地面堆载下高压电塔变形失稳原因数值分析

谷任国，詹立贵，房营光

华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641

我国软土分布广泛，主要分布在沿海地带及平原低洼、沼泽地区[1]。软土具有含水率高、孔隙比大、抗剪强度低和灵敏度高的特性[2]。当软土地区高压输电塔受邻近堆填土机械行走、碾压扰动时，软土结构会被破坏、强度迅速降低，使堆填土荷载下高灵敏性软土层产生较大的侧移[3]，引起塔基变形甚至破坏，从而影响上部结构的正常使用[4]。

目前，研究堆载对邻近桩基的影响主要有现场勘测、模型试验、理论分析和数值分析等方法，尤其数值分析的方法采用最多[5−8]。郑明新等[9]借助Abaqus 采用扩展的Drucker-Prager 模型模拟分析了路堤填筑荷载作用下深厚软基桥桩的变形行为。陆培毅等[10]借助Plaxis3D 采用HSS 本构模型分析软土地区堆载下盾构隧道的变形特性，发现其与采用MC 本构模型相比，计算结果与实测值更吻合。郑楷柱等[11]借助Midas GTS 建立考虑桩–土效应的平面应变有限元模型，分析了填土施工对邻近桥梁桩基的影响。谷任国等[12]运用Abaqus 分析了隧道开挖对既有高压铁塔的安全影响。然而邻近堆载对于高压输电塔变形影响的数值模拟研究鲜有报道。在有限元分析中，材料参数的合理选取会影响计算结果的可靠性。材料参数通常依据室内实验来获取，但软土的高灵敏特性使得室内实验原状土参数与原位土体参数存在差异[13]。因此，大面积堆土作用引起的软基变形问题值得进一步探讨。

本文针对深厚软基邻近堆土施工引发高压铁塔变形破坏的工程实例，采用Abaqus 有限元软件进行三维仿真模拟，考虑了软土的高灵敏度特性，分析了堆载作用下的塔基变形机理，为类似工程提供参考。

1 工程实例

已建的某220 kV 输电线#4 塔和#3 塔位于广州市南沙区，且#3 塔位于#4 塔北面约30 m 处。该区域属于珠江三角洲平原，水网密布，河流纵横[14]。铁塔周边分布有小河塘、河涌和河流等，其中河涌宽约9 m，水深约1 m；河流宽约35 m，岸边缘深度约1 m，如图1 所示。根据已有设计资料，2 座输电塔结构均为角钢塔，塔高46 m，塔基由4 根直径为1 m 的钻孔灌注桩组成单桩基础，桩全长33 m，其中地下31.5 m、地上1.5 m，桩与桩之间无地梁连接，如图2 所示。塔地基土主要有杂填土、淤泥、粉砂、中风化花岗岩等地层。

图1 铁塔周边环境示意

图2 高压电塔设计图

2017 年6 月，铁塔周边进行堆填土施工。直至7 月，#4 塔基础破坏严重，桩顶发生明显大的侧向位移，上部塔身偏斜、弯扭幅度大，塔身整体倾斜、扭曲，变形严重。如图3 所示。7 月1 日—7 月29 日，#4 塔桩基的水平位移变化如图4 所示。图4 中T1、T2、T3、T4 表示桩基编号，对应位置见图1。

图3 塔基偏移过大、塔身过度弯曲现象

图4 #4 塔桩基顶端水平位移随时间的变化

2 三维数值模拟

2.1 计算模型

根据设计资料及现场周边环境， 采用Abaqus 有限元软件建立三维有限元分析模型，其计算尺寸(长×宽×高)为350 m × 350 m × 100 m。模型底部进行全自由度约束，侧面进行法向位移约束。土体模型采用六面体实体单元模拟，铁塔和桩基模型采用梁单元模拟，如图5 所示。

图5 三维有限元分析模型

2.2 计算参数

经现场踏勘，地表分布有一层厚约20 m 的淤泥层，属高灵敏土，在外力扰动作用下，土的原有结构强度会进行重塑。因此，在三维模拟分析中，需对堆土扰动范围内高灵敏软土采取强度折减，其原理见文献[15−17]的相关论述，根据电塔变形实测数据反演，强度折减系数可取2.5。根据勘察资料，结合室内土工试验分析，各地层的计算参数建议取值如表1 所示(表中括号内为根据灵敏度调整后的材料参数)，强度折减区域如图5(a)所示。在材料本构模型中，岩土取莫尔库伦模型，桩基取混凝土损伤塑性模型，钢结构取线弹性模型。

表1 材料参数

2.3 计算工况

计算工况与现场实际相一致以获得准确的三维动态模拟，从而得到可靠的模拟计算结果。现场堆土荷载区域根据堆土高度的不同划分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区(如图1 所示)，Ⅰ区堆土平均厚度1.6 m，Ⅱ区堆土厚度由桩基附近由0 m 向西线性增加到1.6 m，Ⅲ区堆土平均厚度为1.0 m。模拟计算工况分为2 种，工况0：初始地应力场分析；工况1：施加堆土荷载（堆填土重度取18.0 kN·m−3）。

3 塔基变形原因数值分析

图6为1.6 m 后堆土荷载作用下土层位移云图。从图6 中可知，土层最大水平位移为49.23 cm，发生在#4 塔附近受堆土荷载影响的淤泥浅层。

图6 堆载下土层水平位移云图

图7 和图8 列出了施加堆土荷载作用下不同位置桩基的水平位移随深度的变化，水平位移为负表示倾向东面的位移。从图7 和图8 中可知，堆填土施工阶段邻近铁塔桩基发生了不同程度的水平位移。#3 塔基中，最大水平位移为8.10 cm，发生在3-2 号桩；#4 塔基中，最大水平位移为41.90 cm，发生在4-2 号桩。现场塔基破坏后，7 月1 日—7 月29 日的#3 塔和#4 塔塔基水平位移监测结果表明，#3 塔由于地基淤泥夹砂层较厚，受堆土荷载的影响较小，故#3 塔塔基位移较小，最大累计约4 mm；而#4 塔由于地基淤泥层深厚，最厚处约20 m，塔基位移受堆土荷载的影响极大，加之邻近有一临空坡面，故#4 塔塔基位移由西向东增加，最大达到65 mm。

图7 #3 塔桩基水平位移图（X 轴正方向表示向西方向）

图8 #4 塔桩基水平位移图（X 轴正方向表示向西方向）

在#4 塔周边的新近堆土施工过程中，地层水平位移变化情况如图9 所示。模拟结果显示堆载前#4 塔位移矢量颜色为蓝色，即位移较小；而堆载后，#4 塔位移矢量颜色变为红色和绿色，位移大大增加。在堆土荷载作用下，#4 塔桩基附近土层的水平位移量达到了46 cm；浅层淤泥发生了剪切破坏、流动，桩顶水平位移达42 cm，过大位移导致了塔基的破坏，数值分析结果中土层和桩基变形、倾斜方向与现场踏勘结果相符，如图10所示。

图9 #4 塔堆土作用前后位移矢量图对比

图10 #4 塔塔基数值模拟结果与现场踏勘结果

而#3 塔填土荷载对塔基产生的附加应力较小，同时浅层淤泥扰动区域也离#3 塔较远，故#3 塔处附近浅层淤泥层未扰动；且#3 塔处基岩面浅，塔基桩嵌岩深度较深，同时#3 塔地基淤泥夹砂层较厚，砂层相对淤泥层能提供更大的侧阻力，故#3 塔塔基位移较小，处于稳定状态。

4 结论

本文根据设计资料和铁塔周边环境，采用Abaqus 有限元分析软件建立某#3 和#4 高压电塔的三维仿真模型，合理选取岩土计算参数，较准确地分析了在堆载作用下#3 和#4 高压电塔的变形及受力情况。得到主要结论如下：

1）在堆土荷载作用下，地层最大水平位移为49.23 cm，#3 塔塔基最大水平位移为8.10 cm，#4 塔塔基最大水平位移为41.90 cm。数值分析结果与现场踏勘结果相符，验证了数值模型的合理性。

2）在地面堆土扰动作用下，高灵敏淤泥土的原有结构被破坏、强度降低，在堆载作用下淤泥土更易向临空面发生剪切滑移、流动，产生更大的变形，以致塔基失稳。

3）对于塔基的变形破坏，归因是堆载过大还是强度降低导致地层产生过大变形的问题，尚无明确的结论，有待于进一步研究论证。