul.2023型分析软土地区堆载下盾构隧道的变形特性，发现其与采用 MC 本构模型相比，计算结果与实测值更吻合。郑楷柱等11借助 MidasGTS 建立考虑桩土效应的平面应变有限元模型，分析了填土施工对邻近桥梁桩基的影响。谷任国等12运用Abaqus 分析了隧道开挖对既有高压铁塔的安全影响。然而邻近堆载对于高压输电塔变形影响的数值模拟研究鲜有报道。在有限元分析中，材料参数的合理选取会影响计算结果的可靠性。材料参数通常依据室内实验来获取，但软土的高灵敏特性使得室内实验原状土参数与原位土体参数存在差异13。因此，大面积堆土作用引起的软基变形问题值得进一步探讨。本文针对深厚软基邻近堆土施工引发高压铁塔变形破坏的工程实例，采用 Abaqus 有限元软件进行三维仿真模拟，考虑了软土的高灵敏度特性，分析了堆载作用下的塔基变形机理，为类似工程提供参考。1工程实例已建的某 220kV 输电线#4 塔和#3 塔位于广州市南沙区，且#3 塔位于#4 塔北面约 30m 处。该区域属于珠江三角洲平原，水网密布，河流纵横14。铁塔周边分布有小河塘、河涌和河流等，其中河涌宽约 9m，水深约 1m；河流宽约 35m，岸边缘深度约 1m，如图 1 所示。根据已有设计资料，2 座输电塔结构均为角钢塔，塔高 46m，塔基由4 根直径为 1m 的钻孔灌注桩组成单桩基础，桩全长 33m，其中地下 31.5m、地上 1.5m，桩与桩之间无地梁连接，如图 2 所示。塔地基土主要有杂填土、淤泥、粉砂、中风化花岗岩等地层。2017 年 6 月，铁塔周边进行堆填土施工。直至7 月，#4 塔基础破坏严重，桩顶发生明显大的侧向位移，上部塔身偏斜、弯扭幅度大，塔身整体倾斜、扭曲，变形严重。如图 3 所示。7 月 1 日7 月 29 日，#4 塔桩基的水平位移变化如图 4 所示。图 4 中 T1、T2、T3、T4 表示桩基编号，对应位置见图 1。约 109约 101堆土荷载区域单位:m#3 塔#4 塔区北区T4河涌河涌T1T2T3区河流河宽:36.465塔基偏移方向图1铁塔周边环境示意(a)塔身结构(b)塔基结构单位:m单位:m外皮 8.904.507.509.009.008.176.1350.630.91.533.03.006.206.203.50外皮 6.701.201.51.551.555.002.184.804.601.01.55图2高压电塔设计图(a)塔基偏移(b)塔身过度弯曲 图3塔基偏移过大、塔身过度弯曲现象80.0T1T2T3T470.060.050.040.0水平位移/mm30.020.010.006 月 24 日 7 月 4 日 7 月 14 日监测日期7 月24 日 8 月 3 日图4#4 塔桩基顶端水平位移随时间的变化110应用科技第50卷2三维数值模拟2.1计算模型根 据 设 计 资 料 及 现 场 周 边 环 境，采 用Abaqus 有限元软件建立三维有限元分析模型，其计算尺寸(长宽高)为 350m350m100m。模型底部进行全自由度约束，侧面进行法向位移约束。土体模型采用六面体实体单元模拟，铁塔和桩基模型采用梁单元模拟，如图 5 所示。#3 塔#4 塔#3 塔#4 塔3-44-44-14-34-23-13-33-2(a)三维有限元模型(红框为强度折减区域)(b)铁塔模型(c)#3 和#4 塔基模型(d)划分网格东西ZXYZXY图5三维有限元分析模型2.2计算参数经现场踏勘，地表分布有一层厚约 20m 的淤泥层，属高灵敏土，在外力扰动作用下，土的原有结构强度会进行重塑。因此，在三维模拟分析中，需对堆土扰动范围内高灵敏软土采取强度折减，其原理见文献 1517 的相关论述，根据电塔变形实测数据反演，强度折减系数可取 2.5。根据勘察资料，结合室内土工试验分析，各地层的计算参数建议取值如表 1 所示(表中括号内为根据灵敏度调整后的材料参数)，强度折减区域如图 5(a)所示。在材料本构模型中，岩土取莫尔库伦模型，桩基取混凝土损伤塑性模型，钢结构取线弹性模型。表1材料参数类别材料名称弹模E/MPa泊松比重度/(kN/m3)黏聚力C/kPa内摩擦角/()岩土层淤泥(扰动)1.000.351620淤泥2.770.351650淤泥11.690.351650淤泥12.750.351650淤泥质土11.480.351650淤泥质土15.210.351650淤泥质土16.490.351650粉砂13.820.301815细砂18.080.301828中粗砂80.970.301830中风化花岗岩150000.25223216桩基、塔身C20混凝土255000.2025钢材2000000.30782.3计算工况计算工况与现场实际相一致以获得准确的三维动态模拟，从而得到可靠的模拟计算结果。现场堆土荷载区域根据堆土高度的不同划分为、和区(如图 1 所示)，区堆土平均厚度 1.6m，区堆土厚度由桩基附近由 0m 向西线性增加到1.6m，区堆土平均厚度为 1.0m。模拟计算工况分为 2 种，工况 0：初始地应力场分析；工况 1：施加堆土荷载（堆填土重度取 18.0kNm3）。3塔基变形原因数值分析图 6 为 1.6m 后堆土荷载作用下土层位移云图。从图 6 中可知，土层最大水平位移为 49.23cm，发生在#4 塔附近受堆土荷载影响的淤泥浅层。U,U1/m+4.532102+5.1621044.4281028.9081021.3391011.7871012.2351012.6831013.1311013.5791014.0271014.4751014.923101ZYX图6堆载下土层水平位移云图第4期谷任国，等：地面堆载下高压电塔变形失稳原因数值分析111图 7 和图 8 列出了施加堆土荷载作用下不同位置桩基的水平位移随深度的变化，水平位移为负表示倾向东面的位移。从图 7 和图 8 中可知，堆填土施工阶段邻近铁塔桩基发生了不同程度的水平位移。#3 塔基中，最大水平位移为 8.10cm，发生在 3-2 号桩；#4 塔基中，最大水平位移为41.90cm，发生在 4-2 号桩。现场塔基破坏后，7 月 1 日7 月 29 日的#3 塔和#4 塔塔基水平位移监测结果表明，#3 塔由于地基淤泥夹砂层较厚，受堆土荷载的影响较小，故#3 塔塔基位移较小，最大累计约 4mm；而#4 塔由于地基淤泥层深厚，最厚处约 20m，塔基位移受堆土荷载的影响极大，加之邻近有一临空坡面，故#4 塔塔基位移由西向东增加，最大达到 65mm。水平位移/cm1050101520桩长/m3-13-23-33-425303586420图7#3 塔桩基水平位移图（X 轴正方向表示向西方向）水平位移/cm4442403836343250101520桩长/m4-14-24-34-4253035图8#4 塔桩基水平位移图（X 轴正方向表示向西方向）在#4 塔周边的新近堆土施工过程中，地层水平位移变化情况如图 9 所示。模拟结果显示堆载前#4 塔位移矢量颜色为蓝色，即位移较小；而堆载后，#4 塔位移矢量颜色变为红色和绿色，位移大大增加。在堆土荷载作用下，#4 塔桩基附近土层的水平位移量达到了 46cm；浅层淤泥发生了剪切破坏、流动，桩顶水平位移达 42cm，过大位移导致了塔基的破坏，数值分析结果中土层和桩基变形、倾斜方向与现场踏勘结果相符，如图 10所示。(b)堆填土 1.6 m 后U/mU/m+5.615101+4.211101+2.807101+5.615101+4.211101+2.807101+1.404101XZXZ(a)未堆填土 0+1.4041010图9#4 塔堆土作用前后位移矢量图对比U/mZX+5.615101+5.147101+4.679101+4.211101+3.743101+3.275101+2.807101+2.339101+1.872101(a)堆土作用下#4 塔附近地层由西向东位移(b)堆土作用下#4 塔附近与地面紧密接触的钢板悬空(c)堆土作用下#4 塔桩基大致由西向东倾斜(d)堆土作用下#4 塔桩基大致由西向东倾斜U/m+4.232101+4.148101+4.064101+3.980101+3.896101+3.811101+3.727101+3.643101+3.559101+3.475101+3.390101+3.306101+3.222101ZYX0+4.679102+9.3581022+1.404101112应用科技第50卷U/mZX+5.615101+5.147101+4.679101+4.211101+3.743101+3.275101+2.807101+2.339101+1.872101(a)堆土作用下#4 塔附近地层由西向东位移(b)堆土作用下#4 塔附近与地面紧密接触的钢板悬空(c)堆土作用下#4 塔桩基大致由西向东倾斜(d)堆土作用下#4 塔桩基大致由西向东倾斜U/m+4.232101+4.148101+4.064101+3.980101+3.896101+3.811101+3.727101+3.643101+3.559101+3.475101+3.390101+3.306101+3.222101ZYX0+4.679102+9.3581022+1.404101图10#4 塔塔基数值模拟结果与现场踏勘结果而#3 塔填土荷载对塔基产生的附加应力较小，同时浅层淤泥扰动区域也离#3 塔较远，故#3 塔处附近浅层淤泥层未扰动；且#3 塔处基岩面浅，塔基桩嵌岩深度较深，同时#3 塔地基淤泥夹砂层较厚，砂层相对淤泥层能提供更大的侧阻力，故#3 塔塔基位移较小，处于稳定状态。4结论本文根据设计资料和铁塔周边环境，采用Abaqus 有限元分析软件建立某#3 和#4 高压电塔的三维仿真模型，合理选取岩土计算参数，较准确地分析了在堆载作用下#3 和#4 高压电塔的变形及受力情况。得到主要结论如下：1）在堆土荷载作用下，地层最大水平位移为49.23cm，#3 塔塔基最大水平位移为 8.10cm，#4 塔塔基最大水平位移为 41.90cm。数值分析结果与现场踏勘结果相符，验证了数值模型的合理性。2）在地面堆土扰动作用下，高灵敏淤泥土的原有结构被破坏、强度降低，在堆载作用下淤泥土更易向临空面发生剪切滑移、流动，产生更大的变形，以致塔基失稳。3）对于塔基的变形破坏，归因是堆载过大还是强度降低导致地层产生过大变形的问题，尚无明确的结论，有待于进一步研究论证。参考文献：李志伟.软土地基不对称堆载对桥梁偏位的影响及加固分析 J.公路,2016,61(8):8692.1林志强.海相软土对刚性桩复合地基的影响机理分析 J.岩土工程技术,2019,33(6):328333,371.2詹金林,水伟厚,陈国栋,等.上海软土地区邻近建筑堆土地基处理实例研究 J.岩土工程学报,2010,32(S2):310313.3曹淑学.深厚软基地区下穿便道对既有桥梁桩基的影响及保护措施优化 J.公路工程,2019,44(5):142150.4王晓佳,张启伟.软土地区地面堆载对桥梁下部结构的影响分析 J.结构工程师,2020,36(4):145150.5李志伟.软土地基邻近堆载对桥梁桩基偏位的影响研究 J.岩土力学,2013,34(12):35943600.6张菊,李松,蔡长发,等.基于 midas-GTS 的盾构隧道施工上部电塔稳定性研究 J.交通科技,2021(1):139143.7朱奕曜,谷任国.盾构施工对邻近高压铁塔安全影响数值分析 J.城市住宅,2019,26(12):143145.8郑明新,胡国平,褚东升,等.路堤填筑荷载作用下深厚软基桥台桩变形及处理措施分析 J.施工技术,2016,45(13):4549.9陆培毅,王美苓,杨建民.软土地区地面堆载对盾构隧道变形的影响分析 J.建筑结构,2019,49(S2):9991003.10郑楷柱,郑恒斌,杜立凡.软土地区路基填土施工对邻近桥梁桩基影响的数值分析 J.科技经济导刊,2021,29(11):7375.11谷任国,朱奕曜,房营光.隧道施工对既有高压电塔的影响分析及数值模拟研究 J.应用科技,2021,48(6):109115,126.12翁鑫荣.软土地区某堆山工程的有限元数值模拟分析 J.地下空间与工程学报,2014,10(S2):17881793.13李文丽,黎伟.软土层中输电杆塔基础的堆载破坏机理及应急方案 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