朱曉虎 殷 敏 肖俊俊 杜 偉
(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,合肥 230071;2.安徽華電工程咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)有限公司,合肥230022)
在我國(guó)“西電東輸”工程中,存在著大量輸電線(xiàn)路需要穿越沙漠地區(qū),沙土的性狀較為松散,作為輸電線(xiàn)路桿塔基礎(chǔ)的地基土體在外荷載的作用下易發(fā)生變形,而輸電線(xiàn)路桿塔在外荷載作用下的抗變形措施可采用錨板斜拉[1],明確錨板在上拔過(guò)程中土體的變形破壞形態(tài)是合理確定錨板極限承載力的重要前提.一般情況下,在對(duì)沙漠地區(qū)桿塔基礎(chǔ)進(jìn)行施工時(shí),需先對(duì)場(chǎng)地地基一定范圍內(nèi)的沙土進(jìn)行加固,以提高地基的承載力,目前常采用水泥對(duì)沙土地基進(jìn)行加固[2-3].此外,國(guó)內(nèi)外對(duì)承受水平和豎直荷載的錨板進(jìn)行了大量研究,提出了不同的地基土破壞模式和錨板承載力的計(jì)算方法.例如Murray和Geddes[4]基于試驗(yàn)研究了不同形狀錨板、不同埋深等因素對(duì)承載力的影響;丁佩民等[1]開(kāi)展了砂土中的模型錨板上拔試驗(yàn),研究了砂土密實(shí)度、錨板埋深、錨板幾何形狀、上拔的傾斜角度對(duì)錨板承載力的影響.胡宏[5]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)分析了上拔過(guò)程中水平條形錨板的承載力、錨板周?chē)巴恋募M了試驗(yàn)過(guò)程,進(jìn)一步討論了錨板承載力特性的演化過(guò)程.張昕[6]等采用數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)對(duì)不同密實(shí)度砂土中錨板在上拔過(guò)程中周?chē)馏w的變形場(chǎng)進(jìn)行了研究,并建立了錨板承載力力學(xué)模型.
上述研究主要集中在水平和豎直荷載作用下錨板的應(yīng)力變形情況.實(shí)際工程應(yīng)用中,根據(jù)使用類(lèi)型和荷載方向,經(jīng)常需要傾斜埋設(shè)錨板,并且對(duì)于承受傾斜上拔的錨板研究,也有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究.例如,Merifield等[7]應(yīng)用極限分析和位移有限元分析方法,對(duì)不排水粘土中傾斜錨板的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià).劉君等[8]通過(guò)三維彈塑性有限元方法研究了均質(zhì)飽和黏土中圓形錨板的承載力,探討了埋深和上拔傾角對(duì)錨板承載力的影響并給出了承載力的簡(jiǎn)單計(jì)算公式.但是目前在這方面的研究還不夠深入,在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,確定地錨承載力時(shí)通常假定錨板周邊土體沿直線(xiàn)破裂面發(fā)生破壞[9].事實(shí)上,研究表明抗拔錨板的極限承載力與破裂面的形狀密切相關(guān),破裂面的形狀并不能簡(jiǎn)單的假定為直線(xiàn)或曲線(xiàn)形[10].
本文結(jié)合輸電線(xiàn)路施工中常采用的板式拉線(xiàn)地錨,通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn),測(cè)得水泥加固后風(fēng)積沙試樣的物理力學(xué)參數(shù);在此基礎(chǔ)上,開(kāi)展數(shù)值模擬研究,分析該類(lèi)地錨極限承載力和錨板周邊土體的破壞形態(tài),對(duì)于認(rèn)識(shí)沙漠地區(qū)加固風(fēng)積沙場(chǎng)地傾斜錨板在外荷載作用下的變形破壞機(jī)理及量化分析其極限承載力具有重要的理論意義.
參考文獻(xiàn)[2-3] 的關(guān)于沙漠地區(qū)水泥固化風(fēng)積沙物理力學(xué)性質(zhì)研究的相關(guān)成果,采用水泥對(duì)新疆地區(qū)風(fēng)積沙(密度1.55 g/m3、含水率1.7%、孔隙比0.98,其級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示)進(jìn)行加固,加固試樣的具體制備過(guò)程如下:
1)取風(fēng)積沙1 000 g備用.
圖1 天然風(fēng)積沙級(jí)配曲線(xiàn)
2)取準(zhǔn)備好的水泥、純凈水、風(fēng)積沙,將30 g水泥與風(fēng)積沙進(jìn)行混合并攪拌均勻,再加入40 g純凈水,混合攪拌,制成水泥與風(fēng)積沙的混合散粒料,并置于塑料桶中用保鮮膜封存1 d.
3)將水泥與風(fēng)積沙的混合散粒料取出,置于內(nèi)徑為3.19 cm的制樣器中,按試樣高度(8 cm)分3層擊實(shí),制成直徑為3.19 cm、高為8 cm的圓柱體試樣,共16個(gè).
試樣的三軸壓縮試驗(yàn)在TSZ系列全自動(dòng)三軸儀上進(jìn)行.具體加載控制參數(shù)為:圍壓的施加采用荷載控制,以50 k Pa/s的加載速率加載到設(shè)定的圍壓值;此后,軸向加載采用位移控制的方式進(jìn)行,以0.08 mm/s的加載速率壓縮試樣至破壞.
三軸測(cè)試獲得不同圍壓下沙土固化試樣的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(每個(gè)圍壓4個(gè)試樣,通過(guò)取平均的方式獲得不同圍壓下峰值抗壓強(qiáng)度),如圖2所示.根據(jù)不同圍壓下試樣的峰值抗壓強(qiáng)度繪制莫爾應(yīng)力圓及其公切線(xiàn),求得測(cè)試試樣的內(nèi)摩擦角和凝聚力,風(fēng)積沙加固試樣的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.
圖2 試樣在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
表1 風(fēng)積沙加固試樣的強(qiáng)度與變形參數(shù)
從表1可以看出,1 000 g風(fēng)積沙摻入30 g水泥,與40 g純凈水?dāng)嚢韬笾瞥傻脑嚇涌梢詫L(fēng)積沙的凝聚力從0 k Pa提升至43 k Pa,說(shuō)明采用水泥作為膠凝材料對(duì)風(fēng)積沙的加固效果良好.
在輸電線(xiàn)路工程中常采用的地錨形式包括木質(zhì)地錨、鋼板式地錨、重力式地錨和立式樁地錨.其中鋼板式地錨為定型加工,施工方便,應(yīng)用較為廣泛,其埋設(shè)方法如圖3所示.
圖3 鋼板地錨示意圖
以往類(lèi)似工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,鋼板地錨在斜向上45°荷載作用下的變形破壞主要表現(xiàn)為地錨附近土體在斜向上45°荷載作用過(guò)程中出現(xiàn)局部的塑性變形,并逐漸累積而形成貫穿的滑移面,最終導(dǎo)致土體發(fā)生整體破壞.本文采用數(shù)值模擬方法,主要研究地錨在斜向上45°荷載作用下的承載性能及破壞模式.
在斜向上45°荷載的作用下,地錨結(jié)構(gòu)周?chē)膸r土體首先經(jīng)歷線(xiàn)彈性階段直至達(dá)到屈服階段,屈服后的巖土體會(huì)發(fā)生塑性變形,甚至發(fā)生破壞,因此,采用彈塑性理論來(lái)分析地錨周?chē)鷰r土體的變形破壞情況.地錨結(jié)構(gòu)則與周邊巖土體大不相同,由于地錨結(jié)構(gòu)是采用鋼材加工而成,其物理力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)大于巖土體,通常情況下,在外荷載的作用下鋼材只會(huì)發(fā)生彈性變形,而不會(huì)發(fā)生屈服破壞,因此采用彈性理論對(duì)地錨結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行分析.地錨結(jié)構(gòu)在外荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生一定程度的位移,在此過(guò)程中,作用于地錨結(jié)構(gòu)上的荷載會(huì)通過(guò)地錨結(jié)構(gòu)與周邊巖土體的接觸面將荷載傳遞給周邊土體,并且地錨結(jié)構(gòu)及其周邊巖土體主要通過(guò)摩擦作用傳遞荷載,而在接觸面上產(chǎn)生的摩擦力與切向變形、法向變形之間呈線(xiàn)彈性關(guān)系,所以采用無(wú)厚度的接觸面力學(xué)模型對(duì)接觸面的應(yīng)力變形情況進(jìn)行分析.
2.2.1 三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型的建立
三維數(shù)值網(wǎng)格模型采用ANSYS建立,隨后采用接口程序?qū)⒛P蛯?dǎo)入有限元差分軟件FLAC3D進(jìn)行計(jì)算.
根據(jù)鋼板地錨示意圖(如圖4所示)中地錨結(jié)構(gòu)的尺寸建立地錨數(shù)值網(wǎng)格模型,并確定合適的地基范圍.模型的總尺寸為長(zhǎng)13.6 m,寬12.5 m,高8.7 m;其中回填風(fēng)積沙的尺寸為長(zhǎng)2 m、寬0.8 m、深度3 m(見(jiàn)圖5);回填風(fēng)積沙四周和下方6m的范圍內(nèi)為加固的風(fēng)積沙.地錨結(jié)構(gòu)與其周邊巖土體的單元采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行劃分,地錨結(jié)構(gòu)與地基巖土體之間的接觸面采用無(wú)厚度的接觸面單元進(jìn)行模擬;根據(jù)土體與地錨結(jié)構(gòu)之間的距離,采用從密到疏的方式劃分網(wǎng)格,地錨數(shù)值網(wǎng)格模型共劃分292 619個(gè)單元,243 675個(gè)節(jié)點(diǎn)(如圖5所示).
圖4 地錨尺寸圖
圖5 模型尺寸圖
2.2.2 計(jì)算參數(shù)
根據(jù)上文室內(nèi)三軸試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,結(jié)合相關(guān)的工程資料確定原狀風(fēng)積沙及加固后風(fēng)積沙的物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表2).
表2 加固前后風(fēng)積沙物理力學(xué)參數(shù)
采用工程類(lèi)比的方法,確定地錨鋼板的彈性模量E為210 GPa、泊松比μ為0.33,鋼絲繩彈性模量E為110 GPa、泊松比μ取0.33;錨板與風(fēng)積沙及水泥加固后的風(fēng)積沙接觸面的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3.
表3 接觸面物理力學(xué)參數(shù)
2.2.3 材料本構(gòu)模型及屈服準(zhǔn)則的選取
根據(jù)圖2可知,水泥加固后的風(fēng)積沙在加載壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)形態(tài)表現(xiàn)出明顯的峰前強(qiáng)化與峰后軟化的特征.隨著圍壓的增大,雖然應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)峰后下降段逐漸變得不明顯,但在整個(gè)過(guò)程中峰前強(qiáng)化和峰后軟化的特征仍然可以體現(xiàn)出來(lái).因此,地錨周邊加固風(fēng)積沙的本構(gòu)關(guān)系選擇具有明顯峰前強(qiáng)化與峰后軟化的應(yīng)變強(qiáng)化軟化彈塑性本構(gòu)模型.通過(guò)FLAC3D軟件二次開(kāi)發(fā),將圖2所表達(dá)的典型應(yīng)變強(qiáng)化與軟化特征嵌入到軟件中,進(jìn)行上拔過(guò)程中錨板的變形破壞分析.具體地,采用FLAC3D中的FISH語(yǔ)言,對(duì)加固風(fēng)積沙的本構(gòu)模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),基于此計(jì)算獲得200 kPa圍壓下加固風(fēng)積沙試件壓縮過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(數(shù)值試驗(yàn)),其與室內(nèi)壓縮試驗(yàn)獲得的結(jié)果對(duì)比如圖6所示.
圖6 二次開(kāi)發(fā)獲得的加固沙土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖(圍壓200 kPa)
從圖6中可以看出,二次開(kāi)發(fā)獲得的本構(gòu)模型能夠很好地再現(xiàn)試驗(yàn)獲得的加固風(fēng)積沙應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.地錨結(jié)構(gòu)采用鋼板材料,在其受斜向上的荷載作用過(guò)程中始終處于彈性狀態(tài),其本構(gòu)模型選取彈性本構(gòu)模型.地錨結(jié)構(gòu)在斜向上45°荷載作用下,其周?chē)鼗馏w會(huì)發(fā)生不同程度的塑性變形,在該過(guò)程中地基土體可能出現(xiàn)張拉破壞和剪切破壞,本次計(jì)算過(guò)程中采用的屈服準(zhǔn)則應(yīng)能同時(shí)體現(xiàn)出張拉破壞和剪切破壞,因此選擇Mohr-Columb屈服準(zhǔn)則與張拉破壞相結(jié)合的復(fù)合準(zhǔn)則,作為地基土體的屈服準(zhǔn)則.2.2.4 邊界條件及加載方式
根據(jù)斜向荷載作用下地錨結(jié)構(gòu)受力特征,設(shè)置數(shù)值網(wǎng)格模型(見(jiàn)圖5)的4個(gè)側(cè)面及底面均采用法向約束,模型上表面為自由邊界.
計(jì)算過(guò)程中,選取地錨結(jié)構(gòu)中U型環(huán)截面上的節(jié)點(diǎn)(如圖7所示),通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)施加節(jié)點(diǎn)力的方式對(duì)地錨進(jìn)行逐級(jí)加載直至地錨周邊土體發(fā)生破壞,荷載的方向與水平方向的夾角為45°(工程中常設(shè)置的錨板上拔方向),每一級(jí)荷載的大小為20 k N.
圖7 模型荷載施加情況
2.3.1 地錨結(jié)構(gòu)及土體Q-S曲線(xiàn)
荷載位移曲線(xiàn)是描述外荷載作用下基礎(chǔ)變形破壞特征最直觀的表現(xiàn)方式之一,工程中常把荷載位移曲線(xiàn)獲取的基礎(chǔ)抗拔承載力作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù).本文通過(guò)運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)鋼板地錨的斜向上拔過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,根據(jù)地錨結(jié)構(gòu)以及周?chē)馏w監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖8~9所示)的位移監(jiān)測(cè)值,繪制出地錨結(jié)構(gòu)和土體在Z方向的荷載-移曲線(xiàn)(如圖10所示).
圖8 剖面位置圖
圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖
由圖10可以看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的荷載位移曲線(xiàn)變化整體表現(xiàn)出“先緩變后陡變”的趨勢(shì).當(dāng)?shù)劐^所承受的荷載較小時(shí)(小于40 k N時(shí)),土體和地錨二者位移均較小,且隨荷載的逐級(jí)施加基本呈線(xiàn)性變化,荷載位移曲線(xiàn)近似成直線(xiàn);隨著荷載的繼續(xù)增加,土體和地錨的荷載位移曲線(xiàn)斜率都逐漸變大,位移的增加幅度均變大.
圖10 地錨結(jié)構(gòu)及土體的荷載位移曲線(xiàn)
在整個(gè)上拔過(guò)程中,由于A點(diǎn)處的土體位于地錨上方,使得土體處于壓縮狀態(tài),錨板與土體二者同時(shí)運(yùn)動(dòng),其荷載位移曲線(xiàn)重合.隨著荷載的逐漸增大,B、C點(diǎn)處的土體和地錨位移增長(zhǎng)出現(xiàn)差別,土體和地錨之間出現(xiàn)相對(duì)位移,當(dāng)荷載達(dá)到比例極限2.0×105N之后,隨著荷載的繼續(xù)增加,地錨的位移量相對(duì)于同一點(diǎn)處的土體位移量要顯著的多(如圖10(b)、(c)所示),且差距不斷增大,這表明地錨與周邊的土體脫離,在這些區(qū)域的土體已經(jīng)發(fā)生剪切破壞.一些學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)鋼板地錨及其周邊土體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),錨板在上拔過(guò)程中板前后側(cè)土體均會(huì)發(fā)生局部剪切破壞[11].當(dāng)荷載繼續(xù)增大,超過(guò)2.4×105N時(shí),土體的位移急劇增加,此時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處的土體位移達(dá)到7.3 cm,土體逐漸喪失承載能力.
2.3.2 塑性區(qū)分析
在數(shù)值模擬的過(guò)程中采用逐級(jí)加載的方式對(duì)鋼板地錨施加荷載,每級(jí)荷載為2×104N,共12級(jí),現(xiàn)取1.2×105N、1.6×105N、2.0×105N和2.4×105N荷載作用下塑性區(qū)分布圖(如圖11所示)進(jìn)行分析.由圖11可知,作用在地錨結(jié)構(gòu)上的荷載較小時(shí),土體中產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍較小,主要集中在地錨結(jié)構(gòu)的下方和左上方(見(jiàn)圖11(a)、(b));隨著荷載增加,土體中塑性區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大,當(dāng)荷載達(dá)到2.0×105N時(shí),位于地錨結(jié)構(gòu)左上方的塑性區(qū)逐漸向上部土體擴(kuò)展,塑性區(qū)局部貫通至地表,同時(shí)右上方也出現(xiàn)了局部的塑性區(qū)(見(jiàn)圖11(c));隨著荷載的繼續(xù)增加,當(dāng)荷載達(dá)到2.4×105N時(shí),地錨結(jié)構(gòu)右上方塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展貫通(見(jiàn)圖11(d)),結(jié)合Q-S曲線(xiàn)和塑性區(qū)綜合判斷,此時(shí)土體喪失承載能力,地錨結(jié)構(gòu)失效.
圖11 不同荷載作用下塑性區(qū)分布圖
2.3.3 地基滑動(dòng)面分析
參照相關(guān)文獻(xiàn),確定在外荷載作用下地基土體發(fā)生破壞后其滑動(dòng)面位置的判斷準(zhǔn)則如下[12-14]:地基土體在荷載作用下發(fā)生破壞后,滑動(dòng)面上下土體的位移會(huì)產(chǎn)生明顯的分界面,且上部土體位移較大,下部土體位移較小.上述條件為判斷地錨結(jié)構(gòu)地基土體是否處于極限狀態(tài)的充分條件,通過(guò)觀察滑動(dòng)面附近地基土體的位移變化情況,分析其顯著程度,可以判別地基土體是否處于極限平衡狀態(tài),進(jìn)而獲得滑動(dòng)面的位置、范圍.錨板基礎(chǔ)土體在斜向上拔荷載作用下會(huì)發(fā)生塑性破壞,通過(guò)觀察地基土體的塑性區(qū)分布是否連續(xù)貫通,是判斷地基土體是否處于極限平衡狀態(tài)的必要條件.
一般而言,不同巖土材料,由于其本身的物理力學(xué)性質(zhì)存在著差異,在發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載和位移值并不一致,如文獻(xiàn)[15] 通過(guò)模型試驗(yàn)觀測(cè)錨板的上拔過(guò)程,當(dāng)荷載值達(dá)到極限時(shí),最大位移量為0.75 mm,但對(duì)不同密實(shí)度的土體,其結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生差異[6].本文結(jié)合上述數(shù)值模擬獲得的塑性區(qū)的發(fā)展情況,在出現(xiàn)塑性區(qū)的范圍內(nèi)搜索位移矢量趨向基本相同、位移量值相等的位移界面,通過(guò)搜索找到位移矢量圖中位移為10 mm的等位移界面位移矢量趨勢(shì)相同,并將該界面確定為滑動(dòng)面.依據(jù)上述滑動(dòng)面的確定方法,在可以確定不同加載階段地基土體位移矢量圖中滑動(dòng)面的擴(kuò)展過(guò)程(見(jiàn)圖12中各級(jí)荷載下白線(xiàn)所描述的滑動(dòng)面).
圖12 不同荷載作用下總位移矢量與滑動(dòng)面擴(kuò)展過(guò)程
由圖12(d)可知,土體的位移矢量方向與荷載施加方向基本一致,極限狀態(tài)下滑動(dòng)面呈現(xiàn)開(kāi)口向上的“斜喇叭口形狀”延展至地面.根據(jù)圖12(d)獲得的滑動(dòng)面形態(tài),“斜喇叭口形狀”地表開(kāi)口寬度為1.94 m,錨板埋深為3 m,地表喇叭口寬度與錨板埋深的比值為0.647(1.94/3=0.647).
通過(guò)本文的研究,獲得的主要結(jié)論如下:
1)在本文所研究的風(fēng)積沙中摻入其質(zhì)量3%的水泥,與其質(zhì)量4%的水?dāng)嚢韬笾瞥傻募庸田L(fēng)積沙,較加固前,內(nèi)摩擦角幾乎不變,凝聚力從0 kPa提升至43 kPa,抗剪強(qiáng)度有大幅提高,表明加固效果良好.
2)通過(guò)對(duì)地錨結(jié)構(gòu)及土體荷載位移曲線(xiàn)分析可知,荷載位移曲線(xiàn)呈“先緩變后陡變”的趨勢(shì).
3)對(duì)鋼板地錨結(jié)構(gòu)地基土體的塑性區(qū)進(jìn)行分析表明,施加荷載初期,地錨周?chē)馏w產(chǎn)生了較小范圍的塑性區(qū),主要分布在地錨結(jié)構(gòu)的左側(cè)和下方;當(dāng)荷載達(dá)到比例極限時(shí),地錨結(jié)構(gòu)左側(cè)和上部的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展;隨著荷載的進(jìn)一步增大,塑性區(qū)的范圍顯著擴(kuò)大,并逐漸貫通至地表,土體喪失承載能力.
4)通過(guò)對(duì)地錨結(jié)構(gòu)地基土體的總體位移矢量圖以及滑動(dòng)面進(jìn)行分析可知,土體的位移矢量方向與荷載的施加方向基本一致.當(dāng)施加的荷載較小時(shí),錨板下方的土體出現(xiàn)局部張拉破壞;隨著荷載的逐漸增加,破壞面逐漸向上方和右側(cè)延伸,形成向上的“斜喇叭口形狀”,而并非直線(xiàn),與文獻(xiàn)[6,15] 的研究結(jié)果一致.
5)本文的錨板的埋置深度為3 m是文獻(xiàn)[6,15] 的錨板埋深0.5 m的6倍,上拔過(guò)程中形成完整滑動(dòng)面的位移值10 mm比文獻(xiàn)[15] 0.75 mm大得多,這主要是由于錨板上拔過(guò)程中周邊土體極限狀態(tài)下的累積位移隨埋深增大而增大所致.