（岩土工程专业论文）风荷载作用下输电线塔高边坡的稳定性分析.pdf

摘要 高边坡的稳定分析一直以来是边坡工程中的重难点问题，外来的扰动 对高边坡产生的影响引起的边坡失稳现象时有发生，因此在工程建设中对 高边坡的稳定分析十分重要。本文结合广贺高速公路路堑高边坡实例，首 次在高边坡的动力稳定性分析中，综合考虑风荷载一输电线塔作用，分析 高边坡坡顶矗立的高压输电线塔在风荷载作用下对边坡岩体及开挖过程产 生的影响。 输电线塔的高柔特性，使其对风的影响特别敏感，因此，当输电线塔 受到风荷载作用产生振动时，这种振动势必会经由输电线塔向基底传递， 从而对其基础下高边坡的稳定性产生影响。论文基于d a v e n p o r t 风速谱理 论，介绍了脉动风的计算理论与公式，阐述了脉动风的线性滤波法与谐波 叠加法等模拟方法，采用谐波叠加法并结合m a t l a b 软件，对顺风向脉 动风进行了数值模拟，得到了相关的风速和风荷载时程曲线；应用有限元 软件a n s y s 建立了输电塔线一高边坡实体模型，将模拟的风荷载时程加 载到输电线塔模型上，计算风荷载对输电塔线一高边坡体系的稳定影响。 计算模型综合考虑了输电塔身与输电导线的耦合作用，将输电导线采用附 加质量法简化到输电塔顶端，输电塔身杆件作梁单元处理，输电线塔受到 风荷载产生的振动，经由桩土非线性接触面传递至边坡，产生对边坡岩体 的扰动作用，从而对边坡岩体原始状态及开挖过程进行了加风载和不加风 载的的计算分析。原始边坡受到的主要应力是输电塔与边坡自身的重力的 影响，集中在自由坡面与输电塔基周围的土体处，开挖后，由于岩体卸载 造成的应力释放，使得坡面及土层交界处位移及应变变化较大；原始边坡 及开挖过程加载风荷载后，对于坡面及土层交界处的位移及应变变化明显， 甚至开挖后的边坡在加载后出现了剪切错动带；采取锚杆加固后，边坡位 移与应变变化得到了明显控制。 通过分析风荷载对边坡岩体及边坡开挖过程的稳定性影响，以期能对 实际工程起到一定的参考意义。 关键词：输电线塔一高边坡体系，风荷载，时程曲线，数值模拟，稳定性 a b s t r a c t s t a b i l i t ya n a l y s i so fs l o p ea l w a y s i st h ed i f f i c u l tp o i n to fs l o p ee n g i n e e r i n g ， a n dl a n d s l i ph a p p e n so c c a s i o n a l l yw h e ne x t e r n a ld i s t u r b a n c e sw o r k so nh i g h s l o p e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z es t a b i l i t y o fh i g hs l o p ew h e ne n g i n e e r i n g c o n s t r u c t t h et e x tc o m b i n e dp r a c t i c a lp r o j e c t ，c u t t i n gs l o p eo fg u a n g h eh i g h s p e e dr o a d ，c o n s i d e r i n gc o m p r e h e n s i v e l y i n t e r a c t i o no fw i n d l o a dt o t r a n s m i s s i o nt o w e ri ns l o p es t a b i l i t yf i r s tt i m e ，a n da n a l y z i n gs t a b i l i t yo fs l o p e a n d c u t t i n gs l o p ew h i c h u n d e rt r a n s m i s s i o nt o w e r t r a n s m i s s i o nt o w e ra n dl i n es y s t e mi si m p o r t a n tt oc o u n t r yp e o p l e sl i f e a sak i n do fh i g h r i s ea n df l e x i b i l i t ys t r u c t u r e ，t r a n s m i s s i o nt o w e rl ss e n s i t i v e t ow i n dl o a d 。s ow i n d l o a di sa st h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o ll o a dt ot r a n s m i s s i o n t o w e ra n dl i n e i t si n f l u e n t i a la c t i o ni ss i g n i f i c a n ta n dc a l ln o tb ei g n o r e d 矾e n w i n d l o a da c t so nt o w e r , g e n e r a t e dv i b r a t i o nt r a n s f e rt of o u n d a t i o n ，w h i c h w o u l di n f l u e n c eo ns t a b i l i t yo fh i g hs l o p e t h e r e f o r ea n a l y s i si n t h es t a b l e e f l e e to fh i g hs l o p ew h i c hi sc a u s e db yt o w e ru n d e rw i n dl o a d i sav e r y n e c e s s a r yf o rn e wt o p i c c o m b i n i n ga l le x a m p l eo fh i g hc u t t i n gs l o p e i nt h es i x t hs e c t i o no f g u a n g h eh i g hs p e e dr o a d ，w h i c hp o w e rt r a n s m i s s i o nt o w e rs t a n d so nt o po f h i g hs l o p e ，a n da n a l y z i n gd y n a m i cs t a b l ei n f l u e n c eo f t h eh i g hs l o p e b u ti ti s t o oc o m p l i c a t e da n dt h e r ea let o om u c hp r o b l e m si nt h ea n a l y s i sp r o g r e s s ，n o t o n l yr e f e r r i n gt ov i b r a t e di n t e r a c t i o nr e s u l t sf r o mw i n dl o a dt o t r a n s m i s s i o n t o w e r , b u ta l s oi n v o l i n gi ni n t e r a c t i o nb e t w e e nh i g hs l o p ea n dt r a n s m l s s l o n t o w e rw h i c hc a u s e db yt r a n s m i s s i o nt o w e rv i b r a t i o n i ti sn e s e s s a r yt oa d o p t r e l i a b i l i t yt h e o r ya n dm e t h o d s i no r d e rt or e f l e c tp r a c t i c a ls i t u a t i o n i n e n g i n e e r i n ga n dg e tm o r ep r i c i s e r e s u l t t h et e x ti sa d o p t e df i n i t ee l e m e n t i i l i c r o s o f ta n s y st ob u i l tm o d e lw h i c hi n c l u d e st r a n s m i s s i o nt o w e ra n dh i g h s l o p ea n dc a l c u l a t ew i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t r a n s m i s s i o nt o w e ri st a l l a n d f l e x i b i l i t yw h i c hc a u s e si t i ss e n s i t i v et ow i n dl o a d c o n s e q u e n t l ys i m u l a t i o no f w i n dl o a di st h ek e yt oa n a l y s i so ft r a n s m i s s i o nt o w e ra n dl i n e t h ep a p e ri s b a s e do nd e v o n p o r tt h e o r y , e m p l o y e dc a w s ( c o n s t a n ta m p l i t u d e e a v e s u p e r p o s i t i o n ) a n da d o p t e ds o f t w a r em a t l a b t os i m u l a t ew i n ds p e e dt i m e s e r i e sa n dw i n dl o a dt i m es e r i e s t h e nw i n dl o a dt i m es e r i e si s l o a d e do n t l ? a n s m i s s i o nt o w e rm o d e li na n s y s t h et r a n s m i s s i o nt o w e ra n dl i n em o d e l c o n s i d e r sc o u p l i n gf u n c t i o nb e t w e e nt r a n s m i s s i o n t o w e ra n dl i n e ，w h i l e u t r a n s m i s s i o nl i n ei sa p p l i e dt oa d d e dm a s sm e t h o da n dt r a n s m i s s i o nt o w e ri s t r e a t e dw i t hb e a me l e m e n t v i b r a t i o nc a u s e db yt r a n s m i s s i o nt o w e ru n d e rw i n d l o a dp a s s e st os l o p et h r o u g hn o n l i n e a rc o n t a c ti n t e r f a c eb e t w e e nf o u n d a t i o np i l e a n ds o i l ，i tw o u l dl e a dt od i s t u r b a n c ei ns l o p e f i n a l l yc o n d i t i o n so fs l o p ea n dc u t t i n gs l o p eu n d e r o rn o tu n d e rw i n dl o a d w e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dt og e ti n f l u e n c ei n d i s t u r b a n c e ds l o p eu n d e rw i n dl o a d t h ec o n c l u s i o n si nt h ep a p e rw h i c hi s w i s h e dt or e f e rt oa c t u a lp r o j e c tc a s e s k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nt o w e r - h i g hs l o p es y s t e m ，w i n dl o a d t i m es e r i e s ， n u m e r i c a ls i m u l m i o n ，f i n i t ee l e m e n t ，s l o p es t a b i l i t y i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使是授双书 独创性声明 本人声明，所呈交的沦文是我个人在导师指导下进 亍鹄研支怍及款i j 一“一j 研完 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理t 大学或其它敦育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所儆的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：叁董 日期竺! ! ：堕j 旦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向田家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论义被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编，入，肯关数据库进行检索，可 以采州影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论义。同时授权经武汉理t 大 学认可的困家有关机构或论文数据库使用或收录本学位沦文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：金莹导师( 签名) 此表经研究生及导师签名后，请装汀在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 随着我国经济建设的快速发展，高速公路逐渐向山区扩展延伸，势必 会因复杂的地形地貌出现一些高边坡。高速公路施工中边坡失稳事故的发 生，造成极大的经济损失及社会影响。高边坡的稳定性已成为制约高速公 路建设的主要问题，其稳定性影响一般分为两部分：一部分是岩土体本身 结构、地质构造、地层岩性、地下水等因素；另一部分则是人为扰动，如 开挖坡度、开挖高度、施工次序等原因。高边坡由于其构造的复杂性，使 得边坡稳定性成为公路施工中的关键。 在高速公路路线设计中，某些建筑物或结构物，如输电线塔等，不可 避免地会出现在高边坡附近。当建筑物或结构物位于边坡体坡顶，且离坡 面较近时，由建筑物或结构物产生的荷载会直接通过基础施加到坡体上， 对坡体以及结构本身的安全稳定性会产生影响甚至危害。 1 2 本文研究背景及意义 边坡是人类经济和工程最常的地质环境之一，边坡的稳定性问题是土 力学的三大经典问题之一。边坡由于自然或人为的原因，出现的滑坡、倒 塌等危害问题与地震、火山并称为三大地质灾害，给人类的经济财产及安 全带来极大的影响。 由于领域的不同，目前对坡体的概念还没有一致的定义。关于坡体的 不同理解，一般认为，山坡是指由自然剥蚀形成自河谷底部至山顶的有一 定厚度及形态与不同坡度的山体外层岩土体；斜坡是山坡中的某一段，具 有一定厚度和坡度的岩土体；滑坡是斜坡沿着一定的滑动带( 或面) 滑动 的现象；边坡是指人工开挖形成的有一定坡率、厚度和坡体形态的斜坡； 高边坡是指凡是高度大于3 0 米的岩质边坡和高度大于2 0 米的土质边坡、 由人工开挖、具有一定坡率和坡体形态的边坡。为满足工程需要对边坡进 行改造的工程统称为边坡工程。n 2 3 钉 在铁路、水利、矿山、公路等建设中，高边坡问题早已存在，而且一 直是重点研究对象。特别是随着改革开放以来，自1 9 8 8 年中国第一条上海 至嘉定高速公路建成以后，我国高速公路建设飞速发展，至2 0 1 0 年高速公 路通车总里程已突破6 5 万公里。受地形地貌影响，位于中西部地区的多 数高速公路要穿越山区，路面的开挖造成了大量的高边坡，对周围地质环 武汉理工大学硕士学位论文 境的平衡形成影响甚至带来滑坡、山体崩塌等破坏。由于高边坡本身的地 质构造复杂，危险滑动面潜藏，再加上勘察精度的限制等原因，使得高边 坡的地质问题在勘察及设计阶段较难暴露。通常造成设计方案与实际不符， 不能恰当地满足边坡稳定性要求。而随着公路交通体系的不断完善、工程 数量的增多、规模的增大、速度的加快、范围的扩大，高边坡问题的出现 日渐增多。因此加强高速公路边坡的稳定性分析并采取相应支护措施的问 题已迫在眉睫。 广贺高速公路是二连浩特至广州高速公路的其中一段，它从广州通往 贺州，是构筑广东大珠三角，并连通祖国大西南的主干线，也是连通“珠 三角和广西壮族自治区的重要通道。其中三水至四会段公路主要为土质 与类土质边坡，局部出现岩石边坡。沿线地形地貌复杂，部分路段为丘陵 地带，高边坡数量较多。位于第六标段k 2 4 + 5 8 3 k 2 4 + 8 1 0 右侧处的高边 坡达到了6 6 m 的高度，成为该路段最高的边坡，且在k 2 4 + 6 8 5 右侧11 9 m 高处有一高压输电线塔，对边坡的安全具有极大的威胁。该高边坡的稳定 性状况，将影响整个工程建设的安全与进程。为研究分析输电线塔高边 坡的稳定性，论文从位于高边坡坡顶的输电线塔考虑，分析由风荷载引起 的高压输电线塔振动作用对高边坡的稳定性影响，以获得相关研究成果， 为该高边坡的施工及加固提供指导。 1 3 边坡稳定性分析研究方法 边坡的稳定性分析是判定边坡失稳及边坡加固与所采取的支护措施的 主要依据，故边坡的稳定性分析成为边坡工程中最主要以及最需要解决的 问题。但是受到边坡本身的地形地质条件复杂、岩土体性质不确定及周围 环境变化等因素的限制，边坡稳定性的判定并非易事。自从瑞典人p e t t e r s o n b 1 于1 9 1 5 年开始采用条分法对边坡的稳定性进行分析，边坡工程的研究 得到广泛发展。边坡的研究理论是建立在土力学与岩石力学基础上的，二 战前后，边坡问题还属于土力学范畴，直到1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 坝左岸 南坝肩出现岩体崩溃现象，以及1 9 6 3 年位于意大利的v a j o n t 坝上游左岸 库岸的边坡滑坡现象，促使人们认识到边坡破坏时的力学机理研究不足。 至1 9 6 7 年人们第一次将有限元应用于边坡稳定性分析，为定量分析边坡稳 定性提供了条件，并逐步过渡到数值分析方法，使得边坡稳定性分析进入 模式机制和作用过程研究。其后，随着大规模工程的开展，现代技术的快 速发展，使人们在进行边坡稳定性分析时将传统的边坡工程地质学与现代 数学力学和岩土力学结合起来，形成现代的边坡工程学。各种新技术，如 2 武汉理工大学硕士学位论文 模糊数学、灰色理论、系统工程学、分形理论、混沌理论等都应用于边坡 的稳定分析研究中，为边坡工程的分析提供了新方法、新理论。 边坡稳定分析方法种类繁多，现代分析的数学模型主要采用的是两种： 基于极限平衡理论的条分法和数值分析方法。自1 9 1 5 年p e t t e r s o n 提出条 分法后，1 9 5 5 年b i s h o p 【6 1 重新对安全系数进行了定义，即滑裂面上的抗 剪强度与实际的剪应力之比，使得物理意义更加明确。另外b i s h o p 还假定 土条左右两面上的剪力相互抵消，从而将超静定问题转化为静定问题； m o r g e n s t e r n 和p r i c e 。于1 9 5 6 年假定函数关系f 为条分面上剪应力与水平 应力之比，并且土条接触面上没有拉应力产生。条分法由于其历史悠久， 计算简单，成为最常用的边坡稳定性分析方法。但是它在计算过程中没有 考虑边坡土体的非线性及材料的各向异性、土体内部的应力应变关系，因 此，分析得到的结果误差较大，不能令人信服。随着计算机的普及发展， c l o u g h 和w o o d w a r d 于1 9 6 7 年首次将有限元数值模拟方法应用在坝体的 稳定分析中，d u n c a n 和d u n l o p 、s n i t b h a n 和c h e n 隅1 等先后对边坡采用了 有限元法进行分析，此后有限元法发展快速，并取得很大进展；1 9 9 6 年时， c l o u g h 总结了在8 0 年代以前的有限元法应用于堤坝及边坡稳定性的研究 玛1 。而随着非线性弹塑性有限元与计算机的发展，有限元法逐渐发展成两 个类型：一种是结合了极限平衡理论的滑面应力有限元分析法；一种是有 限元强度折减法。前者继承极限平衡原理，用于确定最危险滑动面。n a y l o r 将滑面上全部滑阻力之和与全部滑动力之和的比值定义为安全系数，利用 有限元网格对圆弧分段，由应力插值得到单元点上的应力并对单元线段上 的应力进行优化“们。f r e d l u n d 则将这种方法应用到软件g e o s l o p e 中川1 。 殷宗泽、吕擎峰在滑动面为圆弧状的假定下，利用一组竖线为经线，一组 同心圆为纬线构成有限元网格n 刀。z i e n k i w e i c e 在1 9 7 5 年首次提出有限元 强度折减法的概念，近年来，此方法已经成为边坡稳定有限元分析的主要 方法n ”。其后，许多国内外学者做了大量相关工作，u g a i 在假定土体是 理想弹塑性体的情况下，对各种类型的稳定性进行了研究，验证肯定了弹 塑性有限元强度折减法的较强适应性钔；栾茂田、武亚军将塑性应变作 为判断失稳的指标，并由塑性区连通状态与范围得出相应安全系数及潜在 滑移面卯；郑颖人通过边坡破坏时滑移面上产生突变的位移及无限制的 塑性流动，采用有限元强度折减法对边坡稳定性进行研究们。除有限元 法这种应用得比较成熟的数值分析方法之外，也有越来越多的数值分析方 法异军突起。7 0 年代时g u n d a l l 提出离散单元法用于模拟节理岩体的块体 运动过程7 1 ：8 0 年代时c u n d a l l 提出快速拉格朗日法( f l a c ) ，用于 非线性大变形的求解，并通过显式时间差分解析方法提高运算速度8 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 9 8 9 年石根华和g o o d m a n 结合有限元和离散元的部分优点，提出不连续 变形法( d d a ) ，适用于边坡在极限状态时的设计计算如，而后石根华 在d d a 法与块体理论基础上又创立了流形元法( n m m ) ，此方法以拓扑 流行为基础1 。 综合来看，从工程应用角度出发，极限平衡法是分析边坡稳定的传统 的首选方法。但随着计算机技术及应用的不断提高，数值分析方法在边坡 应力位移等方面的研究发展趋于完善，使得它在边坡工程的应用中已颇具 吸引力。边坡稳定性分析过程中涉及到很多不确定因素，如何精确地评价 边坡的稳定程度还要根据边坡本身地形地质条件并考虑周围地质环境平衡 等情况具体制定设计分析方案。 1 4 输电线塔高边坡体系的动力研究理论 1 4 1 输电线塔体系动力研究 矗立在高边坡坡顶的大型输电线塔由于其高柔性，且跨度较大，对风 荷载极其敏感。一旦风荷载引起了输电线塔的破坏倒塌等现象，不仅给国 家财产带来极大损失，而且也给社会的正常生活与工作带来极大影响。输 电塔的风振研究因此成为研究热点。现今对输电塔的分析主要集中在单塔， 对于导线在风荷载下与输电塔的耦合作用容易被忽略。在考虑输电塔的风 振响应时，风荷载对导线的摆动，加强了输电塔的振动作用，输电塔在风 荷载下的振动反过来进一步加大导线的张力。 h m a xi r v i e n 采用连续体模型，在缆索刚度为零与不为零的情况下进 行动静力分析，计算出来的结果精度高，常被用来检验离散化模型的精度 的标准眨。o z o n o 等提出两种计算模型：一即高频段，塔身简化为质量集 中顶端的悬臂杆件，导线简化为零质量弹簧，塔由弹簧连接，组成耦联模 型；一即低频段，输电线塔简化为多质点模型，分析导线对输电线塔在平 面内的动力影响坨幻。m o m o m u r a 等分析一山区的单塔的风致振动特性， 得出：风振动力响应因为风向的不同而不同，导线对于输电塔的动力特性 也影响很大，单独线塔的基频不小于输电塔线体系的基频圯引。李宏男等 首先开展对输电塔线体系的另一种动力响应研究地震反应研究。将导 线简化成多质点模型，质点间由连杆联接，即将输电塔线体系简化成多自 由度体系。另外输电塔线体系在水平向、横向、竖向的耦联方式全不相同， 水平向时，塔与电缆耦合；横向时，导线两端固定于塔身视为悬索；竖向 时，以等效垂链代替导线悬于塔上嘣1 2 5 1 。曹枚根等考虑导线对输电塔影 响，建立纵横向等效刚度理论的简化模型，得出导线在不同方向对于输电 4 武汉理工大学硕士学位论文 线塔的刚度影响，引入等效刚度系数，并验证了其合理性哳1 。 风荷载作为输电塔的主要控制荷载，其确定手段主要有：风洞试验、 现场实测和数值模拟。随着计算机的快速发展，风荷载的数值模拟技术取 得很大进展，其中m o n t e c a r l o 法应用得最多。基于m o n t e c a r l o 法的不同 随机过程的不同脉动风速谱的数值模拟方法有很多，一般结合f o u r i e r 变换 或者滤波方法或者三角级数叠加方法，平稳高斯随机过程，即风速不随时 间而变化的过程。一般对于脉动风，如果初期脉动风速很不稳定，而过程 趋于稳定，则可忽略初始状态，将此脉动风速时程视为平稳高斯随机过程。 风荷载的数值模拟早期时一般看作是平稳高斯随机过程，其模拟方法主要 有两种：谐波叠加法和线性滤波法。 谐波叠加法( h a r m o n ys u p e r p o s i t i o nm e t h o d ) 又叫三角余弦级数求和， 是一种频谱表示方法，如w e i g h t e da m p l i t u d ew a v es u p e r p o s i t i o n ( w a w s ) 法、c o n s t a n ta m p l i t u d ew a v es u p e r p o s i t i o n ( c a w s ) 法等。谐波叠加法采用 的随机模型通过傅立叶分析变换将随机信号离散，分解成一系列具有不同 幅值与频率的正弦或其它谐波。此算法数学基础严密，简单直观，应用范 围广，可适用于任一指定谱特征的平稳高斯随机过程。1 9 7 2 年s h i n o z u k a 和j a n 提出通过c a w s 、w a w s 法对多维或多变量均匀高斯随机过程的模 拟眨”。1 9 8 7 年l a n n u z z i 和s p i n e l l i 用w a w s 模拟了脉动风速和边界层湍 流等2 引。王之宏于1 9 9 4 年利用三角余弦级数求和的方式模拟脉动风的平 稳高斯随机过程嘲1 。谐波叠加法在多维随机过程的模拟计算过程中，计 算量极大，当模拟的点大于2 0 0 时，可引入f f t 算法提高计算效率，但此 算法要求谐波频率分布均匀，且只对线性情况适用。线性滤波法也称白噪 声滤波法( w h i t en o i s ei l l u s i o nm e t h o d ) ，为满足一定条件的白噪声，由随 机过程抽象而成，然后通过滤波器变换，得到输出为拥有指定谱特征的随 机过程。s h i n o z u k a 于1 9 8 5 年提出由a r m a 模型模拟出多变量平稳的随机 过程b 们。1 9 8 7 年n a g a n u m a 等采用a r m a 模拟单变量二维均匀高斯随机 场，再推广至多维过程b 。m i g n o l e t 和s p a n o s 以目标谱矩阵回归法为基 础，提出关于a r m a 模型的标准算法，并给出由从l v i a 或a r 模型得到 a r m a 模型的方法3 2 3 ”。线性滤波法的优点是计算速度快、计算量小， 因此被广泛应用于随机振动分析中。但其算法繁琐、精度也较差。 由此可看出，谐波叠加方法在模拟技术中应用得更广泛。但近年来的 学者更倾向于将两种方法结合模拟高斯平稳过程，使两种方法各自发挥优 点3 4 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 输电塔线一高边坡相互作用 1 ) 岩土介质一结构相互作用 风荷载作用于高压输电线塔时，对输电塔线的振动作用经由塔基向边 坡土体传递，引起边坡地面振动。高压输电线塔与边坡的动力作用是相互 的：一方面，风荷载对输电线塔的振动作用，有可能引起边坡内部变形； 另一方面，边坡的变形产生的惯性力反过来作用于输电塔，加剧输电塔的 振动也可能引起输电线塔的失稳。因此，高边坡上的高压输电线塔，由风 荷载作用引起的振动，可能成为高边坡失稳的重要诱发原因之一，是高边 坡稳定的一个重要的潜在不安因素。 1 9 0 4 年l a m b 分析弹性地基的振动问题开始了对岩土一结构相互动力作 用的研究3 。r e i s s n e r 在1 9 3 6 年对l a m b 解求积分，进行了竖向荷载下 刚性圆形基础板在简化边界条件时的振动分析，开创了岩土一结构相互动力 作用先河b 们。此后，岩土一结构相互动力作用研究进入发展期。l y s m e r 、 r i c h a r t 于1 9 6 6 年提出了集总参数法，奠定了解决岩土结构相互动力作用 问题的基础b 刀。p a r a m e l e e 在1 9 6 7 年提出了土结构体系的比较合理的力 学模型，是对土结构相互动力作用进行深入研究的标志，他将上部结构简 化成单自由度的带有刚性底板的刚架，地基简化成半无限空间3 幻。到了 8 0 年代以后，岩土结构相互动力作用的研究发展迅速。w o l f 、s o n g 在1 9 9 4 年提出了求解时域内的无限介质的相关动态刚度矩阵的微分有限元核方法 1 3 9 1 。h a n 在1 9 9 7 年求解出桩在非线性土中的动力响应加1 。y o u s e f f 、b e r n a l 在1 9 9 8 年利用时域频域混合法求出土在非线性状态时与结构的共同作用 1 4 1 1 。国内的陈镕、薛松涛对考虑土结构相互作用的框架结构进行风振响 应分析，说明土一结构相互动力作用的影响4 幻。徐静、李宏男提出桩一土 输电塔一线体系简化模型，并对土一结构相互动力作用的影响因素进行了分 析4 ”。 2 ) 土一结构接触面研究现状 解决岩土结构相互动力作用的前提是研究土与结构的接触关系，因为 当输电塔线受到风荷载影响时，输电塔的振动是通过结构基础土的接触面 传递而实现的。由于基础与周围土体的材料性能差异较大，在受到振动时 产生变形，而产生的变形不一致导致在基础与土的接触面上形成相对位移 和剪应力，一定条件下可能致使接触面上出现开裂或滑移现象。因此，如 何对接触面上的荷载的传递过程及受力变形机理进行正确的模拟，十分重 要。 6 武汉理工大学硕士学位论文 由g o o d m a n 、t a y l o r 在1 9 6 8 年首次提出无厚度接触单元来模拟接触面 的力学特性，g o o d m a n 单元的使用简单、概念明确清晰使得它至今成为国 内外学者进行接触分析的首要选择单元泓1 。c l o u g h 、d u n c a n 于1 9 7 1 年通 过直剪试验，提出剪应力和相对错动滑移的双曲线关系模型，研究土与混 凝土结构的接触面之间的力学特性h 卯。1 9 8 4 年，d e s a i 认为有厚度的薄层 单元用于接触面的模拟分析更符合实际溺1 。b o u l o n 等于1 9 9 0 年还提出了 关于接触面的弹塑性模型4 7 1 。国内，殷宗泽、朱泓等在1 9 9 4 年进行了土 与混凝土接触面的直剪试验，提出了刚塑性变形模型及有厚度的接触面单 元m 1 。张嘎、张建民等在研制大型t h 2 0 t 土结构接触面的循环加载剪切 仪的基础上，展开对粗粒土和结构的接触面之间的力学变形机理的研究。 3 ) 边界处理方法的研究 采用数值方法进行有限元分析时，需从半无限的土体介质中截取有限 区域，设置边界条件，并将有限区域离散化。但是，关于有限土体的截取 范围和边界条件的给定由于受多方限制，很难解决。常用的几种动力边界 条件包括： 一致边界( 也叫透射边界) 将切除部分土体上的作用力计算出来， 再加到计算域的边界上，从而保证计算结果与未切开之前的无限域结果一 致。而实际上，切除部分的作用力的求解只能在完全解出动力方程的情况 下才能得出，因此这种方法在一定程度上难以推广，它只能针对某些特定 的问题求近似解。jl y s e m e 、gw a a s 于1 9 7 2 年在位于刚性基岩中成层土 的水平传播的瑞雷波的基础上推导了弹性系数矩阵，也就是边界侧边上的 作用力与位移的关系h 蚰。廖振鹏提出通过迭代透射边界达到模拟无限域 的效果啪1 。 黏滞边界1 9 6 9 年由jl y s m e r 、rlk a h l e m e y e r 提出t s l l ，设置独 立的粘滞于边界的法向和切向上，它是一种静态边界，适合在时域内操作， 且对于入射角在6 0 。以内的角吸收有效，但表面波或者大于6 0 。入射角的 误差则较大。这种方法已被k u n a r 等人证明在有限元法及差分法中是有效 的5 幻。 粘弹性边界结合了透射边界和粘滞边界的优点，是一种能够同时 反映地基弹性恢复性能和散射波辐射的人工边界。粘弹性边界的推导过程 与粘滞边界类似，假定波形为柱面波的二维散射波的粘弹性边界为 k = 万g ( 1 1 ) c = p v , 7 ( 1 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 其中，k 、c 分别是人工边界上的线性弹簧和粘性阻尼器；g 是剪切模 量；r 是人工边界的极坐标；p 是质量密度；是剪切波速。当在人工边界 上施加响应的物理元件时，便可以使人工边界条件完全代替无限介质中的 条件。 1 4 3 边坡动力作用研究理论 从受荷来讲，边坡所受荷载可分为静荷载和动荷载。高边坡的动力问 题很复杂，所涉及的领域相当广泛：包括岩土力学、工程地质学、振动学、 结构动力学等。 外国学者中，m o n o n o b eha 等于1 9 3 6 年最早认识到坝坡为变形体， 以此为前提研究了土质边坡的动力响应，首次提出一维剪切楔法模型巧3 1 。 但是由于拟静力法的缺陷，1 9 6 5 年，nmn e w m a r k 在之前研究基础上，根 据边坡的潜在变形，评价土体坝坡的动力稳定性，即为著名的有限滑动位 移法巧钔。后来的学者在有限滑动位移法的基础上加以研究，不停改进， 被广泛应用。rnc h o w d h u r y 在1 9 7 8 年所著的“s l o p ea n a l y s i s 书中分析 总结了当前一些关于边坡动力稳定与变形的问题和解决方法b 5 1 。aw c r a w f o r d ( c r a w f o r da n dc u r r a n ，1 9 8 1 、1 9 8 2 ) 等则就剪切位移、速率的变 化对节理面摩擦阻力的影响进行了研究巧们。而在1 9 9 7 年，hil i n g 在岩 体的地震稳定性和永久位移的计算中，应用拟静力法，沿节理面的滑动方 向对边坡进行分析嘟1 。土耳其的hk u m s a r ( k u m s a re ta 1 ，2 0 0 0 ) 等利用 实际的模型试验与理论相结合的方法研究楔形体的动力稳定性巧跗。在这 一时期内，节理岩体的动力特性引起很多学者的关注与研究，使得节理岩 体动力特性有了更深入的认识。 而在我国，对于岩体边坡的动力问题开始研究较早的学者是王思敬等 人，他们通过研究得到边坡的一些常规动力稳定分析的应用条件和动态稳 定的评价方法，而且得到基岩的振动加速度超过极限加速度时不一定会导 致动力失稳，但会产生一定最终位移的结论5 卵。随后，王存玉在1 9 8 7 年 的二滩拱坝动力模型试验中，发现边坡顶端与边缘部位的反应幅值比边坡 底端有明显的放大现象咖1 。1 9 9 8 年，何蕴龙用动力有限元法得到结论： 坡高的变化对于岩石边坡动力系数的影响不明显6 。祁生文利用f l a c 3 d 对边坡动力反应后的位移、速度、加速度沿边坡剖面的分布变化进行了大 量的数值模拟，发现不同边坡的动力反应的一般规律陌勿。 以上国内外学者的研究表明，目前为止影响边坡稳定性的动力输入方 式主要以地震荷载和爆破荷载较多，考虑周围结构或建筑物对边坡的动力 8 武汉理工大学硕士学位论文 影响的较少。随着边坡的工程规模、涉及范围等的扩大，已逐渐有学者开 始关注位于边坡周边的结构或建筑物产生的荷载对边坡的影响。毕继红， 吴丽艳考虑车桥耦合振动作用对桥基下的边坡的动力影响作用的刀。徐力 群，沈振中等通过有限元模拟分析了位于思林水电站通航建筑物下高边坡 的稳定性懈1 。为满足国家经济建设快速发展的需要，建筑、地质、水电、 采矿、公路、铁路等领域发展迅猛，随着向西部地区的开发，高边坡在这 些领域中愈渐多见，很多高边坡周围环境复杂，高压输电线塔是高边坡附 近常出现的结构，但涉及到输电线塔对边坡稳定性影响的研究并不多见。 论文在结合工程实例的基础上，分析位于坡顶的高压输电线塔在受到风荷 载作用时对高边坡产生的动力影响作用。 1 5 论文的主要研究内容 本文结合广贺高速公路第六标段七级高边坡工程实例，针对高边坡及 坡顶矗立有高压输电线塔的特殊环境，分析输电塔线体系在风荷载作用下， 对边坡的稳定性影响。主要内容包括： 1 ) 综述了国内外关于边坡稳定分析的现状，针对引起边坡稳定的动力 因素，提出风荷载作为一种新的动力输入方式，结合广贺高速公路高边坡 工程实例，对高边坡的的稳定性影响进行分析，并验证了支护方案的有效 控制作用。 2 ) 简述了风的基本特性及风荷载的计算理论与公式，阐述了风荷载时 程的模拟方法，以广贺高速公路高边坡顶高压输电塔线体系为例，基于 d a v e n p o r t 脉动风荷载模拟理论，结合谐波叠加法，进行了风速与风荷载的 时程模拟，应用m a t l a b 软件得到相关的风速与风荷载时程模拟曲线。 3 ) 应用有限元软件a n s y s 的前处理模块建立了包含输电塔线与高边 坡的整体模型，为尽可能真实地模拟高边坡的受力情况，分析考虑风荷载 因素对高边坡的影响，通过接触单元及边界条件等细部处理将输电塔与高 边坡模型结合。风荷载加载时，考虑到输电导线与输电塔的耦合作用，根 据相关理论基础，采取三塔两线体系进行分析。通过对输电塔线高边坡体 系在以下情况：原始自重、开挖自重、原始加风载、开挖加风载的模拟计 算，研究了各种工况下高边坡的位移及变形状态，并通过对位移、变形状 态的分析，验证了风荷载对高边坡稳定性产生的影响，对开挖扰动中的高 边坡影响更大，且影响集中在塔基下坡体上部。 4 ) 对高边坡开挖过程中采取的支护措施进行了简单介绍，考虑到风荷 载在扰动过程中更加明显，应用锚杆加固区理论，对风荷载作用下的锚杆 9 武汉理工大学硕士学位论文 加固边坡进行了数值模拟分析，验证了锚杆对边坡加固的有效控制作用。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 1引言 第二章风荷载数值模拟 作用于输电塔线体系的荷载包括：永久荷载、活荷载和偶然荷载。风 荷载是输电塔线体系上活荷载的一种；永久荷载含有体系自重、绝缘子等 设各自重、导线张力等；偶然荷载包括地震作用、导地线拉断作用、导地 线松弛释放作用等；除风荷载外，活荷载还包括：雪荷载、温度变化引起 的荷载、基础沉降引起荷载等。高压输电塔线体系对地震荷载及风荷载较 敏感，输电塔本身的结构特性，使它受到的风荷载很频繁，加上导线的摆 动作用，当跨距越大时，输电线塔所受的风荷载不可预见性越大。输电塔 本身的高柔性，会使它的周期与风的卓越周期相近，从而造成输电线塔的 破坏。因此，在进行输电塔的设计时，风荷载作为输电线塔的控制荷载， 其分析研究对输电塔的设计起着决定性作用。 关于脉动风的模拟，外国学者a g d a v e n p o r t 教授做出了巨大的成就。 他于1 9 6 1 年提出并建立了顺风向脉动风速谱的经验公式。他将风速中的脉 动部分看成是平稳高斯过程，然后用与平均风速与地形粗糙度有关的功率 谱密度表示。并且定义了阵风系数。这种关于脉动风的模拟方法简单方便， 易于掌握，后被世界各地作为标准广泛使用。本文的脉动风的模拟就是应 用的d a v e n p o r t 脉动风速谱。但是d a v e n p o r t 的脉动风模拟并没有考虑到风 荷载随高度不同具有变化性且不同程度的风荷载会形成不同的响应效应。 后来的学者也在d a v e n p o r t 理论的基础上不断加以研究与修改。 本章以d a v e n p o r t 脉动风荷载模拟理论为基础，利用谐波叠加法，介 绍风荷载特别是脉动风的计算理论与推导公式，着重介绍怎样得到风荷载 的模拟风速时程。以广贺高速公路第六标段七级高边坡坡顶矗立高压输电 线塔为实例，计算模拟得到相关的风荷载时程模拟，并进行分析。 2 2 风的基本特性 2 2 1 大气边界层内风的特性 风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。当气流在行 进过程当中遇到阻塞，便会形成高压气幕。风速越大，结构受到的风压力 就越大，先前形成的气幕使它对后来的的气流起到了一定的缓冲，流速便 减弱，结构所受的压力随而减小。但是持续而来的风又使得气流在减弱之 后继续加强，再次获得新的较大的风速，再一次在建筑物前形成气幕，风 武汉理工大学硕士学位论文 速的连续地不断地变化，使得结构产生振动和变形。 而建筑物前形成的高压气幕时，建筑物承受的压力