降雨条件下输电塔杆基础稳定性分析
时间：2022-11-15 11:50:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
程 铮
（福建省电力建设工程咨询有限公司，福建 福州 350000）
降雨是影响输电线路塔基抗拔桩稳定性的关键因素之一，随着降雨的入渗，会使下部土体由非饱和转向饱和状态，进而影响抗拔桩基础的稳定性能。
很多学者对此进行了研究，陈仁朋等使用不同含水率的两种粉质土体（49.0%与100%）研究抗拔桩的极限承载力，结果表明，与非饱和土体相比，饱和土体下的极限承载力下降幅度达到30%～50%；
张西等使用静载试验分析了浸水作用下土体的抗剪承载力及上拔承载力，结果表明，浸水后的土体抗剪承载力减少、上拔承载力增加；
袁乾坤等使用试验研究的方法，分析了两种抗拔桩（截面桩及根式桩）在不同粗糙程度的桩土截面下的极限承载力大小；
其他学者也对此进行了相关研究。
该研究对降雨条件下输电塔杆基础稳定性进行分析，探究输电塔杆基础抗拔桩在降雨条件下的Q-S变化趋势及极限承载力变化。
该工程线路起于建岚后220kV变电站，止于已建大京110kV线路π接点（京东线#10塔）。该工程按220kV和110kV进行分段建设，该期降压为110kV线路运行，远期改接入220kV长春变，升压形成岚后～长春双回220kV线路。线路路径全长为25.728km，采用单回路电缆与双回路架空铁塔混合建设，其中岚后变出线段路径长为0.38km，采用110kV电缆单回敷设，拟建长春变附近至π接点长为2.644km，采用110kV双回路铁塔架设，其余段长为22.704km，采用220kV双回路铁塔架设。
为了验证所建立模型的准确性，该研究将荷载-位移值的现场试验与数值模拟结果进行对比，进而验证模型的准确性。
2.1 土体物理力学性质
该研究以某区域内的粉质黏土为研究对象，土体的相关物理力学参数见表1。
表1 土体物理力学参数
2.2 基础抗拔试验
试验中为了保持土体力学性能，使用人工挖孔桩的方法成桩，进而在桩孔中吊入钢筋笼、灌注混凝土，在适宜环境下养护，形成输电线路基础。试验过程中，使用RSJYC采集桩基在静载下的上拔荷载-上拔位移曲线，得到-如图1所示。
图1 静载下抗拔桩Q- S曲线
2.3 建立数值分析模型
输电线路基础如图2所示，在水平方向上，该抗拔桩为轴对称图形，选取抗拔桩的1/4结构为研究对象建立数值分析模型，模型尺寸为14.0m×14.0m×10.2m，共计24321个单元、27235个单元节点。
图2 基础平面图
建立模型的边界条件及模型设置见表2。
表2 模型边界条件及模型设置
2.4 结果对比分析
将现场试验与数值模拟结果绘制于同一图中，如图3所示，可知现场试验及数值模拟计算结果差值较小。对抗拔桩力学性能影响较大的3个荷载参数为临塑荷载、极限承载力荷载及破坏荷载。对数值模拟计算结果，临塑荷载为600.0kN、极限承载力荷载为1920.0kN、破坏荷载为2000.0kN，对比现场试验及数值模拟计算得到的临塑荷载、极限承载力荷载及破坏荷载对应的位移值可知，3个荷载参数对应的位移值差值为7.81%、13.50%、4.12%。综上所述，建立的数值分析模型具有较高的可靠性，可以较为准确地反应高压输电基础的实际抗拔性能。
图3 现场试验与数值模拟Q-S曲线
3.1 降雨条件下渗流参数的确定
经过现场实际监测得到的1985—2019年降雨量变化值如图4所示。
图4 降雨量变化值
由现场实测数据可知，该地1985—2019年最大降雨量为240.0mm/6h，基于现场降雨量可以得到降雨强度为1.0×10m/s。由已有研究可知：当降雨强度大于土体的渗透系数时，土体渗透率为实际工况下土体的土体渗透系数；
当降雨强度小于土体的渗透系数时，土体渗透率为实际工况下的降雨强度值。在实际模型计算中，非饱和土的相关参数取值见表3。
表3 非饱和土的相关参数取值
3.2 计算结果分析
使用数值模拟方法可以得到当降雨天数为0天、1天、3天、5天、7天时土体的孔压变化特征。随着雨水的初始入渗，土体经历了由非饱和向饱和渗流状态的转变、土体孔压由-160kPa增加到0kPa；
同时随着土体雨水的不断入渗，土体中孔压为零的区域逐渐下移，土体中非饱和区域向饱和区域转变呈现出明显的梯度变化状态。
随着降雨不断向土体中入渗，饱和土区域体积和土体密度不断增大，抗拔桩的抗拔性能得到增强，进而增强了输电塔杆的抗拔承载性能；
同时，随着降雨不断向土体入渗，土体的基质吸力不断和抗剪强度不断减少，进而导致输电塔杆的抗拔承载性能减弱。当降雨时间为0天、1天、3天、5天、7天时，输电塔杆基础抗拔承载性能的-曲线如图5、图6所示。
图5 不同降雨条件下的Q-S曲线
图6 不同降雨条件下的S-t曲线
当上拔荷载<600kN且上拔荷载值相同时，降雨天数越长，基础上拔位移值越低，这表明随着降雨向土体入渗，土体饱和区域不断增大，土体重度的增加对基础抗拔性能的影响大于基质吸力减少作用的影响。
当上拔荷载=600kN且降雨时间达到1天与3天时，降雨天数越长，基础上拔位移值越低，这表明随着降雨向土体入渗，土体饱和区域不断增大，土体重度的增加对基础抗拔性能的影响大于基质吸力减少作用的影响；
当降雨时间达到5天与7天时，降雨天数越长，基础上拔位移值越大，这表明随着降雨向土体入渗，土体饱和区域不断增大，土体重度的增加对基础抗拔性能的影响小于基质吸力减少作用的影响。
在上拔荷载＞600kN且上拔荷载值相同的条件下，降雨天数越长，基础上拔位移值越大，这表明随着降雨向土体入渗，土体饱和区域不断增大，土体重度的增加对基础抗拔性能的影响小于基质吸力减少作用的影响，土体基质吸力减少对桩体抗拔性能的影响起主导作用。以上分析表明，上拔荷载在600kN时为临界状态。
随着降雨时间的增加，基础桩体的极限承载力变化特征如图7所示。
图7 不同降雨条件下的极限承载力变化曲线
基础桩体极限承载力随着降雨入渗时间的增加而逐渐减少，当降雨时间为0天时，基础桩体极限承载力为1920.0kN；
当降雨时间为7天时，降雨入渗深度达到基础埋深的60%（距基础表面约为4.20m），基础桩体极限承载力为1610.0kN，降低了16.15%。因此抗拔桩极限承载力减少量与降雨入渗深度有关，在一定降雨入渗深度范围内，降雨入渗深度越大，抗拔桩极限承载力数值衰减速度越快。
数值模拟与现场试验对比结果表明，建立的数值模型能较好地反映上拔荷载与上拔位移之间的关系；
当上拔荷载小于比例界限值600kN时，土体重度增加对基础抗拔性能的影响大于基质吸力减少作用的影响；
当上拔荷载大于比例界限值600kN时，土体重度增加对基础抗拔性能的影响小于基质吸力减少作用的影响；
抗拔桩极限承载力与降雨入渗深度有关，当降雨入渗深度越大时，抗拔桩极限承载力减少速度越大。
