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1、黄土地区全掏挖基础施工适宜性分析一以河南某特高压输电线路为例贾宁北京国电华北电力工程有限公司,北京,摘要全掏挖施工是人工在地基中直接拘挖出基础形状,插入钢筋笼、灌入混凝土形成基础的一种施工方法采用全构挖可以充分利用原状土的强度,减少对地表植被的破坏。通过实地调查当地水窖、窑洞及附近线路基础 的处理方法,结合数值分析,分析了晋东南一南阳一荆门特高压线路河南黄土地段采用全拘挖的适宜性。结果表明,在河南马兰黄土中采用全构挖有一定的安全度,可以采用。关健词输电线路特高压杆塔基础全构挖黄土即,一帕一引言全掏挖基础避免大开挖后再填土,不扰动原状土的天然结构强度,基础承受上拔荷载时,原状土的强度可以得到充分
2、发挥,抗拔承载力较大。另外,这种基础型式对地表植被的破坏较小,有较好的经济和环境效益。根据以往线路工程的统计,由于各线路地质条件不同,采用全掏挖基础比常规台阶式基础节约钢材和混凝土分别在一和一之间。本文以晋东南一南阳一荆州特高压交流输电线路河南段为例,首先分析了黄土的工程性状,通过野外调查,结合数值分析,讨论了全掏挖基础在河南黄土地段的适宜性。塔基黄土工程性状晋东南一南阳一荆州特高压交流输电线路工程一塔位位于河南省北部。该段位于黄土丘陵区,区内冲沟发育,地形条件复杂。地面标高一般在一之间。根据湿陷性黄土地区建筑规范一 幻,该塔位属于湿陷性黄土工程地质分区的区河南地区,年增刊第期工程劫察“以触犯
3、,众以肠阴吨网向遗限”耳该区黄土层厚度一般为一,湿陷性黄土层厚度一般为一,低阶地湿陷系数戈平均值为。该段分布的地层为马兰黄土,浅黄、褐黄色,稍湿一湿,土质较均匀,含虫孔,含少量白色钙质条纹,含少量钙质结核。和压力下黄土湿陷系数,及自重湿陷系数统计见表。黄土湿陷系数和自孟湿陷系数统计表表湿湿湿陷系数, ,自重湿陷系数廿最最大值值最最小值值平平均值值统统计个数数根据湿陷性黄土地区建筑规范计算,自重湿陷量。为一湿陷量计算值为一。结合当地的建筑经验,综合判定为非自重湿陷场地,湿陷性黄土地基的湿陷等级为级。野外调查据调查,在河南省沁阳市和恨师市塔位附近,当地居民在马兰黄土中挖有储水窖目前大多废弃。储水窖
4、开口直径一般为,深一,底宽一,经过巧年的时间目前未见明显坍塌现象。在河南僵师一带,现在仍存在地下窑洞。窑洞院井宽,长伽,深约一巧。窑洞开口宽度约一,高约。这些黄土窑洞历经多年,只有院井边墙产生少量坍塌,窑洞洞体仍然可供人们居住。附近有一条线路与本线路大致平行,据调查,该线路基础型式采用全掏挖基础,基础扩大段角度约为“,施工时,井壁稳定。数位分析计算摸型为了研究全掏挖基坑在掏挖时的稳定性及基坑变形规律,下面采用数值模拟方法研究基坑开挖后井壁的应力、变形和安全系数。黄土采用摩尔一库仑弹塑性模型。摩尔一库仑屈服函数为、曰月嘴八口曰尹,、声了、关一合叮一告,“一恤尹一、一告。一合。一尹一尹合一一合。一
5、一必”式中,五、人和人为三个屈服函数,试、。和。为三个主有效应力,。为粘聚力,毋为内摩擦角。在摩尔一库仑模型中,若采用相关流动法则求取塑性应变速率,将会夸大剪胀作用,所以除了屈服函数外,还引入了三个塑性势函数年刊第期工程劫察,阳拍。介以肠棺响,咖遥翻即州砧告一告。“一班合叮一卜合叮告试一告。一尹尹式中,俨为剪胀角,当内摩擦角尹大于时,俨价一,当内摩擦角尹小于时,尹取。根据弹塑性理论,总应变率可表示为弹性应变率和塑性应变率之和,即它它它式中和毛为总应变和总应变速率,扩和犷为弹性应变和弹性应变率,和砂为塑性应变和塑性应变率。把虎克定律代入式,进一步可表示为 。,一一。住一,根据弹塑性理论,塑性应变
6、率正交于塑性势函数曲面,即妙玺 日叮式中兄为塑性系数,对完全弹性阶段,兄为零,在塑性阶段,兄为一正值。对于两个塑性势函数交接处尖角的处理,采用。,等提出的急转跳跃算法。由于地下水埋深较大,所以计算时不考虑地下水的作用。为了研究基坑井壁的安全性,定义井壁安全系数为口。价件口。件式中,凡为安全系数和尹为计算时输入的土体实际强度参数和尹为折减后的强度参数,该强度参数为基坑维持平衡状态所需的最小参数。实际计算时,粘聚力和内摩擦角尹的正切值同步减小,即尹件二艺泪可,式中,艺泪丫,为累计的折减系数。佗厂在计算过程中逐步加大,当土体产生破坏时,艺峡厂即为所求的安全系数。基坑变形及安系数典型全掏挖基础直柱直径
7、为,扩大端直径为,直柱长度,为,扩大段长度为,扩大端高度为见图。图全掏挖基础示意图年刊第期工程劫察用叨细。介以肠棺喊卿咖遗幽用杯叮”根据土工试验结果以及当地建筑经验,结合工程地质手册,计算选取组参数,见表。马兰黄土的力学参数表组组组地层层层厚厚容重重压缩模量量粘聚力内摩擦角角泊松比比号号号号号扩卜尹。 计算模型采用结点轴对称模型。实际全掏挖完成后,基坑的边界条件可以看做是半无限空间,而数值计算时,边界只能取有限长度。在边界的选定上,为了不影响基坑的变形和稳定性,又能保持一定的计算精度,通过试算确定模型右侧边界取倍扩大端半径,基底以下深度取倍扩大端半径。计算模型见图。边界左右两侧设水平位移约束,
8、底部设水平和垂直位移约束。模型共剖分个单元,个结点,个应力点。模型单元剖分见图。竿对称轴 鼓马兰黄土,杯杯二二乃马兰黄土中密水平位移约束水平和垂直位 移约束髓髓髓髓司司藻藻藻藻藻藻 夕夕入理理理理理理 反反反反反反一一价劝 个可入刃刃刃刃刃刃 队队卜力 入加 诊诊勺人甘甘 劝、图计算模型图模型单位剖分图基坑开挖后,主应力方向见图。从图看出,基坑开挖后,大小主应力方向发生明显的偏转。对于基坑底部附近的土体,大主应力方向由开挖前的垂直方向,转向接近于水平方向。对于扩大端顶部的土体,大主应力方向由开挖前的垂直方向,转向接近于平行于开挖面方向。右侧倍基础扩大端以外土体,主应力方向及大小与开挖前相比,未
9、发生明显的变化,说明基坑开挖对地基土体原始应力场的影响范围有限,本文所选计算边界合理。 八流仁仁仁仁仁仁仁仁仁 限限毓麒黔茸育育育育育育育育育育育育育育育育育育育育育育一门门厂匀匀匀卜月甲叫旧闭 ,目目目甲甲二卫匕几几飞飞州州州 馆兮 七七七门门丝洲洲洲洲工工工门门下任任匡匡匡尸尸尸尸尸尸尸尸 仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁仁口口口口口口口口口口口卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 习习厂厂厂厂厂已已节节门门口口口压压土土土土土土土土土土土土月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月月汀汀汀汀渊渊一一一一一一一一一一一刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃产产一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一州州州厂厂
10、日日日了尸,一, , , , , , , , ,声声亡二二抓抓抓抓抓抓抓抓 不不月月工工工 二二曰曰曰曰曰曰口口 习习口口】爪爪曰曰,【 卿卿护护担担 目目吐门门门门门厂厂口口巴巴巴巴巴巴巴门门门门门门门门门门门门斗斗门门门门门门门门门门门门正牙牙才矛撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇撇尸尸尸尸 二二二二二二一一一一一一一一一 厂厂厂厂厂厂厂卫卫全局局部放大图主应力方向第组参数年增刊第期工程勘察妙“用反细叻纪众姗晚,如遥命门峨”城将基坑周边土体的主应力图放大后见图。从图看出,扩大端上方最大主应力方向偏转后,形成明显的拱形。由于图左侧边界为对称轴,所以实际的应力拱为为一个半球壳形,正是此半球壳形的应
11、力拱将基础扩大端上侧土体的 自重传到基础底面以下的土体中,从而保持了基坑壁的稳定。基础开挖后,塑性点分布见图。从图看出,基坑开挖后塑性点主要分布在基坑扩大段的脚趾部位。另外,扩大段顶部以及扩大段底部有拉应力出现。对第组参数的马兰黄土来说,塑性点和拉应力点分布的范围有限,因此基坑开挖后,基坑坑壁是稳定的。沙留山份“。 马兰黄土,稍密密 断塑艳 气厂 一一、阅缈缈, ,吸油护 昭护护 马马兰黄土,中密密 广广。以心心 一、 份 器身、霖黔黔互祖留攫写留距离对称轴距离图塑性点分布图第组参数基础开挖后,地基土竖向位移云图见图。从图看出,基础扩大段顶部的竖向位移最大。基坑底部有明显的卸载回弹产生,最大回
12、弹出现在基坑的中心。在第组参数条件下,基坑底部最大回弹量为。需要指出的是,由于基坑的开挖有一个时间过程,因此在开挖过程中,地基的垂直位移已经产生,而不是在基坑开挖完成才产生。基础开挖后,水平向位移云图见图。从图看出,基础扩大段顶部的水平向位移最大。基坑底部表层有少量径 向向外位移,底部以下土体有径向位内的位移。同垂直位移相比,水平位移明显小于竖向位移。同样需要指出的是,由于基坑的开挖有一个时间过程,因此在开挖过程中,基坑的水平向位移已经产生,而不是在基坑开挖完成才开始产生。马兰黄土,稍密 州 民了州田“价 中。马兰黄土,稍密 几乓一州田卿一一一中。马兰黄土,中密 产州 厂。 州田胜 中二“粤马
13、兰黄土,中密 行匕叼民二一州田。萨 中褪留攫写留礴任袍留攫写留一 一一一,一一二,一一,一一,一一岛,一一一一一一一一一一一招一一距离对称轴距离距离对称轴距离图竖向位移等值线单位图水平向位移等值单位给定的组参数下,基坑扩大段最大竖向位移及安全系数见表。年增刊第期工程勘察即招血肠卿纯,而遏月限”,基坑扩大段最大竖向位移及安全系数表组组号号扩大段最大竖向位移朋安全系数数计算结果显示,当基坑的安全系数较大时,扩大段竖向位移明显增大。扩大角大小的影晌上述计算过程中,基础扩大段角度为“。角度,即。后见图,安全系数列于表。扩大段的竖向位移较小,当安全系数接近时,若考虑将基础扩大段角度加到与附近相同的下 仪
14、仪马兰黄土,卜卜蕊一二马兰黄土中密日 日 对称轴水平位移约束水平和垂直位 移约束图基础角度扩大到。后的基础形状不同扩大段角度对应的安全系数表组组号号安全系数数增加加百百百百百百百百百百百百百百百百百百百分比扩扩扩大段角度。扩大段角度“从表看出,基础扩大段角度增加后,基坑的安全系数增加小于,但基坑的开挖量和基础的混凝土量比扩大前增加。堆土荷的影晌前面的分析计算中,未考虑掏挖堆土的影响。下面研究掏挖施工期堆土对基坑稳定性的影响。基坑的体积。为两个圆柱体和段和一个圆台体段体积之和。则。的计算公式为二二二,二份,犯,“、假定基坑开挖后地基土以梯形断面堆于基坑周围如图。假定堆土的高度为,顶宽为,内外坡角
15、均为夕,内坡脚距基坑对称轴的距离为。则梯形堆土环的体积为年增刊第期工程劫察妙“以触细月介时肠,翻咖如遥翻即州呼号减。“” ”,。“,取堆土的最初可松性系数为,则有气假定堆土坡角夕为“,堆土高度 为,坡脚距对称轴的距离分别为和。通过式试算得到坡顶高度分别为和。根据最初可松性系数为,则堆土的容重为原状土的倍,从而得到有限元法计算时的堆土的容重。一一“基基坑二二对称轴图基坑开挖期间堆土情况考虑堆土后的基坑扩大段最大位移与安全系数见表。扩大段最大位移与安全系数表表组组号不考虑堆土作用用考虑堆土作用用距距距距坑边距坑边扩扩扩大段最大大安全全扩大段最大大安全全扩大段最大大安全全 竖竖竖向位移系数数竖向位移系数数竖向位移系数数从表看出,当堆土距基坑边为时,基坑安全系数与不考虑堆土作用相比,减小左右,影响较大当堆土距基坑边为时,安全系数减小左右。考虑到施工方便,根据经验,建议堆土距离坑边距离大于。结论及建议塔位所处黄土地段为非 自重湿陷场地,地基土的湿陷等级为级。基坑开挖后,扩大端上方最大主应力方向偏转,形成半球壳形的应力拱,从而将基础扩年增刊第期工程勘察,触翻。交以肠棺喊护如遥月叮咖大端上方土体
