粘性土中输电线路板柱基础的设计方法

摘要

本发明涉及一种粘性土中输电线路板柱基础的设计方法，它包括S1：确定当次运算的埋深和底部宽度，计算基础深宽比；S2：计算土体的抗剪强度，并进一步计算得到基础深宽比限值；S3：基于基础深宽比和基础深宽比限值，计算得到中间参数α和β，其中中间参数α取值小于等于1；S4：基于参数β，计算得到破坏因子；S5：基于破坏因子、土体的抗剪强度、底板面积、土体重度、埋深和板柱基础自重，计算得到抗拔承载力；S6：比较抗拔承载力和上拔荷载；并进行有限元分析。本发明所述方法可靠合理，计算结果精确，提高了输电线路板柱基础设计的安全性和经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及的是一种输电线路在粘性土中设计板柱基础的精确计算方法。

背景技术

输电铁塔基础作为输电线路的重要组成部分，其工程造价、施工工期和人力消耗在整个线路工程中占很大比重。板柱基础是最常用的一种线路铁塔基础型式之一，广泛应用于国内外线路工程。

埋深和底板宽度是板柱基础设计中的重要参数，其直接决定了基础的抗拔承载力的大小。目前，我国电力行业标准《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T 5219(以下简称为《技术规程》)、美国《IEEE Guide for Transmission Structure Foundation Designand Testing》(IEEE Std 691)和欧盟《Overhead electrical lines exceeding AC 1kV》(EN 50341)等规范中普遍采用“土重法”来计算板柱基础抗拔承载力。“土重法”假定：基础在上拔极限荷载作用时，基础底板上部土体会产生锥形破裂面，锥形的斜面角度取决于土体特性且为定值，板柱基础的抗拔承载力等于基础底板上部一定上拔角度范围内的锥形土体和基础的自重。然而，在粘性土板柱基础抗拔真型试验结果发现：板柱基础深埋时，土体在上拔极限状态下并不存在“土重法”假定的破裂面。因此“土重法”理论并不能完整描述土体在上拔作用时的破坏模式。

目前，不同规范对粘性土土体特性的划分标准不一，基础的上拔角取值为经验性取值，且误差范围较大，未能定量准确反映土体强度特征。另外“土重法”还不考虑回填土抗剪强度和粘聚力，因此计算结果偏差大，浅埋基础偏于保守，深埋基础偏于危险，现行工程实施中只有常采用预留较大安全系数来解决板柱基础在粘性土中的抗拔设计安全问题，从而造成人力和物力消耗过大，工程造价偏高。

通过试验发现，板柱基础上拔作用时，抗拔承载破坏模式与锚板抗拔模型的“破坏因子理论”比较吻合。但是基于锚板抗拔模型的“破坏因子理论”计算公式(以下简称原计算方法)无法直接适用于输电线路基础抗拔设计。原国外学者计算公式有极大局限性：(1)原计算方法基于锚板在饱和粘土的上拔试验数据推导，上述理论是否适用于大尺度的输电线路板柱基础，需要板柱基础真型试验和有限元数据的验证；(2)原计算方法的中间参数没给出计算方法，只能通过图形量取，使用不方便；(3)锚板上拔试验用的土体为饱和粘性土，强度采用不排水抗剪强度C_u，但是在输电线路板柱基础土体为回填土，土体为非饱和粘性土，不存在不排水抗剪强度C_u。目前输电线路工程中通常采用土体的粘聚力c、内摩擦角表征强度。原计算方法并没有给出采用土体的粘聚力c、内摩擦角等参数进行计算，从而得到板柱基础设计所需的抗拔承载力、埋深和底板宽度。

基于上述情况，迫切需要研究提出一种更加合理和可靠的输电铁塔在粘性土中设计板柱基础的精确计算方法。使计算结果与真型试验情况更加吻合，进一步提高输电线路板柱基础设计的安全性和经济性。

发明内容

本发明的目的在于克服了《技术规程》中板柱基础承载力计算方法的不足，基于破坏因子理论，以现场试验、大量有限元分析数据为支撑，提出一种更加合理和可靠的输电铁塔在粘性土中设计板柱基础的精确计算方法。

本发明的目的之一在于提供一种粘性土中输电线路板柱基础的设计方法，包括采集土体的地质参数和计算板柱基础的基本参数，所述设计方法还包括

S1：确定当次运算的埋深和底部宽度，计算基础深宽比；

S2：计算土体的抗剪强度，并进一步计算得到基础深宽比限值；

S3：基于基础深宽比和基础深宽比限值，计算得到中间参数α和β，其中中间参数α取值小于等于1；

S4：基于参数β，计算得到破坏因子；

S5：基于破坏因子、土体的抗剪强度、底板面积、土体重度、埋深和板柱基础自重，计算得到抗拔承载力；

S6：比较抗拔承载力和上拔荷载；当抗拔承载力大于上拔荷载时，停止运算；当抗拔承载力小于等于上拔荷载时，若中间参数α小于1，则将当次运算使用的基础埋深值增大(可取50mm为计算增量步)作为下次运算的埋深，重复步S1到S6，若α等于1，则将当次运算使用的底板宽度增大50mm作为下次运算的底板宽度，重复S1到S6，直到抗拔承载力大于上拔荷载后停止运算；

停止运算后，板柱基础的抗拔承载力、埋深和底板宽度的取值确定。

进一步地，所述土体的抗剪强度通过公式(1)计算得到：

其中，C_ueq为土体的抗剪强度，ξ为系数，c为土体的粘聚力，γ为土体重度，H₀为埋深，为内摩擦角。

进一步地，所述系数ξ通过公式(2)得到

ξ＝0.091(H/B)+0.14 (2)，

其中，B为底板宽度。

进一步地，所述基础深宽比限值可通过公式(3)计算得到

(H/B)_cr＝0.107C_ueq+2.5>

其中，(H/B)_cr为基础深宽比限值，

当公式(3)的计算值小于7时，(H/B)_cr取实际计算值，

当公式(3)的计算值大于等于7时，(H/B)_cr取数值7。

进一步地，所述中间参数α通过公式(4)计算得到

当公式(4)的计算结果小于1时，α取计算值，则中间参数β通过公式(5)计算得到

β＝-1.05α²+2.1α>

当公式(4)的计算结果大于等于1时，α取数值1，则中间参数β＝1。

进一步地，所述破坏因子通过公式(6)计算得到

其中，N_c为破坏因子，为破坏因子限值。

进一步地，所述抗拔承载力通过公式(7)计算得到，

Q_u＝N_cC_ueqA+γHA+W_f>

其中，Q_u为抗拔承载力，A为底板面积，W_f为板柱基础自重。

本发明的目的还在于提供一种粘性土中输电线路的板柱基础，所述板柱基础是通过前述方法设计得到的。

本发明的有益效果：

本发明所述的设计方法首次提出了综合考虑土体的粘聚力、内摩擦角等土体参数来计算得到抗剪强度，该计算方法还可以进一步定量计算不同土体参数对抗拔承载力的影响，揭示板柱基础的多种破坏模式。

由于真型试验测试成本高，耗时长，因此在试验和理论分析的基础上往往采用有限单元法进行复杂结构的补充受力分析。本发明在少量真型试验的基础上提取参数，然后采用有限元软件建模并展开数值分析，大量节省了板柱基础的设计开发成本。

通过本发明所述设计方法得到的板柱基础安全性能搞，工程造价低，本发明所述设计方法可广泛应用于输电线路在粘性土中的板柱基础设计中。

附图说明

图1为本发明板柱基础的结构示意图；

图2为本发明板柱基础设计方法的流程图；

图3为本发明系数ξ随板柱基础深宽比的影响曲线示意图；

图4为本发明中间参数α和β的影响曲线示意图；

图5为时本发明板柱基础在上拔作用下的破坏模式示意图；

图6为时本发明板柱基础在上拔作用下的破坏模式示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过和具体实施对本发明作进一步的详细描述。同时通过说明，本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如图1所示，埋深H和底板宽度B是板柱基础的重要设计参数，直接决定着地面上铁塔的安全性能，而埋深H和底板宽度B的取值直接决定了抗拔承载力Q_u，只有当抗拔承载力Q_u大于上拔荷载T时，铁塔的安全性能才能得到保障，此时计算得到的埋深H和底板宽度B即最佳设计值。

如图2所示，在设计板柱基础时，应先采集土体的地质参数，包括土体的粘聚力c、内摩擦角地基下压承载力N_u和土体重度γ；并通过铁塔计算确定板柱基础承受的上拔荷载T和下压荷载N，其中下压荷载N作用于基础底板。然后再根据以下步骤进行设计：

S1：确定当次运算的埋深和底部宽度，计算基础深宽比。

在进行第一次运算时，根据《技术规程》计算方法，通过满足基底应力(下压荷载N除以底板面积A)大于地基下压承载力N_u的要求，确定最小基础底板面积A和最小底板宽度B_min，一般可按照50mm为模数取整确定底边宽度B的初始值B₀(单位为mm)。假定埋深H的初始值H₀为2000mm。重复运算中，根据条件公式确定埋深H或者底板宽度B的取值。

第一次运算时，基础深宽比(H/B)＝(H₀/B₀)。之后的重复运算中，基础深宽比(H/B)是基于当次的埋深H和底板宽度B的取值而计算得到的。

S2：计算得到土体的抗剪强度C_ueq，并进一步计算得到基础深宽比限值(H/B)_cr。

在本发明中，所述土体的抗剪强度C_ueq可通过公式(1)计算得到：

其中，系数ξ通过公式(2)得到

ξ＝0.091(H/B)+0.14 (2)，

图3为系数ξ随板柱基础深宽比的影响曲线示意图，根据真型试验数据建模后进行有限元分析，得到拟合曲线，从而推导出公式(2)。

在本发明中，所述基础深宽比限值(H/B)_cr通过公式(3)计算得到

(H/B)_cr＝0.107C_ueq+2.5>

当公式(3)的计算值小于7时，(H/B)_cr取计算实际值，

当公式(3)的计算值大于等于7时，(H/B)_cr取数值7。

S4：基于基础深宽比和基础深宽比限值，计算得到中间参数α和β。

在本发明中，所述中间参数α通过公式(4)计算得到

其中公式(4)计算确定的α应小于等于1.0，即当公式(4)计算值不超过1.0时，α取实际计算值；当公式(4)计算值大于1时，α取1.0。

图4为本发明中间参数α和β的影响曲线示意图，根据已知数据得到拟合曲线，从而推导出中间参数β的计算方法：

当中间参数α<1时，中间参数β通过公式(5)计算得到

β＝-1.05α²+2.1α>

当中间参数α＝1时，中间参数β＝1。

S5：基于参数β，计算得到破坏因子N_c。

在本发明中，所述破坏因子N_c通过公式(6)计算得到

其中，为破坏因子限值，取值为9。

根据图4可知，当中间参数α<1时，则中间参数β<1。根据公式(6)计算，则此时，如图5所示(浅埋板柱基础)，板柱基础在极限荷载作用下，基础周围土体出现明显的滑裂面，滑裂面形态由基础埋深很浅时的柱面逐渐发展成曲面状。而当β＝1时，此时，如图6所示(深埋板柱基础)，基础埋深超过临界埋深，基础周围土体并没有出现明显的贯通破裂面，而是在基础底板周围出现明显的塑性剪切应变区。

S6：比较抗拔承载力Q_u和上拔荷载T；当抗拔承载力Q_u大于上拔荷载T时，停止运算；当抗拔承载力Q_u小于等于上拔荷载T时，若中间参数α小于1，则将当次运算使用埋深H增大(可取50mm为增量步)作为下次运算的埋深，重复步S1到S6，若α等于1，则将当次运算使用的底板宽度B增大(可取50mm为增量步)作为下次运算的底板宽度，重复S1到S6，直到抗拔承载力Q_u大于上拔荷载T后停止运算；

此时，板柱基础的抗拔承载力Q_u、埋深H和底板宽度B均可确定。

在本发明中，所述抗拔承载力Q_u通过公式(7)计算得到，

Q_u＝N_cC_ueqA+γHA+W_f>

其中，底板面积A＝B²，W_f为板柱基础自重。

实施例1

以某典型耐张塔的板柱基础设计为例，塔基处持力层为典型可塑土体，土体的特性如下表1所示：

表1：土体特性

根据本发明所述设计方法和《技术规定》(2014)规定方法，分别计算板柱基础的埋深H和底板宽度B，并进一步计算得到混凝土方量，对比结果如表2所示：

表2：不同设计方法计算所得混凝土量对比

由表2可知，在上述地质条件下，相对于传统计算方法，采用本实施例提供的计算方法，一个板柱基础平均节省混凝土量约4.03m³，一基铁塔可节约方量约16.12m³，混凝土量可节约14.9％。考虑材料，加工，运输和安装费用，基础综合造价均有大幅降低。若新建1000公里输电线路，每公里2.2基杆塔，考虑50％的杆塔使用板柱基础，相对传统的计算方法，采用本实施例进行设计，基础混凝土量可节省约17732m³，降低工程成本约4433万元。