抗液化微型鋼管群樁理論研究

劉繼武，史卓鵬，韓 愷，閆煒煬，張驍健

(國(guó)網(wǎng)山西省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山西 太原 030002)

近幾年隨著電網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，輸電線路的數(shù)量和規(guī)模日益增加，輸電線路走廊日益狹窄，線路經(jīng)常途經(jīng)飽和砂土或飽和粉土地段。根據(jù)DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》要求，220 kV及以上耐張型桿塔的基礎(chǔ)，當(dāng)場(chǎng)地為飽和砂土或飽和粉土?xí)r，均應(yīng)考慮地基液化的可能性，并采取必要的穩(wěn)定和抗震措施[1]。

目前我國(guó)輸電線路鐵塔采用灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深穿過(guò)液化層。歷次大地震中樁基都有破壞，在液化土層中樁基破壞比較明顯，引起較為廣泛研究。樁基為深入土層的柱形構(gòu)件，其地震反應(yīng)既受到地基動(dòng)力響應(yīng)約束，也與結(jié)構(gòu)本身振動(dòng)有關(guān)，同時(shí)地基液化過(guò)程本身很復(fù)雜，因此樁土動(dòng)力相互作用分析變得十分困難。通常認(rèn)為，液化過(guò)程中土體變軟、剛度變小，而同時(shí)地震使橫向慣性力增大，導(dǎo)致樁在振動(dòng)下橫向彎曲變形增大，使樁基遭到破壞[2-3]。

實(shí)踐證明，采取微型鋼管群樁處理軟土地質(zhì)是一種十分有效的方法。微型鋼管群樁具有適應(yīng)性強(qiáng)、見效快、安全度高、節(jié)約材料、施工方便、施工時(shí)間短以及樁頂位移小等多種優(yōu)點(diǎn)。

本文通過(guò)研究地震液化機(jī)理和微型鋼管群樁的受力特性，提出了輸電線路基礎(chǔ)采用微型鋼管群樁的抗液化優(yōu)勢(shì)和基本計(jì)算理論。

1 地震液化機(jī)理分析

液化是指物質(zhì)由固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)的行為和過(guò)程。從力學(xué)行為來(lái)看，物質(zhì)的固體狀態(tài)和液體狀態(tài)最本質(zhì)的區(qū)別在于物質(zhì)在固體狀態(tài)具有抗剪強(qiáng)度，而在液體狀態(tài)則不具有抗剪強(qiáng)度。土是一種壓硬性材料，其模量和強(qiáng)度都與有效應(yīng)力有關(guān)，因此土由固體狀態(tài)向液體狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是孔隙壓力增大、有效應(yīng)力減小的結(jié)果。液化問(wèn)題一般是針對(duì)無(wú)黏性土，黏性土因其具有黏聚強(qiáng)度，即使有效應(yīng)力減小到零，也具有一定的抗剪強(qiáng)度，不能達(dá)到完全的液體狀態(tài)。砂土是最常見的無(wú)黏性土，液化問(wèn)題大多以飽和或接近飽和的砂土為研究對(duì)象[4]。

若干現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料表明，對(duì)于具有一定黏粒含量的黏性土，同樣也存在發(fā)生液化的可能[5]。黏性土由于顆粒較小，土粒之間有效應(yīng)力減小后，它們之間的黏聚力仍然存在，所以黏性土在動(dòng)荷載作用下不會(huì)出現(xiàn)液體流動(dòng)狀態(tài)的液化，但隨著土強(qiáng)度弱化，變形積累增大，當(dāng)達(dá)到一定范圍可認(rèn)為黏性土發(fā)生了破壞，即發(fā)生了動(dòng)荷載下的軟化。

我國(guó)液化的標(biāo)志是土的有效應(yīng)力為零，土體液化必須同時(shí)具備松散砂性土、土體飽和、水平荷載作用3個(gè)條件[6]。飽和砂土是由砂和水組成的兩相復(fù)合體系，而砂粒孔隙間充滿了水，受到水平方向的動(dòng)剪應(yīng)力作用后，土骨架在充滿水的孔隙間振動(dòng)，原來(lái)的砂水復(fù)合體系變?yōu)樯八膽乙后w系，在滲透水流作用下發(fā)生浮揚(yáng)現(xiàn)象，產(chǎn)生“液化”[7]。

輸電桿塔基礎(chǔ)荷載一般有豎向荷載及水平荷載，豎向荷載包括上拔力和下壓力。對(duì)于一般地質(zhì)條件下壓力基本不受控，而上拔力主要靠樁與周圍土的摩擦力來(lái)平衡，即利用土體剪切應(yīng)力來(lái)平衡上拔力，當(dāng)土體發(fā)生液化時(shí)，土體有效應(yīng)力瞬間減小，甚至變?yōu)榱?。?dāng)?shù)卣鹨夯瘯r(shí)，輸電桿塔基礎(chǔ)將失去土體抗拔力，出現(xiàn)倒塔等安全事故，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全運(yùn)行。

2 微型鋼管群樁分析

2.1 微型鋼管群樁優(yōu)點(diǎn)

微型樁一般指樁徑小于300 mm，樁長(zhǎng)不超過(guò)30 m，采用鉆孔、壓力注漿工藝施工的小直徑樁。微型鋼管群樁由鋼筋混凝土主柱承臺(tái)、多根微型鋼管(鋼管內(nèi)灌注水泥漿)組成，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a.適應(yīng)性強(qiáng)。在軟土地質(zhì)條件場(chǎng)地，施工條件較差，難以進(jìn)入大型施工機(jī)械，而微型鋼管群樁的施工設(shè)備較小，機(jī)動(dòng)靈活，能適應(yīng)各種施工現(xiàn)場(chǎng)。

b.見效快。微型鋼管群樁設(shè)置后，即可發(fā)揮作用，不需要養(yǎng)護(hù)齡期，見效快，可以充分利用鋼管的剛度，使微型群樁與土體及時(shí)作用，提高工程建設(shè)進(jìn)度。

c.增強(qiáng)抗傾覆能力。微型鋼管群樁靠基坑以下的樁前土(穩(wěn)定土體)的被動(dòng)土壓力和鋼管群樁插入基坑部分的前樁抗壓、后樁抗拔所形成的力偶來(lái)抵抗傾覆力矩，同時(shí)鋼筋混凝土冠梁板連結(jié)也增加了微型鋼管群樁的抗傾覆能力。

d.提高土體剪應(yīng)力。當(dāng)樁身周圍土體發(fā)生液化時(shí)，微型鋼管群樁對(duì)土體有一定的約束加固作用，保證土體有效應(yīng)力不快速降低，提高了土體抗液化剪應(yīng)力。

e.施工費(fèi)用低。在一定范圍內(nèi)代替懸臂式單樁，可降低材料用量30%以上[8]。

2.2 微型鋼管群樁受力分析

a.軸向荷載下樁基承載力性狀分析

為描述不同階段樁基承載力，采用荷載傳遞法研究軸向荷載下樁基承載力。

(1)

式中：u(z)為樁土相對(duì)位移；τ(z)為樁側(cè)摩阻力；A為樁身截面面積；Ep為樁身彈性模量；U為樁身周長(zhǎng)。

結(jié)合工程實(shí)際，樁土荷載傳遞函數(shù)采用雙折線模型描述，如圖1所示。

圖1 理想彈塑性模型

由圖1可見，在樁土相對(duì)位移達(dá)到極限值之前，樁側(cè)摩阻力呈線性增長(zhǎng)；而當(dāng)樁土相對(duì)位移達(dá)到極限值之后，樁側(cè)摩阻力為某一定值，這實(shí)質(zhì)上描述了樁側(cè)摩阻力的理想彈塑性。

由于雙折線模型導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，樁周土根據(jù)樁頂沉降對(duì)樁側(cè)與樁端阻力的發(fā)揮情況也各不相同。根據(jù)樁頂荷載傳遞發(fā)展過(guò)程，分為樁周土處于完全彈性狀態(tài)、樁周土部分處于塑性狀態(tài)和樁周土全部處于塑性狀態(tài)[9]3種不同工況。

在樁群中由于剛性承臺(tái)的約束，各單樁差異沉降轉(zhuǎn)化為內(nèi)部樁頂應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致邊樁和角樁樁頂應(yīng)力集中，邊樁和角樁的樁頂反力大于內(nèi)部樁的樁頂反力，角樁反力大于邊樁反力，邊樁反力大于內(nèi)部樁反力[10]。實(shí)際工作中，群樁作用效應(yīng)可采用群樁工作性能參數(shù)進(jìn)行修正，群樁工作性能特征參數(shù)從不同角度描述和反映了承臺(tái)-樁群-地基土的共同工作狀態(tài)及其效果，給群樁性能控制提供定量依據(jù)。

b.地震液化樁基計(jì)算模型

地震液化樁基計(jì)算模型如圖2所示，樁側(cè)土簡(jiǎn)化為3層，即上覆非液化土層、液化土層以及下層非液化土層[11]。

圖2 地震液化樁基計(jì)算模型

在水平荷載作用下，其控制微分方程為

(2)

(3)

(4)

式中：b0為樁的計(jì)算寬度;EI為樁的抗彎剛度;D為地面水平位移;Dz為液化層某一深度處的水平位移;yi(i=1～3)為樁基的側(cè)向位移;zi(i=1～3)為第i層土的局部坐標(biāo);ki(i=1～3)為第i層土的地基反力系數(shù);β為液化層剛度折減系數(shù)。

不考慮樁土之間的黏聚力和摩阻力，水平地基反力系數(shù)為

ks=m(z+z0)n

(5)

式中：m為地基反力系數(shù)隨深度變化的比例系數(shù)；n為隨土的類別而變化的指數(shù)；z為深度；z0為常數(shù)，與土的類別有關(guān)。

c.群樁的水平承載力分析

群樁的水平承載力采用群樁效率法進(jìn)行計(jì)算。

Hg=mnH0η

(6)

式中：Hg、H0為群樁水平承載力和單樁水平承載力；m、n為群樁縱向(荷載作用方向)樁數(shù)和橫向樁數(shù)；η為群樁綜合效率。

群樁由多根基樁和承臺(tái)構(gòu)成，受重力作用影響，群樁會(huì)受到豎向荷載及承臺(tái)的共同作用。根據(jù)柱之間的影響系數(shù)K1、不均勻分配系數(shù)K2、樁頂嵌固增長(zhǎng)系數(shù)K3、承臺(tái)與土的摩擦作用增長(zhǎng)系數(shù)K4、側(cè)土抗力增長(zhǎng)系數(shù)K5、堅(jiān)向荷載作用系數(shù)K6，推導(dǎo)出群樁綜合效率為

η=K1K2K6+K4+K5

(7)

(8)

式中：ΔHg為承臺(tái)與土的摩擦作用增加的群樁水平承載力。

(9)

式中：K0為靜止土壓力系數(shù)；Z1、Z2分別為承臺(tái)底面和頂面深度；γ為土的重度；B為承臺(tái)寬度。

(10)

式中：N為豎向荷載；A為承臺(tái)底與土接觸面積；λ為土體的分擔(dān)系數(shù)；r為截面抵抗距的塑性系數(shù)；Rf為混凝土抗裂前度表標(biāo)準(zhǔn)值。

由式(7)—(10)計(jì)算群樁水平承載力[12]。

d.液化土側(cè)向剛度的折減

我國(guó)目前地震液化土層承載力取值為零，造成樁基埋深較大，成本過(guò)高。本文參照日本公路橋設(shè)計(jì)規(guī)范方法，對(duì)液化土的承載力根據(jù)液化土層深度及液化安全系數(shù)的不同取相應(yīng)的折減系數(shù)。具體做法為進(jìn)行樁內(nèi)力計(jì)算時(shí)將液化土的變形模量及地基反力系數(shù)乘以0～1的折減系數(shù)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概述

新建500 kV蘭陵變220 kV架構(gòu)-220 kV馬陵變電站，約44.7 km雙回路線路。本工程地處山東臨沂市，線路所經(jīng)地區(qū)全部為平地，地貌成因類型為沖洪積平原，地貌類型為平地、河漫灘。上覆地層主要為第四系沖洪積形成的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中粗砂及碎石，粉土承載力為100～120 kPa。本工程位于地震烈度8度區(qū)，且跨越邳蒼分洪道和沂河，桿塔塔位均位于分洪道和沂河中，根據(jù)可研地質(zhì)報(bào)告、水文報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，分洪道和沂河地基中存在8～15 m的液化土層。分洪道和沂河的地基較軟，不適宜大型機(jī)械施工，基礎(chǔ)施工應(yīng)減少對(duì)原狀土擾動(dòng)，降低土體液化的可能。

3.2 微型鋼管群樁應(yīng)用

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了抗液化微型鋼管群樁基礎(chǔ)，由鋼筋混凝土高主柱承臺(tái)、鋼筋混凝土連梁和Φ150 mm鋼管(鋼管內(nèi)灌注水泥漿)組成。鋼管外壁采用卷制焊接；內(nèi)壁可焊接加勁板件，以提高樁體局部穩(wěn)定性能；樁端采用子彈頭型(便于壓入樁體)；樁頂可焊接連接件體(承臺(tái)樁需預(yù)留與承臺(tái)連接裝置)。每個(gè)鋼筋混凝土高主柱承臺(tái)下布置9根等間距的Φ150 mm管，鋼管間距為750 mm，如圖3所示。

圖3 抗液化微型鋼管群樁

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

抗液化微型鋼管群樁與普通單樁對(duì)比如表1所示。

表1 抗液化微型鋼管群樁與普通單樁對(duì)比

由表1可知,抗液化微型鋼管群樁具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可以有效防止地震液化時(shí)土體有效應(yīng)力瞬間降低，提高土體承載力，保證輸電線路安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

a.地震液化時(shí)將土體承載力考慮為零是一種非常保守的設(shè)計(jì)，建議輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用液化土側(cè)向剛度的折減系數(shù)法。

b.微型鋼管群樁對(duì)土體有加固和提高抗液化剪應(yīng)力的作用。

c.微型鋼管群樁用于地震液化地區(qū)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

d.雖然微型鋼管群樁已在實(shí)踐中得到應(yīng)用，并取得較好的效果，但是微型鋼管群樁在液化土體中的受力機(jī)理還需要進(jìn)一步研究，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。