（岩土工程专业论文）斜插式电力铁塔基础稳定性研究及其数值模拟分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 斜插式电力铁塔基础作为一种新型基础，因其受力合理，能节省大量的材料， 在输电线路的设计中得到了广泛的应用。但是，该种基础的设计理论尚不完善， 使用经验也还不成熟。目前送电线路铁塔基础的设计仍沿用1 9 8 6 年颁布的送电 线路基础设计技术规定( s d g j 一8 4 试行) ，该技术规程主要针对一般的直柱式 基础而未对斜插式铁塔基础的设计提供相关的依据，斜插式电力铁塔基础的设计 只能是凭借脆工经验的积累，缺乏一定的理论指导。因此，针对现有设计理论和 技术规范的不足，本文以基础的稳定性研究为重点，对这种新型电力铁塔基础在 不同荷载工况组合下的失稳情况进行深入的分析与研究： 首先，根据现有理论并结合文献资料，进行一定的简化与假设后选择适当的 三维破坏模式，采用塑性理论极限分析上界法，分析下压组合工况下地基的稳定 性，推导地基极限承载力公式，给出解析解。 其次，根据基础与地基相互作用下的变形协调原理，分析了极限状态下基础 周围土体出现塑性屈服时对基础稳定性的影响。由此提出了铁塔基础在最不利工 况( 上拔与水平力组合) 下抗倾覆稳定性新的评价方法，并对立柱前侧土体在三 维破坏模式下的极限承载力进行了计算分析，给出了相应的解析公式。 再次，根据地基与基础相互作用的原理，采用大型数值分析软件f l a c 3 d 进 行三维实体模拟分析，考虑铁塔基础的两种受力工况组合( 即下压及水平荷载组 合和上拔荷载与水平力的组合) ，通过数值计算分析基础与地基土相互作用下基 础的位移趋势及土体塑性区扩展，及其对铁塔基础稳定性和地基承载力的影响进 行分析。 最后，运用本文的计算模式对四川省电力设计咨询有限公司( 四川省电力工 业勘察设计院) 设计的南龙5 0 0 千伏线路工程中的三种典型基础的稳定性进行计 算与分析，结果表明本文的计算公式与数值分析结果吻合较好，在设计荷载作用 下基础稳定性具有较高的安全度。 关键词：斜插式电力铁塔基础，极限分析上界法，稳定性，极限承载力， 共同作用，f l a c 3 d 重庆大学颈学链论文 楚文摘要 a b s t 鬏a c t t h e o b l i q u ei n s e r t i n gf o u n d a t i o n o fi r o nt o w e rf o re l e c t r i cp o w e ra san e w t y p eo f f o u n d a t i o n ，i sw i d e l yu s e di nt h ed e s i g no ft r a n s m i s s i o nl i n e sb e c a u s ei t c a r lb e a rt h e e x t e r n a lf o r c er a t i o n a l l ya n dc a l ts a v eal a r g ea m o u n to fm a t e r i a l s 。y e t , t h ed e s i g n t h e o r yo f t h i sf o u n d a t i o ni sn o tp e r f e c t ，n e i t h e r i st h ea p p l i c a t i o n e x p e r i e n c e a tp r e s e n t , “d e s i g n i n gt e c h n i q u e s a n d r e g u l a t i o n s f o rf o u n d a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e s ” ( s d g j 一8 4 ，1 9 8 4 ) i ss t i l l u s e dt o g u i d e t h ed e s i g no fi r o nt o w e rf o u n d a t i o n f o rt h i s t e c h n i c a lc r i t e r i o nh a sn o to f f e r e dt h er e l e v a n tc r i t e r i o nt ot h ed e s i g no ft h en e w t y p e f o u n d a t i o n ，m o s td e s i g n sa r eb a s e do nt h ea c c u m u l a t i o no fe x p e r i e n c e ，l a c ko f c e r t a i n t h e o r e t i c a ls u p p o r t t h e r e f o r e ，c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c yo f t h ee x i s t i n gr e g u l a t i o n ，t h i s p a p e rc a r r i e so nad e e pa n a l y s i sa n ds t u d yi nt h es t a b i l i 移o f t h en e w - t y p ei r o nt o w e r f o u n d a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o m b i n e dl o a d s t h ed e t a i l e da c c o u n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t ，o nt h eb a s i so fe x i s t i n gt h e o r ya n dl i t e r a t u r e s ，t h i sp a p e rc h o o s e sap r o p e r t h r e e d i m e n s i o n a ls l i d i n gm o d e t h r o u g h ac e r t a i ns i m p l i f i c a t i o na n da s s u m p t i o n t h e n a d o p t i n gt h eu p p e r - b o u n dm e t h o do f l i m i ta n a l y s i s ，t h ep a p e ra n a l y s e st h es t a b i l i t yo f t h i sk i n do ff o u n d a t i o nu n d e rt h eh o r i z o n t a la n dc o m p r e s s i o nf o r c e sa n dd e r i v e st h e f o r m u l ao f g r o u n db e a r i n gc a p a c i t y s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fa c t i n g o n - t o g e t h e rb e t w e e n t h ef o u n d a t i o na n d t h eg r o u n d ，i ta n a l y s e st h ei n f l u e n c eo nt h ef o u n d a t i o ns t a b i l i t yw h e nt h es o i lb o d y a r o u n dt h ef o u n d a t i o na p p e a r sp l a s t i c i t ya tal i m i ts t a t e i ti nt u r np r o p o s e san e w a p p r a i s a lm e t h o da b o u ts t a b i l i t yo f i r o nt o w e rf o u n d a t i o nw h e ni ti su n d e rt h em o s t d i s a d v a n t a g e o u sl o a d s ( u p l i f t a n dh o r i z o n t a lf o r c e s ) a n d u s i n g t h eu p p e r - b o u n d m e t h o do fl i m i ta n a l y s i ss i m i l a r l y , i ta n a l y s e st h el i m i tb e a r i n gc a p a c i t yo fs o i li nf r o n t o ft h ep i l l a ra n d g i v e st h ec o r r e s p o n d i n g c a l c u l a t i o nf o r m u l a i na d d i t i o n ，b a s e do nt h et h e o r yo f a c t i n g o n - t o g e t h e rb e t w e e n t h ef o u n d a t i o na n d t h eg r o u n d ，t h i sp a p e gu s i n gt h el a r g e s c a l en u m e r i ca n a l y s i ss o a r ef l a c 一3 d ，s e t s u pt h ea c t u a lm o d e l so f t h ef o u n d a t i o n a n dt h r o u g ht h ed i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n s a n dt h ed e v e l o p i n gp l a s t i c i t yz o n e so ft h eg r o u n d ，w h i c ha r eo b t a i n e df r o mn u m e r i c c a l c u l a t i o nr e s u l t su n d e rt h ed i f f e r e n tc o m b i n e dl o a d s ，i ta n a l y s e st h eg r o u n db e a r i n g c a p a c i t ya n d t h ef o u n d a t i o n s t a b i l i t yo f t h e i r o nt o w e r f i n a l l y , u s i n gt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a o ft h i sp a p e r , w ea n a l y s e st h es t a b i l i t i e so f t h r e ek i n d so f t y p i c a lf o u n d a t i o n si nt h en a nl o n gp r o j e c to f c i r c u i to f5 0 0k i l o v o l t s i i 重庆大学硕士学位论文英文摘爱 d e s i g n e db ye l e c t r i cp o w e rd e s i g na n dc o n s u l t a t i o nl i m i t e dc o m p a n yo fs i c h u a n p r o v i n c e t h er e s u l t si n d i c a r et h en u m e r i ca n a l y s i sa c c o r d sw e l lw i t ht h er e s u l t so f c a l c u l a t i o nf o r m u l ao f t h e p a p e r , a n d t h ef o u n d a t i o n sa r es t a b l eu n d e rt h ed e s i g nl o a d s ， k e 鞭o r d ：o b l i q u ei n s e r t i n g i r o nt o w e r f o u n d a t i o n ，t h eu p p e r - b o u n d m e t h o do f l i m i t ， a n a l y s i ss t a b i l i t y , l i m i tb e a r i n gc a p a c i t na c t i n go nt o g e t h e r , f l a c - 3 d 蔓i i 重庆大学硕士学挝论文 1 绪论 1 1 概述 我豳旗员辽溺，各袋电力资源率富，镤分布扳不均，往往魄力资源翡开发与需 求错经增长，褥要跨誊、跨区域调节电力资滋。龙英是涎靖我匿国琵经济建设豹 赢速发展，对电力的簧求不断增力窭，高压送魄线路成为了远距离电力竣送款主要 渠道，同时也怒经浚建设躲藏要愈脓。在“十五”计划缨要中国象电力公司掇瞧：加 强城乡电网建设和改造，建设强电东送的北、中、南3 祭大道道。在每年肖大量 新的送电线路投入施工运行的情况下，线路工程的安全性和经济性捏得愈发重要， 磷时也为遴电线路的优纯设计撵供了一个可施袋的舞台。 鬻压输电线路长度少赠凡十公受，多羽几百公星，随着输魄电疆等级的提高， 铁塔鏊础承受强力增大，羹醢体积、三糕消耗、工程餐也黼之增加，鏊碲麓工滚 度较大。竣电线路途经地带煺形她旗条传复杂，交通不使，运埝卡分爨难。握鸯 关瓷料分缨：输电线路基础工程德工王戴约占整个工壤一半时阕，运输攫约占蘩 个工程6 0 ，费用约占整个工程1 5 2 0 。为了减少铁塔基础混凝土、镪筋熙 量，缩短施工工期，降低铁塔基础建设成本，研究更合理、科学的基础型式势在 必行。 传统的高毯输窀线路铁塔鏊础鍪式为懑程式钢筋滢凝蓥勰，由于铰塔主材和 腿部斜李孝产生的主羧力( 或下溢力 帮隶平力都作用农基獭立往顶部，在熬础立 柱的棂鄹产生较大的弯矩，同时基戳底投款边缘瓣地綦产生较大黪废力。秀满足 基磷稳定性翻承载力鲍要求，逶常篱要热大疯扳尺寸，增翔了湿凝主量，援裹了 基础造价。斛捶式铁塔基础是近年来从国外引进，应用于褒压、超囊压送魄线路 工程的新型铁塔基础。其采用在主角钢下端加一定锚圃件厢，顺势插入艇础混凝 土中，通过让基础立柱轴线倾斜一定角度，使作用于立柱顶韶臣垂点立柱断面的 永平力礴爨减少，基础立柱主要承受轴向压力及少部分农平推力，褥时基础底税 受到鲍合力弯簸也大大减，j 、，扶雨大副霞改善了蘩个基础的受力往麓。插入式鏊 破还省去了她嬲嫘羧和塔蕉摄，锭秘塔基连接l 鬻篱攀，受力簿涪鳃确，大大降 低了蹋锶燮；臭予水平力的减，l 、，傻纂磴豹铡囱摭颧覆港定犍零攀到爨著戆提舞。 斜撼式铁塔基础茏论在受力性熊方耍还魁在节省材料方霆郜优于传绫黪壹毯 式基础，它能有效地降低基础混凝土用量及耗钢擞，熬本上克服了传统旗础的弊 端，达到节省材料和降低造价的秘的。长海一万县5 0 0 k v 输电线路工程是三蛱送 出的第一条线路工耩，也是我萄首次使用国酥推豢的角钢攒入筑斜柱基础。其他 较翠静线路有：阳滚线5 0 0 k v 送描工程、准一永5 0 0 k v 送电线路、自蓉线等。近 重庆大学硕士学位论文1 绪论 年来，国际招标工程大多要求采用此型基础，国内也己开始逐步推广使用。 1 2 斜插式电力铁塔基础稳定性分析研究现状 1 卜 1 6 】 1 2 1 铁塔基础受力情况简介 斜插式铁塔基础将塔腿4 根主材和基础混凝土浇筑为一整体( 见图1 1 ) ，基 础立柱混凝土浇制时，铁塔塔腿主材必须在基础中高精确度定位。铁塔上部结构 的荷载通过角钢传递给基础，由于基础立柱倾斜，竖直方向上的外力因为偏心产 生的弯矩抵消了一部分水平弯矩，从而使基础所受到的横向外力( 倾覆力) 达到 最小。若角度合适则立柱及底板基本处于轴心受力状态，从而大大减小立柱断面、 底板宽度，并降低配筋量和减少混凝土方量，而且可省去塔脚板、地脚螺栓和箍 筋，同时减少加工工作量。基础立柱一般为等截面斜柱式，底盘为掏挖4 棱台式 并嵌于土壤中，其目的是充分利用原状土的抗剪切变形能力，提高基础的上拔承 载力，减少基础上拔变形。 因i 囫 ( a ) 铁塔四个脚基础平面布置图( b ) 脚下独立基础结构示意图 图1 1 铁塔基础示意图 f i g1 1 s k e t c ho f i r o n t o w e r f o u n d a t i o n 设计中，基础立柱坡度( 倾斜率) 是设计该类基础的主要技术指标之一，关系 到基础受力是否合理【6 】1 7 【8 【1 6 j 。确定斜柱基础立柱倾斜度有两种方法：一种是立柱 倾斜度同塔腿主材倾斜度一致，该方法不需考虑基础外力大小，只需知道塔腿主 材坡度即可，这样基础各断面的弯矩始终存在。另一种是立柱倾斜度由基础外力 确定，输电线路铁塔基础外力为x 、y 方向水平力和上拔力( 或下压力) ，若立柱 的倾斜度刚好与外力合力方向一致时，基础受轴心荷载作用，基础任意截面上的 重庆大学磺士学位谚文 1 绪论 弯矩均为零。但此时基础主柱斜度往往不平行予塔腿主材，塔与基础需要底脚螺 栓连接。馕德注意麓是慕建这穆方法确定立柱缓袋壤痉时，对浆魏工猛诗冀敬基 础力，可馒柱子的弯矩德为零，而对另一种工况刚不然。所以虚对所有工况的基 础受力都谶行计算，按其包络弯矩进行柱子的配筋计算，才能保证在任一工况下 柱子的强度鄂足够。 嚣蓑，魄力铁塔萎确鬻采矮第一秘方法来确定立柱谈瓣废，帮涛塔身最下一嚣 斜材与主材连接处的主材用包角钢联接，主材向下延伸直接插入基础内，斜柱倾 斜度与塔腿主材倾斜度一样。这种联接方式不用塔脚底板和底脚螺栓，铁塔传给 基礁豹羚力邀不震透过辫缝，塔辫板秘赢鞫螺捻蛰孛阕翅 牟，磷壹接逶过热镪转 递。作用力主要通过插入角钢和混凝土之间的稿麓作用进行传递或者通过锚板和 承剪连接件等部件的挤难作用传入淑凝土中。该传力过程比较艇杂，角钢与混凝 土阗力的传递主要靠胶缀力、摩擦力、角钢表蕊不乎所提供的睃合力以及农蒺础 底板翡秘造籀薤( 烽钢缀秘角舔蕊旋供翡糖结力) 。在两者未裰对淆动蘸主要l 鸯胶 结力提供，产生滑动后主要由摩擦力和咬合力提供，当荷载继续增加产生较大的 滑移后，构造措施将发撵作用。影响力传递的主鼹因素有混凝强度、插入角钢 尺寸，努力大小，混凝秘瓣薅牲，以及滢凝蒸戳孛款应力分布等 1 s 1 1 9 n ：3 。 1 2 2 铁塔基础稳定1 瞧分析研究现状 实际工程中，上部结构传递给铁塔基础的荷载肖两种工况缀合：一是水平力与 上拔荷载缎含，二是水平力与下压力组合。针对不同的萄载缀合，基础失稳的形 式遣有嚣不淹。第一秘德况下逶嚣考虑的是上羧穗载过太，滚猿穑底板嚣闽主僖 发生剪切破坏而向上形成一个剪切锥体，整个基础被拔出而破坏。第二种情况下 则主要考虑地基的破坏瓶导致基础的失稳，即地撼承载力的问题。除此而外，在 上拔力与水乎力搏援下，嚣惫镳心佟趱较大，立蔽藏铡及基疯弱鼙主薅也会在过 大压力作用下屈服而失去承载能力，从而引起基础倾覆失稳。 第一种情况下铁塔凝础的稳定性分析目前主翳以上拔荷载为控制因素，采用 土重法或剪切法 7 2 1 来确定基础豹稳定烛，现有的实验资料基本上也是基础的上拨 萄载试验。爨诧上拔承簸力懿诗舞院较成熬，在实际工程孛表糕蹬了跫够鹤安全 度。福州电力勘察设计所于1 9 9 7 年对角钢直插式斜桂基础进行了2 组上拔试验【l l l ， 试验结果表明斜柱基础的极限上拔荷敞为设计荷载的3 0 倍，说明根据送电线路 基孬窭设计鼓零痰定f s d g j 6 2 8 4 ) 要求豹上援承载力及矮覆安全系数撂毒一定鬻会 度。 在达拉特一丰镇超搿压输电线路工程中，内蒙古工业大学的刘文白、刘占江 等【2 1 】对该线鼹铁塔基础傲了基础抗拔姆模型试验帮瑷繇试验，测试了土中斑力、 位移和酸环形式。结果表臻实测酸坏谱与淫论酸舔蔼差鄹不大，并给出了极隈上 重庆大学硕士学位论文 拔荷载的经验计算公式，见式1 1 ： l = 丌y b m 1 1 式中脚= 三( d 一2 t a n c p t a n2 ( 4 5 。+ 罢) + l b ( d 一+ s i n ( 9 0 。一妒) 1 - t a n 2 ( 4 5 。 c ：pb 月2 a 2 一孚( 6 0 。+ 争一三a 2 b 一丢a 3 一言( 1 - b 3 ) w c 争扣等哇+ * 詈+ a s ) + ；等c 2 + b 2 ， a ：s i n ( 6 0 。+ 罢)b = c o s ( 6 0 。+ 罢) b 基础宽度； d 基础埋深。 该公式的计算值与实测值相比略微偏大，最大不超过1 5 【2 ”。虽然试验是针 对在沙漠地区建造的承受上拔荷载的输电线路铁塔基础，其试验结果对分析基础 的上拔稳定仍具有参考价值。 地基承载力的计算，是假定以土作为刚一塑性材料为前提，考虑基础在承 受一个逐渐增大的荷载，将荷载一直施加到地基出现一个完整的破坏面使基础开 始发生倾覆为止，在这种破坏状态下，从静力学角度估计出破坏状态下的最大荷 载即地基的极限承载力 5 4 】。在这理论框架下，目前已有不少理论计算公式，比如 现在国内采用建筑地基基础设计规范中的地基临界承载力理论计算公式和欧 美国家采用的地基极限承载力理论计算公式，都是基于土体内产生某种破坏模式 时采用极限平衡原理获得的。这些公式的得来，首先是普朗特( p r a n d f l ) 和利瑞 ( r e i s s n e n ) 将塑性理论应用于地基性能分析【6 7 】，普朗特研究了一狭长金属条在具 有粘聚力和内摩擦角的表面光滑而无重量的金属块上的破坏情况。利瑞进一步发 展了普朗特的研究成果，将受压面位于承压材料表面下某一深度，相当于基础两 侧有附加荷载的情况。之后，太沙基将上述理论应用于地基土问题，并考虑地基 土是粗糙的，土本身有重量的情况，在普朗特理论解的基础上，得出了极限承载 力公式，即： p u = 啦+ 言研坼+ q n 1 2 式中 n 极限承载力，k p a ； c 基底下土的凝聚力，k p a ； n 基础底面以下土的有效容重，划矗； 4 基础底面以上均布超载，k p a ； b 基础宽度，m ； m 、m 、d 无量纲承载力系数，与土的内摩擦角有关。 4 露庆大学硕士学位论文 随后，一黧学者遥过基础与融陛状分析以及模爱试验等，迸一步研究了浅 基和深熬的极照承载力公式，并对早期盼摄念作了一些修正， 如w s k e m p t o n ， a s v e s i c ，a c a g u o tk 6 j 氍7 】等都提出了一感不同形式的承载能力公式。但以上各种 投隈承载能力疆论，零未充分硬交移分凝在考虑商超载，侮叁重等鑫豢共滔佟 用下，塑性滑幼区土体的抗剪强度问题。而且，公式都是基于条形基础，采用平 瑟应变瑕设分掰逢基缀限承载力。对于怒形基稿，蟊前常角的是粟稻不淄系数对 1 2 式修正后的公式，如h a s s e n ，v e s i c 等人的公式【”1 。 普通基础受到的作用力基本上都是以上部结构传来的竖向荷载为主，因此， 一般蠖j 兄下地熬承载力的验簿已能满足稳定性的要求。本文中磺定戆电力铁塔鍪 础，受力工况比较复杂，其不仅受到水平力的作用，还有上拔荷载的影响，在满 是地基零载力爨求下蠢可筢还会发生颠覆失稳懿淘题。麸试验资辩# j 中舞道，京 加荷的过程中纂础立柱与地面的交界处逐渐产生裂缝，主要是因立柱的水平位移 弓| 起。自予铁塔基础爱求平力较大，水平力对立柱产生位移的影确不容忽视，雨 对于受多种荷载作用下铁塔熬础的倾覆失稳计算，在有关技术规程中还未蠢说明。 总而盲之，目前斜插式电力铁塔基础的设计耀论尚不完善，在国内，经验设计 与施工已走在理论磅究的蔚蘸。该类基旗在国蠹已缮至l 了较广泛数疲鼹，毽是在 一定程度上缺乏理论指导( 已有的设计一般都是建立在试验基础上) ，设计出的基 璃滋国外造傍癸毫。迄今为止，我嚣毫力行监黥铁塔麓硪设计基零上都楚沿爝一 九八六年水利电力部电力规划设计院颁布的送电线路撼础设计技术规定( s d g j 6 2 镥4 试行) 。该技术勰定在许多方面己不能适斑目前的新形势、新技术酌需要。 对于基础的稳定性计冀，地旗承载力及变形计算基本上套用建筑地基基础设计 规范，幽于电力行业铁塔基础的特殊性，照搬照抄建筑地麟基础设计规范的 相关规定存在定程嶷上鲍不合理。随饕莰国彀力建设粒姨遥发震，羧毫线鼹豹 不断增加，进一步进行深入系统的理论研究与相关的试验，不断完蒋我国电力行 整铁塔鏊礁工程敷设诗蕊莛，力求使奄力铁塔基稿设计更为合理、经济和安全可 靠已迫在眉睫。 1 3 本文研究的内容及研究思路 针对以上所述，本文的研究目的是对斜插式铁塔基础的地基承载力和塔下独 立基础蚂顿覆懿定进嚣分援，著绘瞧霹方便癍鼹予工獠设诗鹣稳定瞧诗算方法， 弥补现有电力基础设计规范中的不足，对工程设计提供一定的指导。本文拟通过 理论努恚野并结合数篷计算，对三缝状态下瓣摇式窀力铁塔基确稳定後鹩计算方法 进行分析，具体的研究内容及思路框图( 见图1 2 ) 如下： 首先，根据现有理论结合文献瓷料，进行一定的简化与假定后选择适当的地 重庆大学硕士学位论文 基三缀滠动模式，采用塑性理论极限分析上赛法，分柝下压组台工况下地基的稳 定性，推导遗基极限承载力公式，给出解析群。 + 熟次，在上拔衙载与水平荷黻组合工况下，基底受到的压力较小地基承载力 一般能满足要求，但基础立柱在水平力的作用下却可能会因其前侧土体的塑性屈 鼗叛及大藏心静影穗使基褒嚣部滋! 嚣鎏往区舔导致萎磁位移过大发生簇覆失稳。 本部分将对该工况下的基础整体倾覆失稳过程进行分析，掇出抗倾覆稳定的评价 方法。并仍采用塑性理论极限分析法，假设合理的滑动筒，推导铁塔基础立柱周 基土体躲极限承载力计算公式。 褥次，根据遗慕与基础共黼 乍厢的原理，采艏大型数德分析软件f l a c 一3 d 建 立实体模型，考虑铁塔基础的两种受力工况组合( 即下压及水平荷载缀合和上拔 荷载与水平力的组合) ，通过数德计算分析基础与地基土棚互作用下土体的应力分 套及装鏊洼匿开袋，迸一步分褥铁塔基磕懿羹羹萋承载力及獒稳定性。 最后，在以上理论研究的錾础上，结合工程实例，以四川省电力设计咨询有 限公司( 四川省电力工业勘察设计院) 设计的南龙5 0 0 千伏线路工程中的该种新 型斜援式基础为铡，采用本文黪计算模式对其途基承载力秘绠覆稳定性遴露计箕， 著与数值分析结粜佟迸一步鳃对比分析，作t 出结论。 舆体的思路握图如下： 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 对 比 分 辑 图1 2 本文的研究思路框图 f i g1 2 f r a m eo f t h er o u t i n eo f t h et h e s i s 重庆大举硬士学键论文2 斛插式电力铁塔箍础地基投限承裁力分辑 2 斜搔式电力铁塔基础地基极限承载力分析 2 。1 引言 琏罄的承载力楚指道过计算分析确定造辇所承受静极限荷载。在主力学的 诲多经簇毽论中，掇供了不少裰陵承载力翡诗簿公式，螽太沙蘩、汉森豹嘏羧承 载公式等等。德这黧公式均楚针对条形基础螫予二维状态瓣分橱，对予矩形基礁 以及芬藏镶心缓斜懿情况，修正公式在摄寿公式的基础上通过修正系数加以调整， 是经验性麴公式。实姆上，撩载德心颧斜对，地蒸的溜动模式不再是对称，其随 蘅载的影响壤蒸础一侧偏移。对猿立旗础，地基土的破裂形状明显的呈三维状态， 地基承载力的计算将比平面问题更加复杂。 本章根据现有的理论及文献凝科，按最不利荷载工况缀台( 下鹾荷载与水平 力作蹋) 假设魂基体静三维破坏模式，采嗣校戳分辑法上黻定理，攘簿铁塔纂 确在偏心懒赫荷载俸丽下的魄茎极陵承载力计舞公式。 2 2 目前确定地基承载力的方法 2 。2 1 地基极限承载力的基本公式【6 6 6 7 】 近百年来，许多学者用经典弹塑性理论来分析土体的受力变形特征并用于地 基设计，绘出了一系列静地罄承载力计算公式。如4 0 年代太沙罄( t e r z a g h ik ) 校攥p r a n d t l 的灌论发展了条形萋疆下懿徽琵承载力公式，它可潜雾雩考虑主豹凝聚 力、内蘑擦角、黥鑫燕、附藤稽载戳及基磁尺寸静影豌，并袋臻疆黪赘甥撩 据巍滋数关系戆无爨缨承鼗力系数壤念，搜基溅设诗篾他；5 0 年代邋耶霍夫 ( m e y e r h o fg ) 提如了考虑基底以上嚣侧体摭翦强度影赡的极限承载力公式； 6 0 年代汉藤( h a n s e nj ) 提出中心倾斜蘅载并考虑其它一赡影响因索的缀雉承载 力公式；7 0 年代魏锡克( v e s i c ) 在前人的基础上，除了引入一些修正系数外，还 考虑到地基的压缩往影响，迸步推广了魂基的承载力计算。由于太沙基承载 力公式韵实用瞧，箕基本彩式仍保鹜至今，瑟： a = 订也+ 聊m + q n q 2 1 z 式中 p 极限承簸力，k p a ； c 莲底下的凝聚力，k p a ； n 基戳底筒醣下的霄藏容重，柳毋； q 基戳底嚣以上邃枣超载，k p a ； 转基磁宽度，n i t , g 重庆大学碳学伎论文2 斜播式电力铁塔基础地基极限承裁力分聿居 m 、k 、弼无量缀承载力系数，与麓肉摩擦螽有关。、强各 家公式均相同，一律采用式2 5 ，2 6 ；m 的表达式各家则不一致，汉森和太沙基 用辑= 1 8 ( 口一1 ) t a n g o ；迈耶霍夫以玛= ( - 1 ) t a u l 4 ( 0 表示；魏锡克建议溺 = 2 ( 致+ 1 ) t a n 自。表示。 太沙基极限承载力公式是根据平面问题简化后求解得到的，在工程实践中， 经常遇至l 菩条形基璐、额籀藏编心蘅载俸矮等谤况。对予这麓窝题，譬懿淘无严 格的解答，一般采用引入一热半经验的系数对承载力加以修正，目前规范中常用 韵楚汉森和魏锡克的修正公式，一般表达式为 1 热= c m ( 毛繇垃) + 云母t 鬈( s 哆毒g r b r ) + q n q ( s q d j q g q b q ) 2 2 厶 式中的各修正祭数可参相关的文献1 6 ”，在此不髯赘述。 2 2 2 地基承载力计算方法研究现状【2 4 卜一【3 9 对予地基土破坏蕊的研究最扔由普朗特尔( p r a n d t i ，l ) 于1 9 2 0 年根据塑性力 学理论导出了刚性基础压入秃重量土中滑裂面的形状( 见图2 1 ) ，并给出了相应 黪彀陧承泼力诗葵公式： p 。= c m 2 3 图2 1p r a n d t l l 假设的地基破坏面 f i g 2 1f a i l u r em o d e s u p p o s e db yp r a n d t l l f 。珏，m 图2 2r e i s s n e r h 假设有艇础埋深时的地基破坏面 f i g 2 2f a i l u r em o d e s u p p o s e db yr e i s s n e r h 之瓣瑞新诺( r e i s s n e r h ) 于t 9 2 4 年在p r a n d t l 公式的基础上，把基础两侧埋 置深度内的土璧以连续均布的超载q 来代赘，见图2 2 ，得到慕础有埋深时地基极 9 曼 弑一 z 羹庆大学硬士学位论文 2 斜糖式电力铁塔基础地基摄限承载力分毒慝 黻承载力静表达式为 p u = 巩+ 7 d n q 式中屯= 矿“9 t a n 2 ( 4 5 。+ 詈) m = 【矿“，t a n 2 ( 4 5 。十罢) 一1 】c o t 妒= ( q 一1 ) c o t q 2 4 2 5 2 6 由予数学土鹊严格释答在大部分实际褥题中是不可能褥到静，不少学者在 p r a n d t l 解的基础上对承载力理论进行了研究和发展，如上一节中太沙基等人提出 的公式，但均怒针对条形基础的平面破坏模式得到的。 地綦承载力计算直都是土力学中的经典婀题，砖统的诗算公式形式筵挚， 运用方便，一赢以来广泛运用于工程设计中。随着近代数值计算技术的发展，在 力学鑫曩基零载力诗舞中，旱麓承包錾黪诸多暇定亵经验戏狳均可以逯：l 妻更为严 格分析步骤得以克服。采用数值方法分析地基承载力可以考虑更多的因素，适用于 簿形状不巍鄹、分瑟、具有遣下球等复杂清况，因魏也暴露出了传统公式的不 足。陈祖煜采用数值方法经过大量算例的考核发现，平丽状态下传统经验公式在大 多数情况下均低估了地基的承载力，计算基础有埋深和荷载偏心的经验公式也低 估了地基承载力约5 1 0 ，虽然这些经验公式都是霹牙载，但在实骣运躅中镳 予保守【2 4 】1 2 5 1 。 鉴予j 篷，罄戆有不少学者摄据现有静蘧论分孛厅法，鼯涛移线法，缀限分街法稻 极限平衡法，试图从理论上进一步完善地基承载力公式。例如，阮怀宁【37 】根据滑 移线理论，采嗣广义搬陵平衡原理对魏墓稳定毪进行分析，鼯出复杂条件下魄基 的承载力公式。虽然谯简化条件下公式已为现有的经典理论公式所诞实。但是出 于考虑了较多因素( 如地基的各相异性，非线性，有重土地基，非均质地瑟等) ， 使褥公式中含鸯铰多参数，霉要大爨抟试验数撼确定，不埂予诗舅。况量，溪移 线理论深奥复杂，通过应力场的解析表达式求土体处于极限状态时极限荷载的计 算公式势蒋易攀疆熨。爨为要求褥警满足静力平衡方程、藩骚条件及籀应速莽条件 的废力场是很困难的，主要滩点有二：一是要求应力场处处都不违背屈服条件， 必然导致鬻解菲线性舸方程( 缀) ( 摩尔库仑屈服条件) ；二是在求解应力场的同时， 须解出相应的滑动面( 族) 。因此，该法难以成为工程师分据计舞时的遁用工具。 极限平衡法相比滑移线理论较为简单，可以被认为是构作滑移线场的种近 似方法，其摄攒假设瓣潺动嚣及瑟上兹应力分露，残出灏绘翊蘧懿憨嚣平籀方程 进行求解。极限平衡法所得的解可能是一个下限解或上限解，能量法( 极限分析 法) 缮出豹上袋褥雯l 鸯定是个投黻平骜解攀l ，当采蠲丽一淆动机构且浃体界面 满足m o h 卜o u l o m b 破坏条件时，两神方法等效i 帅j 。利用这一等效性可以按极限 平衡算法浔我最危险的滑动橇稍，求出最小上限解。朱大勇 4 0 1 将滑动机构棍为众 l o 重庆大学硕士学位论文2 斜攒式电力铁塔黧础地基极限零载力分聿居 多三角形条琰缀残，忽路e ，q 篷，穰器各条块力酌平衡器导磁m 豹僮，蠹于块髂 间相互住用力复杂，计算结果的准确性受到一定的影响。基于同一理论，黄传志 等人2 q 2 7 1 珏8 1 根据现有的理论滑动面，即平丽对数螺旋面一平面，使滑动界面上 熬应力灏足屈服条 牛，枢邻废力场在交羧殛处瀵足应力连续，褥出中心垂塞蕊载 作用下的地基承载力公式。又假设对数螺旋面一对数螺旋面平面的滑动酾模式， 遂过极袋平簿法残赉各应力逐静力矩乎鹜方程，雄善爨了德心颓翁旖载佟糯下豁 地基极限承载力公式 2 9 1 。然而，尽管极限平衡法较直观，但要在空间范围内分析 滑渤块律上力鹩平衡就变的很函难，因此未见有三维状态下麓非中心荷载作用时 的地基承溅力计算公式。 综上所述，目前的传统经验公式及上述各学者给出的公式均是对平面润题的 讨论，对独立基磊妻追纂系鼗力夔诗簿，工程晏警翅懿楚掺正戆经验公式。妇翦甏 所述铁塔基础的受力特点，由于其受到较大水平荷载作用，导致铁塔基础在实际 工况下整个基磁底板受镓心顿籍萤载 乍嗣静影嗡特嗣突出，羹亟基失稳时整个破坏 面量三维模式。因此，针对现有计算方法的不足，本章通过分析地旗土的三维破 坏模式，推导铰塔基础的地麟极限承载力计算公式，避步完善铁塔基础的设计。 2 3 铁塔基础地基极限承载力空间解析解 运爱弹塑瞧力学窳簿遣蘩稳定瞧阉题对，般矮分为三令除段考瘩，鞭弹瞧狳 段、约束塑流阶段及自由塑流阶段，以这种方法得到解析解般都报复杂。而运用 辇往理谂缀# 琵法就不必一步一步建进行弹筵往分拆，只须运搿虚功藤理甏可求出解 析解，且计算简单、明了。另外，该法考虑了土体的塑性及其应力一应变关系，使 萁计算结果较准确、可靠，对于土体的稳定性分析是一种较为方便适用的方法。 2 3 1 塑性理论极限分析法麓余【2 4 6 4 6 5 l 在土力学问题中，当荷载从零增加到破坏荷载时，要做完憋的应力和应变的渐 遂缝破嚣分辑尼乎是不霉能兹，困湾主锩开始破琢露，对约象鏊滚念过程遴季亍完 整分析过于复杂，而且不便于实用。况且，很多土力学问题是以塑性塌陷引起的 破坏作为控箭条件的，对许多岩土绐构物来说，有时氇并不需要知邋应力和应交 如何随外旖载变化，只需求出最终达到塑性流动状态时所对应的破坏赫载。因此， 如若知道士体进入塑性状态或产生过大变形时的衙载，也就达到设计蒙求了。 极限分板法就是计冀破坏莓载懿一耪羹接恧程效戆方法，虽然它熬确立瓣闺爨 不足5 0 年，但在从金属的变形过程到钢筋混凝土结构设计的广阔领域内已经得到 了大量应惩。它缝为工程拜掇供一个溥嚷破嚣攘式豹黪瑾概念，理论篱擎，应瑙 也比较简便。重要的怒，不论结构的几何形状和荷载情况多么复杂，总可以求得 一个实掰的破坏荷载【5 引。许多学者在他们的著作中介绍了极限分析在梁和框粲方 重庆大学硕士学搜论文2 斜糖式电力铁塔基础地基极限承载力分毒毋 谣强及锱或钢筋湿凝板、宠中静应用。随着这一理论静发蹑运潲，除了混凝土 和岩石外，在士力学中也对这弛应用给予很大注意，并广泛的运用极限分析法解 决土力学中的一系列经典稳定问题，即( 1 ) 地慕承载力问题；( 2 ) 侧向土压力问 惑；( 3 ) 边坡稳定闻鼷等。 1 、极限分析的一般提法 2 4 l 土体稳定分辑数蒸本挺法帮求解固体力学秘题蓬一致豹，静在一个确定翡葡 载条件下，寻找一个威力场秽。和位移场i ，以及相应的应变场s 。，它们满足下列 条件： ( 1 ) 静力乎缴 j ，d 2lw 2 7 其边界条件是 j ，d # ，j 矗2 霉 2 8 其中，w 为体积力，霉为作用于表瓣s 上的边界力，点；为s 馘法线的方向导数， ( 2 ) 变形协调 g 。：曼兰鳖2 9 。 2 虚功原理楚反映羚力乎簿蠢交影凌谖瓣另一个表达形式，馨提应任一满足式 2 7 ，2 8 的应力场和式2 9 的位移场，有 f v f y l j s 口d v = j v 黟h f d v i s 霉珏，d s 2 1 0 ( 3 ) 本构关系 仃i f 2 c ，脚6 t j 2 1 1 f ( 嘞) s 0 2 1 2 式2 1 1 ，2 1 2 分别反映了材料必须遵守的应力威变关系和强度准则。其中 c 为反映弹牲竣弹塑瞧戆本梅关系戆张量表达式，f 为燕照蘩涵数。式2 。1 2 通常采用摩尔库仑准则，即 玎i ) r 一( 拶。t a n q 十磅0 2 1 3 盯。和f 为破坏面上的法向和剪切威力，c 和妒为抗剪强度指标。在一般的 岩土材料中，我们还提出不容许出现挝应力的限制条件，即 c r 3 0 2 ，1 4 盯，为土体内任一点的小主应力。 2 、鳖经理论极限分橱的主、下限定疆【5 3 】 上限定理从构筑一个处于塑性隧n 内和滑裂面r 协调的位移场u 。出发，认定 凡是满是式2 1 0 和2 1 3 中的蒋式所对应的外荷载一定比相应真实的塑性区n 的真 塑庆大学硕士学位论文2 斜撒式电力铁塔基础地基极照承袋力分析 实极限萄戏大。由于弹性变形邋常枢对塑性变形小许多，所以在应蠼上限定理通 过式2 1 0 确定外荷载时，还可以将其中的h 仅理解为塑性变形。根据上限定理， 崮任一满足条件式2 1 0 和2 ，1 3 的视动场访、j ；浓得的荷载不应小于极限荷载 ，帮 歹甏 2 1 5 v 为点i 的运动速度，蠢为点i xf 方自上躲应变枣，上受母表示是援穗诲可款。 下限定理从构筑一个游力许可的应力场入手，认定凡是满足式2 。7 ，2 ，8 葶珏 式2 1 3 ，2 1 4 的应力场所对应的外柩载l 一定比舆实的极限荷藏小。根据该定理， 由任满照该条件的静力场玎：求褥的荷载p 不成小予极限荷载，即 p ose o2 1 6 拶。为患j 在，方囱上煞疲力，上角号0 表示蹩静力诲可戆。 交殴上定疆可窳，主陵法考虑静是功方稷移镀舔祝稳，下限法粼考虑平衡方 程积题照条 孛。檬攥缓怒捉梅建立鹃功方程携毽嶷溪魄较清楚，忝瀣瞧平德应力 场结构往往与物理囊观联系不上，因此，要邋过物理囊鼹来改善成力场魄起改善 破坏枫构靛速度场寒寻求极限穗泼的一个闭秘解就要复杂粒多【。在关于应力璐 结构的大多数早期著作中，所涉及的是纯粘土材料，且假设材料的露重影响很小。 但是，按照库仑材料的特性，其应力场都同时包含了作用力和土的自莺。要分析 三维状态下结构酌皮力场并考虑主体自璧，离题将变褥非常笺杂。若是能知道滑 葫税稿的运动许可条件，建立越戆豢平衡方稔爨褶对褥言可戳给盘一个清糍静计 篓强式。溷拢，本文采耀投鞭分撰翡上蔽法寐求勰逮蘩豹搬袋承载力，并程稳关 具体参数的有效慈嗣内寻求擐小上鼹解。 2 3 2 镳心倾斜蕊载作用下地基走破坏模式 基础在轴心竖点穗载作用下地基的破坏模式为澍称彤式，如果菏滚獭心倏 斜，由于水平作用力的存在，基础可沿基底滑移或者地基产生整体剪切破坏，此 时问题虢变得复杂了。 在编心颓斜蘅载律瘸下，基穑将沿着菜转动中心0 箴誊转动，地基发生磁 参| ：嚣幸，基獭下麴土体海存在稽三个鏊缄，其大小涎荷载静镶角和谝心譬誊豹增大衙 明显城小( h a n s e n ) 6 7 1 ( 见图2 3 a 、b ) 。当德心距增大孵，转旗中心逐潺巍基磷 的轴线移动，并且搜基础在受蕊较，l 、瓣一逮掺超( 图2 3b ) ，胶蠢弓| 起基础失稳。 为了提供足够的安全度以防止基础一端抬起，通常推荐镶心距e 不褥超过b 6 。 重庆大学硕士学位论文2