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南方极端冰雪灾害条件下输变电工程地基土承载力研究

作　者: 王永忠
导　师: 胡新丽；艾传井
学　校: 中国地质大学
专　业: 岩土工程
关键词: 极端冰雪灾害冻融试验抗剪强度指标地基土承载力数值模拟
分类号: TU470
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

2008年初,我国南方大部分地区遭受了百年一遇的极端冰雪灾害,这次冰雪灾害持续时间之长、影响范围之广、危害程度之深均为历史罕见。大范围、高强度降雪以及冰雪融化引起数以百计的地质灾害,更对南方地区电网的安全运行造成巨大影响。据不完全统计,发生倒塔的500kV主网线路已达20余条,倒塔100多基,500kV以下的电网受影响面更广另有多座变电站不能正常运行,直接经济损失200多亿元。由于前期工程设计标准未考虑极端冰雪灾害这一因素的影响,而且目前我国尚缺乏一个完善的应对南方极端冰雪灾害的综合治体系,缺少一套行之有效的工程防治措施及应急处理措施,加之极端冰雪灾害突发性很强,才导致在这次极端冰雪灾害中电力工程设施遭受巨大损失。目前,我国南方地区,在极端冰雪条件下对输变电工程地基土承载力的研究的成果相对较少,而北方的研究成果又不适合于南方地区的极端冰雪环境条件,因此,迫切需要开展对南方地区在极端冰雪灾害条件下输变电工程地基土承载力的研究。论文首先从土的冻融试验入手,分析了冻结、解冻过程中及冻融作用下土体的抗剪强度指标的变化规律,重点分析了不同含水量、温度及冻融循环次数对土体抗剪强度指标的影响；然后引入含水量、温度和冻融循环等因子,对建筑地基基础设计规范中的地基承载力公式中的承载力系数、基于极限平衡理论和基于弹塑性理论的地基承载力公式中的承载力系数进行了修正,得到了在冻结、解冻条件下及冻融作用下的地基承载力修正公式;通过对冻结过程中条形浅基础地基极限承载力的数值分析,分析了条形浅基础地基在不同温度和不同荷载下的变形破坏规律,并得到了地基极限承载力的数值解；通过对输电塔基基础的变形破坏研究,分析了输电塔基在不同温度和不同覆冰荷载在的变形和受力特征。取得的研究成果如下：(1)通过土的冻结、解冻及冻融循环等试验,分析了冻结、解冻过程中及冻融作用下土体的抗剪强度指标的变化规律：①常温下,重塑土的c和φ值均随着含水量的增加而减小不扰动土试样的c、φ值比相同含水量的重塑土试样的高;②在冻结过程中,发现了土体固有的冻结温度；无论不扰动土试样还是重塑土试样的c、φ值均随温度的降低而增大,在温度高于或低于该土体的冻结温度时,c、φ值变化幅度不同；③对于咸梦线重塑土,随着含水量的增加,其冻结状态下的c、φ值都会减小。其中,含水量对c值的影响最为明显,以中间含水量为界可分为两个阶段；在含水量小于中间含水量时,其c值随着冻结温度的降低而增大；含水量超过中间含水量时,其c值又会随着冻结温度的降低而减小；对于曲江线重塑土,随着含水量的增加,各个温度下试样的c、φ值均是先增大后减小；但同一含水量下,随着冻结温度的降低,试样的c、φ值均是增大的；④在解冻过程中,不扰动土及重塑土试样的c值都在减小、φ值缓慢增大。由于冻结温度的存在,当温度低于冻结温度时,随着解冻温度的变化,土的c、φ值变化不大；但当温度高于冻结温度时,土中冻结冰的相变剧烈,土中未冻结水的含量增加,造成十的c、φ值发生显著变化：⑤冻融作用强烈地改变了十的结构,从而改变其力学性质。冻融作用后土体结构变得松散、土粒形状变得破碎、趋向不规则,导致土体骨架的结构性转移,使其整个受力体系发生变化。经试验测定,多次冻融后,土体的c值减小、φ值增大,土体整体的抗剪强度减小。(2)在对冻结、解冻过程和冻融作用下地基土c、φ值变化规律研究和对地基十承载力影响因素研究的基础上,提出了冻融条件下地基土承载力的分析方法：①引入影响因子T(温度),对冻结-解冻过程中土体的c、φ值进行修止,得到在冻结-解冻过程中修正的地基承载力系数,总结出修正的建筑地基基础设计规范的地基承载力公式和修正的太沙基极限承载力公式；②引入影响因子n(冻融次数),对冻融作用下土体的c、φ值进行修正,得到修正的地基承载力系数,提出了基于弹塑性理论的地基承载力修正公式;③按照修正的地基承载力公式分别计算山不同冻结温度、不同解冻温度时的地基承载力与常温下地基土承载力之间的比例关系表；④得出了不同温度下含水量与地基十承载力之间的关系式;⑤得出了冻融次数n与地基土承载力之间的关系式。(3)通过对冻结过程中条形浅基础地基极限承载力的数值分析,分析了条形浅基础地基的变形破坏规律,并求解了地基极限承载力的数值解：①温度对地基土的变形影响不大,主要影响因素是上部荷载。同一温度下,随着上部荷载的增大,基底土体的最大位移量、最大剪应力均增大,当荷载增大至某一临界值时,基底土体的最大何移量陡然增大,最大剪应力减小,塑性区最大深度超过基础宽度的1/3,可认为此时地基土发生了剪切破坏；②利用数值模拟得到的基底土体沉降与荷载之间的P-S曲线,可以得到不同温度下地基土的极限承载力的数值解,通过该数值解与利用冻融条件一下修正的地基承载力规范公式和修正的太沙基地基极限承载力公式计算的地基土承载力值进行对比分析,说明了利用数值模拟方法得到的地基极限承载力具有一定的可靠度,也进一步说明了本文在冻融条件下修正的地基承载力公式具有较高的合理性和可靠性。(4)通过对极端冰雪环境下输电铁塔地基基础的数值模拟,分析了地表温度和覆冰荷载对输电塔基变形破坏规律的影响：①覆冰荷载对于塔基的变形有一定的影响；在模型底部边界温度一定的前提条件下,地表温度的变化对于塔基岩土体的受力和变形均有较显著的影响,但其温度降低至某一特定值时,其变形和应力均逐渐趋于稳定;②由于上部塔基的垂直荷载和水平向左的风荷载,塔基水平方向的位移变化非常明显,两个塔基的受力极不均衡,最大位移均山现在塔基的左侧,最小位移出现在塔基的右侧,而且可以显示地基变形破坏的潜在滑动面；塔基在竖直方向的最大沉降点出现在两个塔基的中间位置；③在塔基荷载和风荷载共同作用下,塔基与基础接触点山现明显的应力集中。另外,在塔基基础底部附近和粉质粘土与强风化砂岩接触面也都出现不同程度的应力集中现象,且随着地表温度的降低,应力集中带有明显扩张的趋势。④由于塔基基础刚度较大,因而产生的应变较小,而基础附近的土体变形应变最大,最大应变均山现在基础的顶部附近。且粘土和粉质粘土层力学强度较低,变形模量较小,变形较大,是产生地基变形的主要层位。本文的研究成果可以为我国南方极端冰雪环境下的地基十承载力的分析和计算提供科学的理论依据。研究成果丰富了南方地区在极端冰雪条件下地质灾害处理技术和设计理论,可直接指导南方地区极端冰雪条件下的工程建设。

全文目录

作者简介  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-21
  1.1 选题背景与研究意义  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
    1.2.1 地基土承载力研究现状  16-17
    1.2.2 冻融土抗剪强度研究现状  17-19
  1.3 研究内容  19
  1.4 技术路线  19-21
第二章冻融条件下地基土抗剪强度指标的试验研究  21-34
  2.1 常温状态下地基土抗剪强度指标  21
  2.2 冻结过程中地基土抗剪强度指标  21-27
    2.2.1 地基土冻结试验  22
    2.2.2 冻结过程中地基土的c、φ值  22-27
  2.3 解冻过程中地基土抗剪强度指标  27-30
    2.3.1 地基土解冻试验  27
    2.3.2 解冻过程中地基土的c、φ值  27-30
  2.4 冻融作用下地基土抗剪强度指标  30-33
    2.4.1 地基土冻融循环试验  30
    2.4.2 冻融作用下地基土微观结构分析  30-32
    2.4.3 冻融作用下地基土的c、φ值  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章冻融条件下地基土承载力影响因素分析  34-41
  3.1 含水量对冻融土地基承载力的影响  34-37
  3.2 温度对冻融土地基承载力的影响  37-38
  3.3 冻融作用对冻融土地基承载力的影响  38-39
  3.4 本章小结  39-41
第四章冻融条件下地基土承载力分析方法  41-47
  4.1 冻结-解冻过程中地基土承载力分析方法  41-44
    4.1.1 修正的建筑地基基础设计规范公式  41-42
    4.1.2 修正的太沙基地基极限承载力公式  42-43
    4.1.3 冻融土地基承载力与温度之间的关系  43
    4.1.4 冻融土地基承载力与含水量之间的关系  43-44
  4.2 冻融作用下地基土承载力分析方法  44-45
    4.2.1 基于弹塑性理论的地基承载力修正公式  44-45
    4.2.2 地基土承载力与冻融次数之间的关系  45
  4.3 本章小结  45-47
第五章条形浅基础地基极限承载力数值模拟分析  47-56
  5.1 条形浅基础地基数值模型建立  47-49
    5.1.1 模型几何条件  47-48
    5.1.2 模型参数与模拟工况  48
    5.1.3 本构模型与边界条件  48-49
  5.2 数值模拟结果分析  49-55
    5.2.1 条形浅基础地基变形破坏分析  49-54
    5.2.2 条形浅基础地基极限承载力分析  54-55
  5.3 本章小结  55-56
第六章输电塔基基础变形破坏研究  56-77
  6.1 塔基数值模型建立  56-59
    6.1.1 模型几何条件  56-58
    6.1.2 模型参数  58
    6.1.3 模拟工况  58-59
    6.1.4 本构模型与边界条件  59
  6.2 数值模拟结果分析  59-75
    6.2.1 不同温度条件下塔基变形及受力分析  60-66
    6.2.2 不同覆冰荷载条件下塔基变形与受力分析  66-72
    6.2.3 沿深度和水平方向地基土变形与应力分析  72-75
  6.3 本章小结  75-77
第七章结论与展望  77-81
  7.1 结论与创新性成果  77-79
    7.1.1 主要结论  77-79
    7.1.2 创新性成果  79
  7.2 后续研究工作展望  79-81
    7.2.1 研究过程中存在的不足  79-80
    7.2.2 后续研究工作展望  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-84

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