根式基础透明土模型与数值模拟受力特性_陈思良.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 根式基础透明土模型与数值模拟受力特性陈思良，黄雪峰，袁俊，张君，梁雪岚（重庆交通大学河海学院，重庆 ；兰州理工大学土木工程学院，兰州 ；陆军勤务学院军事设施工程系，重庆 ；中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，西安 ；青海送变电工程有限公司，西宁 ；国网青海省电力公司建设公司，西宁 ）摘要：为研究根式基础在电塔基础上的受力特性，采用透明土与粒子图像测速（，）技术，分析种根式基础受上拔、水平荷载时的荷载位移（）关系曲线，以及极限荷载条件下透明土的位移矢量变化，通过数值模拟探究不同根键长度对基础承载力的影响。结果表明：相同工况下，单层根式基础竖向抗拔承载性高于双层根式基础，但单层根式基础抗水平承载性低于双层根式基础。根键竖向间距为 双层根式基础位移矢量图显示，位移较大区域符合经典摩尔库仑理论中的剪切破坏理论。数值模拟结果显示，双层根键竖向布置间距范围为 倍基础直径、根键长度为 时，抗拔承载性能较优。关键词：根式基础；透明土；位移矢量；数值模拟中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，；，；，；，）：，（）（），：；收稿日期：基金项目：国网青海省电力公司科技项目（）第一作者：陈思良（），男，硕士研究生，主要研究方向为地基处理、桩基设计通信作者：黄雪峰，教授，主要研究方向为特殊土与非饱和土、黄土湿陷性、桩基工程等，近年来，电网的安全运行日益受到极端恶劣天气和突发灾害的威胁，容易导致电塔基础受损破坏。目前，主要的电塔基础型式为大开挖基础中的型钢混凝土板式基础、装配式基础和原状土基础中的型钢混凝土掏挖基础、型钢混凝土人工掏挖桩基础。除大开挖装配式基础外，其余基础均需现场浇筑混凝土，用型钢桁架代替钢筋，与普通现浇混凝土基础基本一致，显然混凝土养护龄期对抢修工期的要求并未得到显著提高。现有基础布置和传力形式较为复杂，当基础作用力较大时，随着基础埋深的增大，构件数量和重量增加，给运输及现场作业带来困难。根式基础作为异形变截面基础，可以有效增加基础与土体接触面积，同时有效减少构件重量及数量，很好地利用了土中 国 科 技 论 文第 卷体的原状性，可提高承载性能。孙砚等、殷永高等对根式基础在厚覆盖层地质条件下，特殊根键层数的承载性能做了部分研究，结果表明，布置根键能大幅提高基础承载性能。张吉禄等在齐昌广等、赵红华等对透明土室内模型试验的研究基础上，利用 技术对根键桩的变形特征做了较为清晰的研究。根式基础利用在电塔基础上可以有效解决传统型式基础体积大、运输困难的问题，同时采用现有的早强混凝土技术 来替代普通混凝土，可以降低材料成本并缩短工期。本文利用透明土室内模型试验来研究根式基础作为电塔基础在承载性能上的可行性，参考文献 ，选择具有代表性的种根式基础，分别施加竖向上拔荷载和水平荷载，分析根式基础的受力特性。采用 有限元模拟 得出的位移云图与根式基础抗拔试验位移场变化规律对比，同时模拟分析模型试验未探究的根键长度对抗拔承载特性的影响。透明土室内模型试验概况 试验材料透明土作为一种新型材料，是室内模型试验中很好的 研究 载体。目 前，国 内外 最 常 采 用 的 模 拟“土”颗粒的透明固体材料为无定形二氧化硅和熔融石英砂。本次试验选用熔融石英砂作为模拟土“骨架”材料，选用折射率与熔融石英砂一致且不易发生化学反应的孔隙液，同时为了后期观测方便需要满足无色透明的条件，综合考虑选用 白油与正十二烷按照体积比为 进行配制。为了尽可能减小材料表面激光散射造成的试验误差，采用目前广泛应用的熔融沉积式 打印技术制作模型桩，选取可降解的聚乳酸（，）卷材作为 打印材料。试验所用模型槽为长方体透明有机玻璃槽，考虑到玻璃槽的边界约束会对土体位移的发展造成不良影响，因此选取模型槽宽度大于 倍基础直径，高度为倍基础埋深。平面尺寸为 ，高度为 ，壁厚为，部分材料及模型如图所示。图试验材料与模型 试验设备由于试验模型尺寸较小，因此本试验采用定滑轮组传动的方式进行加载，在无光环境中操作，如图所示。该加载系统由防震加载台、定滑轮、涂有润滑油的尼龙线、砝码盘等组成。尼龙线连接砝码盘，另一端连接到根式基础顶部预留孔位置，添加砝码进行加载试验。试验过程中尼龙线始终与根式基础中心线重合，保证装置几何中心受荷。图室内模型试验加载示意图 试验模型基础设计及制作考虑电塔基础主要受上拔、水平荷载作用，本文研究的基础型式简单，在节省材料的同时满足承载性的要求。现场足尺试验拟采用埋深、基础直径 的型式，分别选取层根键和层根键的布置形式。参照文献 ，种根式基础均采用单层根根键对称布置，根键外伸长度均为，截面尺寸为 ，实际工程中可采用掏挖的方式进行施工。为了较为清晰地观测上拔及水平加载过程中基础周围土体位移场的变化情况，进行室内模型试验。本次室内试验采取 缩尺的方式进行，主要研究根式基础在竖向上拔及水平荷载作用下的承载特性。选用模型基础直径为，有效长度为，根键外伸长度为，截面尺寸为，如表和图所示。表根式基础参数 编号基础类型基础直径（）根键距基础底面的距离（）第一层第二层埋深（）根式基础 根式基础 根式基础 加载及试验方法 架空 输 电 线 路 基 础 设 计 技 术 规 程（）规定极限荷载上拔量取值为 ，本试验缩尺比例为，因此对于极限上拔量可取值为 。考虑试验干扰因素的影响，小数量值不便计量，本试验规定位移达时取作极限荷载。试验采用逐级加载的方式进行，根据根式基础的预试验结果，竖向上拔极限荷载为，水平极限荷载为。每级上拔荷载值第期陈思良，等：根式基础透明土模型与数值模拟受力特性图根式基础模型试验示意图 为预估极限荷载的，即上拔荷载为 ；水平荷载为极限荷载的，即 。具体操作步骤如下：）各试验装置安装完成后，采用 （可以实时记录的高速工业相机）记录初始散斑场；）按照各级荷载值施加荷载，考虑初始加载与重力平衡，可适当增加初始加载值；）加载结束后，按、，之后每隔 ，观测百分表读数，记录散斑场，进行下一级加载。内连续次读数差值小于 时，即可认为当前加载达到稳定状态，开始下一级加载；当某级加载后基础整体快速上拔或水平倾斜、周围土体被破坏、基础顶部竖向或水平位移达 时即可终止加载。上拔试验加载装置如图所示。图上拔试验加载装置 透明土室内模型试验结果分析 竖向上拔曲线对比分析种根式基础在同一竖向上拔试验条件下的荷载与位移（）曲线如图所示。可知：种根式基础承载力整体变化趋势相似；加载初期，随着荷载的增加，位移呈现缓慢增长的趋势；加载到 时，位移急剧增大。根式基础与根式基础对比，上拔承载力几乎同步变化，后者的极限承载力（）比前者（）提高了，说明增加根键层间距可以提高基础的竖向上拔承载力。根式基础、与根式基础对比，根式基础、的承载力明显低于根式图竖向上拔曲线 基础，这是因为浅层土体较深层土体土压力小，根键布置较浅时，上覆土压力较小，竖向上拔过程中提供的反力小，根据摩尔库仑理论，抗剪强度也相对较小，上层根键附近土体先行破坏，进而使靠近底部的根键承载力降低，基础极限承载力降低。水平加载曲线对比分析种根式基础在同一水平荷载试验条件下的曲线如图所示。可知：种根式基础承载力整体变化趋势相似，但水平方向极限荷载明显不同。根式基础抵抗水平力的能力明显低于根式基础、，这是由于土体压缩区域径向影响范围内的黏聚力及摩擦力随深度的增加而逐渐减小，根据荷载从基础顶图水平加载曲线 中 国 科 技 论 文第 卷部开始向下部传递的规律，水平荷载随深度的增加而减小，因此根式基础在抵抗水平力时可能发生转动导致基础失稳发生“倾覆”现象。说明单层根键控制水平方向位移能力不及双层根键。相同荷载作用下，根式基础的位移整体小于根式基础，说明对于浅基础而言，根键层间距越小，对水平位移的控制作用越明显。结合竖向上拔及水平加载分析，一定埋深范围内，根式基础埋置相对越深，承载力越大，同时，工程中应保证根键埋深在 范围内。仅考虑竖向上拔荷载，根式基础为最优基础型式；而工程应用中还需要考虑水平受荷的情况，水平荷载作用下最优基础型式则为根式基础。基于 的根式基础周围土体位移场分析为了研究极限荷载情况下根式基础周围熔融石英砂位移场分布情况，分别选取各根式基础极限荷载时的位移散斑场进行分析。利用 软件对加载前后的任一点像素位置进行追踪，确定某一时段内模拟的透明土颗粒移动轨迹，分别选定种根式基础初始加载与竖向极限荷载和水平极限荷载时的位移矢量图像。竖向上拔极限荷载位移场分析根式基础竖向上拔极限荷载位移矢量图像如图所示。可以看出，种根式基础周围石英砂位移场最大处均位于根键附近位置，说明根键对基础受竖向上拔荷载产生了抵抗力。根式基础的根键正上方土体有横向向外扩散的趋势，这是因为上部土体压缩性较小，此外，基础周围土体受基础上拔力作用发生向上运动的趋势；根式基础上层根键附近位移场较大，这是因为靠近加载端根键先产生抵抗力，而上层土体重力较小，不足以抵抗所施加的荷载；根式基础根键位置靠近基础底部，此处应力较大且压缩性大，在上拔过程中，根键能承担大部分上拔荷载，因此，根键正上方试验液面下部土体位移场较根式基础、更小。因此，单层根键埋置较深，土体扰动小，对竖向上拔位移控制效果明显；据荷载传递规律，上层根键先于下层根键受力，因此上层根键位置位移场较大。相同极限荷载时，增大根键竖向层间距可以减小基础周围土体位移量，提高抗拔承载性能。图根式基础竖向上拔极限荷载位移矢量图像 水平加载极限荷载位移场分析选择背离水平加载侧土体位移场作为研究对象，根式基础水平加载极限荷载位移矢量图像如图所示。可以看出，与根式基础相比，根式基础、的位移场不明显。水平极限荷载情况下，由于基础整体埋深较浅，产生的水平抵抗力有限。根式基础根键上方土体有部分斜向上的位移，说明根键对水平荷载有抵抗作用；根式基础根键处位移与加载方向一致，土体位移场不明显，产生的水平抵抗力效果不如根式基础，据荷载传递规律，上层根键位置较根式基础靠上，此处土重力小，产生的抵抗力小；根式基础上半部分和根键位置均产生较大位移，基础上部侧摩阻力发挥作用，在抵抗水平力的同时发生了“倾覆”现象，说明根键位置设置在靠基础底面抵抗水平力作用来不及发挥就发生了倒转，因此双层根式基础抵抗水平作用力的能力强于单层根式基础。综上所述，根据位移矢量图像并结合土力学进行分析，极限荷载条件下根式基础位移较大区域呈“倒三角”分布，符合摩尔库仑经典理论中的剪切破坏理论，剪切破裂面与水平方向夹角即土体内摩擦角（）。说明根键对基础抵抗水平和竖向荷载均第期陈思良，等：根式基础透明土模型与数值模拟受力特性图根式基础水平加载极限荷载位移矢量图像 有较好的作用，理论上适合用作电塔基础。结合曲线规律及工程实际，考虑将根式基础作为最优基础型式。有限元分析 有限元模型的建立目前，有限元分析作为一种辅助技术手段，在不方便进行现场足尺试验时能很好地模拟现场各种工况，在非线性问题分析方面有突出优势。本文选择 有限元软件分析根式基础的上拔承载特性变化情况。本文 将基础 定义 为线 弹性模 型，土 体 设置 为 弹塑性材料，结合文献，考虑塑性区影响范围，土体模型选用 倍根式基础直径，倍基础高度，具体参数见表。定义基础土接触为面接触，各向同性的切向行为，采取“罚”方式接触，摩擦系数选用经验公式得出的值（），法向选用各向同性的硬接触。考虑土体自重应力的影响，应用位移控制法施加竖直向上的荷载，模型网格划分如图所示。表有限元模型参数 名称密度（）深度弹性模量 泊松比本构模型基础 土体 数值模拟结果验证模拟与试验曲线对比如图 所示。可见，数值模拟与模型试验曲线发展趋势有较高的吻合度，说明本文所选参数建立的有限元分析能够较图模型网格划分 图 模拟与试验曲线对比 为准确地反映根式基础的承载性能。极限荷载根式基础位移云图如图 所示。可以看出，在设定的极限荷载条件下，基础顶部位移达 时，根键远端位移为 ，说明根键对上拔荷载产生了抵抗力且与基础连接部位弯矩最大。极限荷载根式基础周围土体位移云图如图 所示。可以看出，根键附近土体位移最大，符合图的位