220kV霍林河季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究一、緒論1.1研究背景與目的隨著我國(guó)電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，電網(wǎng)建設(shè)不斷向更廣泛的區(qū)域拓展。在這一進(jìn)程中，220kV送電線路作為電力傳輸?shù)年P(guān)鍵通道，其建設(shè)規(guī)模和覆蓋范圍日益擴(kuò)大。霍林河地區(qū)作為重要的能源基地，對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性有著極高的要求。然而，該地區(qū)屬于季凍區(qū)，特殊的氣候和地質(zhì)條件給220kV送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。季凍區(qū)的顯著特點(diǎn)是土壤在冬季會(huì)凍結(jié)，而在夏季則融化，這種周期性的凍融循環(huán)會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜的物理和力學(xué)變化。土壤凍結(jié)時(shí)，其中的水分會(huì)結(jié)冰膨脹，產(chǎn)生凍脹力。當(dāng)凍脹力超過基礎(chǔ)的承載能力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔、位移甚至破壞；而在土壤融化階段，又可能出現(xiàn)融沉現(xiàn)象，使基礎(chǔ)下沉，影響線路的正常運(yùn)行。此外，不同季節(jié)的溫度變化還會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)材料的性能改變，進(jìn)一步威脅線路基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。過往在季凍區(qū)進(jìn)行的送電線路建設(shè)中，由于對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮不夠周全，已出現(xiàn)了不少工程事故和隱患。一些基礎(chǔ)因凍脹力作用而發(fā)生明顯的上拔位移，致使桿塔傾斜，嚴(yán)重影響了線路的安全運(yùn)行；部分基礎(chǔ)由于融沉問題，出現(xiàn)了不同程度的下沉，導(dǎo)致桿塔受力不均，增加了線路故障的風(fēng)險(xiǎn)。這些問題不僅給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了極大的困擾，還造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，包括維修費(fèi)用、停電損失以及對(duì)周邊地區(qū)生產(chǎn)生活的不利影響。在此背景下，開展220kV霍林河季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)研究具有至關(guān)重要的意義。本研究旨在深入剖析季凍區(qū)土壤的凍脹和融沉特性，全面探究其對(duì)送電線路基礎(chǔ)的作用機(jī)制和影響規(guī)律，從而為220kV送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供科學(xué)、合理且有效的技術(shù)方案。通過優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，能夠顯著提高基礎(chǔ)在凍融循環(huán)環(huán)境下的穩(wěn)定性和承載能力，確保送電線路在惡劣的季凍區(qū)條件下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，降低線路故障的發(fā)生率，減少因線路故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。同時(shí)，合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)還能有效降低工程建設(shè)成本和后期維護(hù)成本，提高電力工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為霍林河地區(qū)乃至其他季凍區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1凍土工程發(fā)展概況及凍脹現(xiàn)象凍土是一種在低溫環(huán)境下含有冰的特殊土體，其廣泛分布于地球的高緯度和高海拔地區(qū)。我國(guó)是世界上凍土分布面積較廣的國(guó)家之一，約占國(guó)土面積的22.3%，其中季凍區(qū)分布范圍也十分廣泛。多年來，凍土工程領(lǐng)域取得了諸多重要進(jìn)展。在青藏鐵路建設(shè)中，針對(duì)青藏高原多年凍土問題，科研人員和工程技術(shù)人員開展了大量研究和實(shí)踐，通過采用熱棒、片石通風(fēng)路基、保溫材料等技術(shù)措施，有效解決了凍土路基的穩(wěn)定性難題，保障了鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。在道路工程方面，季凍區(qū)道路凍脹翻漿問題一直是研究熱點(diǎn)。眾多學(xué)者從路基水分含量、溫度變化、荷載作用等多方面深入探討其機(jī)理，并提出了諸如改善路基排水、選用合適路面材料、加強(qiáng)路基加固等防治措施。凍脹是凍土工程中最為常見且危害較大的現(xiàn)象之一。當(dāng)土體中的水分在低溫條件下凍結(jié)成冰時(shí)，體積會(huì)膨脹約9%，從而產(chǎn)生凍脹力，這種凍脹力可導(dǎo)致土體變形、開裂，對(duì)各類工程結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。對(duì)于送電線路基礎(chǔ)而言，凍脹可能使基礎(chǔ)上拔、位移，進(jìn)而致使桿塔傾斜、線路斷裂，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在季凍區(qū)，凍脹現(xiàn)象呈現(xiàn)出周期性變化的特點(diǎn)，冬季凍脹，夏季融沉，反復(fù)的凍融循環(huán)進(jìn)一步加劇了對(duì)基礎(chǔ)的破壞作用。對(duì)凍脹現(xiàn)象的研究，國(guó)外起步相對(duì)較早。早在20世紀(jì)初，一些歐美國(guó)家就開始關(guān)注凍土問題，并進(jìn)行了相關(guān)的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究。隨著時(shí)間的推移，逐漸建立起了較為系統(tǒng)的凍土力學(xué)理論和凍脹模型。而我國(guó)對(duì)凍土的研究始于20世紀(jì)50年代，雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。經(jīng)過多年的努力，在凍土基本性質(zhì)、凍脹融沉機(jī)理、工程防治措施等方面取得了豐碩的成果，部分研究成果已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1.2.2直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)研究概況直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)是送電線路工程中常用的兩種基礎(chǔ)形式，在季凍區(qū)也被廣泛應(yīng)用。直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，其主要由直柱和擴(kuò)展的底板組成，通過底板將上部荷載擴(kuò)散到地基中。在非凍脹性地基中，這種基礎(chǔ)形式能夠較好地滿足工程要求。然而，在季凍區(qū)，由于凍脹力的作用，直柱表面會(huì)受到較大的切向凍脹力，容易導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔和位移。為了提高直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)在季凍區(qū)的穩(wěn)定性，一些學(xué)者提出了在基礎(chǔ)表面涂抹減阻材料、設(shè)置防凍脹環(huán)等改進(jìn)措施。通過在基礎(chǔ)表面涂抹具有低摩擦系數(shù)的減阻材料，如瀝青、環(huán)氧樹脂等，可以有效減小切向凍脹力的作用；設(shè)置防凍脹環(huán)則可以改變凍脹力的傳遞路徑，從而提高基礎(chǔ)的抗凍拔能力。錐柱基礎(chǔ)則是利用錐形柱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使凍脹力在錐面上產(chǎn)生分解，從而減小基礎(chǔ)所受到的豎向凍脹力。這種基礎(chǔ)形式在一定程度上能夠適應(yīng)季凍區(qū)的特殊環(huán)境，提高基礎(chǔ)的抗凍脹性能。相關(guān)研究表明，錐柱的坡度、高度以及基礎(chǔ)的埋深等參數(shù)對(duì)其抗凍脹性能有著重要影響。合理優(yōu)化這些參數(shù)，可以顯著提高錐柱基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的地質(zhì)條件、凍脹情況以及工程要求，綜合考慮選擇合適的基礎(chǔ)形式，并對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。目前，對(duì)于直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)在季凍區(qū)的研究，主要集中在基礎(chǔ)的受力特性分析、抗凍脹性能優(yōu)化以及與土體的相互作用機(jī)制等方面。隨著研究的不斷深入，新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)措施不斷涌現(xiàn)，為季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工提供了有力的技術(shù)支持。1.2.3基礎(chǔ)凍拔的計(jì)算方法及模型研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)凍拔計(jì)算是季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性直接關(guān)系到基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和線路的安全運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)基礎(chǔ)凍拔問題提出了多種計(jì)算方法和模型。在理論計(jì)算方面，主要有基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)和凍土力學(xué)的方法。基于彈性力學(xué)的方法，通常將土體視為彈性介質(zhì)，通過求解彈性力學(xué)的基本方程來計(jì)算凍脹力和基礎(chǔ)的位移。這種方法在一定程度上能夠反映基礎(chǔ)凍拔的力學(xué)機(jī)制，但由于土體的實(shí)際力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜，與彈性假設(shè)存在一定差異，因此計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際情況存在一定偏差?；谒苄粤W(xué)的方法，則考慮了土體的塑性變形特性，能夠更真實(shí)地描述基礎(chǔ)在凍脹力作用下的破壞過程。然而，該方法的計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要確定較多的材料參數(shù)和邊界條件，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。凍土力學(xué)方法則是專門針對(duì)凍土的特殊性質(zhì)而建立的計(jì)算方法，其充分考慮了凍土的凍脹、融沉、蠕變等特性，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算基礎(chǔ)凍拔問題。但由于凍土的物理力學(xué)性質(zhì)受到溫度、水分、土質(zhì)等多種因素的影響，且這些因素之間相互作用復(fù)雜，使得凍土力學(xué)方法的參數(shù)確定較為困難，計(jì)算精度也有待進(jìn)一步提高。除了理論計(jì)算方法外，數(shù)值模擬方法在基礎(chǔ)凍拔研究中也得到了廣泛應(yīng)用。有限元法、有限差分法等數(shù)值方法能夠?qū)?fù)雜的工程問題進(jìn)行模擬分析，通過建立合理的數(shù)值模型，可以直觀地展示基礎(chǔ)在凍脹力作用下的受力和變形情況。利用有限元軟件ABAQUS對(duì)季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同基礎(chǔ)形式、土體參數(shù)和凍脹條件下基礎(chǔ)的凍拔特性。數(shù)值模擬方法不僅可以彌補(bǔ)理論計(jì)算的不足，還能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更詳細(xì)的參考依據(jù)。在基礎(chǔ)凍拔模型研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種模型，如經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)半理論模型和理論模型等。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕腔诖罅康墓こ虒?shí)踐和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立起來的，通過統(tǒng)計(jì)分析得到凍脹力與相關(guān)因素之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。這類模型計(jì)算簡(jiǎn)單，但通用性較差，適用范圍有限。半經(jīng)驗(yàn)半理論模型則結(jié)合了理論分析和經(jīng)驗(yàn)公式，在一定程度上提高了模型的準(zhǔn)確性和適用性。理論模型則是基于嚴(yán)格的力學(xué)理論和物理原理建立的，能夠更深入地揭示基礎(chǔ)凍拔的內(nèi)在機(jī)制，但模型的建立和求解過程較為復(fù)雜，需要具備較高的理論水平和計(jì)算能力。盡管目前在基礎(chǔ)凍拔計(jì)算方法和模型研究方面取得了一定的成果，但由于季凍區(qū)凍土的復(fù)雜性和多變性，現(xiàn)有的計(jì)算方法和模型仍存在一些不足之處，需要進(jìn)一步深入研究和完善。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究將圍繞220kV霍林河季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)展開，具體內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：建立有限元模型：運(yùn)用專業(yè)的有限元軟件ABAQUS，構(gòu)建220kV送電線路基礎(chǔ)與周邊土體相互作用的精細(xì)化模型。在建模過程中，充分考慮基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，如直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)等，以及土體的物理力學(xué)性質(zhì)，包括彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。同時(shí)，合理確定模型的邊界條件和初始條件，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程中的受力和變形情況。通過建立這樣的有限元模型，為后續(xù)的溫度位移耦合場(chǎng)分析、基礎(chǔ)凍脹模擬以及承載性能分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。分析季節(jié)凍土區(qū)溫度位移耦合場(chǎng)：深入研究季凍區(qū)土體在凍融循環(huán)過程中的溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)變化規(guī)律，以及兩者之間的相互耦合作用機(jī)制。考慮土體的熱力學(xué)參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，以及水分遷移對(duì)溫度場(chǎng)的影響。通過數(shù)值模擬和理論分析，揭示溫度變化如何導(dǎo)致土體的凍脹和融沉，進(jìn)而引起基礎(chǔ)的位移和變形。分析不同因素，如氣溫變化、土壤含水率、地下水位等，對(duì)溫度位移耦合場(chǎng)的影響程度，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論依據(jù)。模擬溫度位移耦合場(chǎng)作用下基礎(chǔ)凍脹：基于建立的有限元模型和溫度位移耦合場(chǎng)分析結(jié)果，對(duì)基礎(chǔ)在凍脹力作用下的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬。研究直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)在凍脹過程中的受力分布情況，包括法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的大小和分布規(guī)律。分析基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，評(píng)估基礎(chǔ)在凍脹力作用下是否會(huì)發(fā)生上拔、傾斜或破壞等現(xiàn)象。通過對(duì)比不同基礎(chǔ)形式的凍脹模擬結(jié)果，總結(jié)出各種基礎(chǔ)形式在季凍區(qū)的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，為基礎(chǔ)形式的選擇提供參考。分析基礎(chǔ)上拔承載性能：對(duì)直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的承載性能進(jìn)行深入分析。通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算，確定基礎(chǔ)的上拔承載力大小，研究基礎(chǔ)的上拔變形特性。分析影響基礎(chǔ)上拔承載性能的因素，如基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)尺寸、土體性質(zhì)等，建立基礎(chǔ)上拔承載力的計(jì)算模型和評(píng)估方法。通過對(duì)基礎(chǔ)上拔承載性能的分析，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供合理的上拔荷載取值依據(jù)，確?；A(chǔ)在實(shí)際運(yùn)行中能夠承受上拔力的作用，保障送電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用以下多種研究方法：有限元分析方法：借助有限元軟件ABAQUS強(qiáng)大的模擬分析能力，對(duì)220kV送電線路基礎(chǔ)在季凍區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的力學(xué)行為進(jìn)行全面、細(xì)致的模擬。通過建立合理的有限元模型，能夠直觀地展示基礎(chǔ)與土體之間的相互作用過程，準(zhǔn)確計(jì)算基礎(chǔ)在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)。有限元分析方法可以有效彌補(bǔ)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的局限性，為研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持和可視化結(jié)果，有助于深入理解基礎(chǔ)凍脹和承載性能的內(nèi)在機(jī)制。理論研究方法：深入研究?jī)鐾亮W(xué)、彈性力學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)理論，為研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。運(yùn)用凍土力學(xué)理論分析土體的凍脹和融沉機(jī)理，推導(dǎo)基礎(chǔ)凍脹力的計(jì)算公式；利用彈性力學(xué)理論分析基礎(chǔ)在荷載作用下的應(yīng)力和變形分布規(guī)律；依據(jù)熱力學(xué)理論研究土體在凍融循環(huán)過程中的溫度場(chǎng)變化。通過理論研究，建立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論模型和計(jì)算方法，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。案例驗(yàn)證方法：收集和分析霍林河地區(qū)及其他季凍區(qū)已有的220kV送電線路基礎(chǔ)工程案例，對(duì)比實(shí)際工程中的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行情況與本研究的模擬和理論分析結(jié)果。通過案例驗(yàn)證，檢驗(yàn)本研究提出的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法的可行性和有效性，進(jìn)一步完善研究成果。同時(shí)，從實(shí)際案例中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為今后的工程設(shè)計(jì)提供參考，提高基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。二、220kV霍林河季凍區(qū)凍土特性與線路基礎(chǔ)概述2.1霍林河季凍區(qū)凍土特征霍林河地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市，地處中緯度地帶，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季短暫溫?zé)幔呵锛竟?jié)氣候變化劇烈，晝夜溫差大。這種獨(dú)特的氣候條件導(dǎo)致該地區(qū)凍土現(xiàn)象十分普遍。該地區(qū)的凍土類型主要為季節(jié)性凍土。季節(jié)性凍土是指冬季凍結(jié)、夏季全部融化的土層，其凍結(jié)和融化過程與當(dāng)?shù)氐臍鉁刈兓芮邢嚓P(guān)。在霍林河地區(qū)，每年秋末冬初，隨著氣溫的持續(xù)下降，地表以下的土層開始逐漸凍結(jié)，凍結(jié)深度不斷增加；而到了春末夏初，氣溫回升，凍土開始融化，融化深度也隨之逐漸加深，直至全部融化。從分布范圍來看，霍林河地區(qū)的季節(jié)性凍土幾乎覆蓋了整個(gè)區(qū)域，無(wú)論是平原、丘陵還是山區(qū)，都存在不同程度的季節(jié)性凍土。在地勢(shì)平坦的平原地區(qū)，凍土分布較為均勻；而在丘陵和山區(qū)，由于地形起伏、海拔高度以及向陽(yáng)背陰等因素的影響，凍土的分布存在一定的差異。一般來說，海拔較高的山區(qū)，氣溫相對(duì)較低，凍土的凍結(jié)深度更大，凍結(jié)時(shí)間也更長(zhǎng)；向陽(yáng)坡地由于接收太陽(yáng)輻射較多，凍土的融化時(shí)間相對(duì)較早，凍結(jié)深度相對(duì)較淺；而背陰坡地則相反，凍土的融化時(shí)間較晚，凍結(jié)深度較深。關(guān)于凍土深度，根據(jù)長(zhǎng)期的氣象觀測(cè)和地質(zhì)勘查資料，霍林河地區(qū)季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度可達(dá)3米左右。凍土深度的變化不僅與氣溫有關(guān)，還受到土壤質(zhì)地、地下水位、植被覆蓋等多種因素的影響。在土壤質(zhì)地方面，砂性土的透水性較好，水分容易下滲，凍結(jié)深度相對(duì)較大；而粘性土的透水性較差，水分不易下滲，凍結(jié)深度相對(duì)較小。地下水位的高低對(duì)凍土深度也有顯著影響，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，土壤中的水分含量豐富，凍結(jié)時(shí)形成的冰晶體較多，會(huì)導(dǎo)致凍土膨脹，從而使凍結(jié)深度減?。环粗?，當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，凍結(jié)深度相對(duì)較大。植被覆蓋可以起到一定的保溫作用，減少土壤熱量的散失，從而使凍土的凍結(jié)深度減小。在植被茂密的區(qū)域，凍土的凍結(jié)深度往往比植被稀疏的區(qū)域要淺?；袅趾拥貐^(qū)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)具有顯著的季節(jié)性變化特點(diǎn)。在凍結(jié)狀態(tài)下，凍土中的水分結(jié)冰，形成冰晶體，使得土體的結(jié)構(gòu)變得更加致密，強(qiáng)度和硬度明顯提高。此時(shí)，凍土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)均比未凍結(jié)時(shí)大幅增加，能夠承受較大的荷載。然而，凍土的變形能力卻顯著降低，呈現(xiàn)出脆性特征，在受到外力作用時(shí)容易發(fā)生脆性破壞。隨著氣溫升高，凍土開始融化，冰晶體逐漸融化成水，土體的結(jié)構(gòu)變得松散，強(qiáng)度和硬度急劇下降。此時(shí)，凍土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)大幅降低，土體的承載能力明顯減弱。同時(shí)，由于土體中水分含量的增加，其壓縮性增大，容易產(chǎn)生較大的變形，即出現(xiàn)融沉現(xiàn)象。在凍土融化過程中，還可能引發(fā)土體的流變特性變化，導(dǎo)致土體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到影響。此外，凍土的物理力學(xué)性質(zhì)還與土壤的顆粒組成、含水量、含鹽量等因素密切相關(guān)。土壤顆粒越細(xì)，其比表面積越大，吸附水分的能力越強(qiáng)，在凍結(jié)和融化過程中，水分的遷移和相變對(duì)土體性質(zhì)的影響也就越大；含水量較高的凍土，在凍結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹力，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成較大的破壞作用；而含鹽量較高的凍土，可能會(huì)出現(xiàn)鹽脹現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇對(duì)基礎(chǔ)的破壞。2.2220kV送電線路基礎(chǔ)類型與要求在220kV送電線路工程中，基礎(chǔ)作為支撐桿塔、傳遞荷載的關(guān)鍵部分，其類型豐富多樣，每種類型都有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)是較為常見的一種基礎(chǔ)形式，它主要由直柱和擴(kuò)展的底板構(gòu)成。直柱負(fù)責(zé)將桿塔傳來的荷載垂直向下傳遞，而擴(kuò)展的底板則將荷載分散到更大面積的地基上，以提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。這種基礎(chǔ)形式的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，施工技術(shù)要求相對(duì)較低，施工過程較為便捷，能夠在一定程度上縮短工期。同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料用量相對(duì)較少，成本也相對(duì)較低。在地質(zhì)條件較好、地基承載力較高的地區(qū)，直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)能夠很好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各類送電線路工程中。然而，在季凍區(qū)，這種基礎(chǔ)形式面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。季凍區(qū)土壤的凍脹和融沉現(xiàn)象會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生復(fù)雜的作用力，直柱表面會(huì)受到較大的切向凍脹力，這可能導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔和位移，嚴(yán)重威脅送電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。錐柱基礎(chǔ)則具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其柱體呈錐形。在季凍區(qū)，這種錐形結(jié)構(gòu)能夠使凍脹力在錐面上產(chǎn)生分解，從而減小基礎(chǔ)所受到的豎向凍脹力。通過合理設(shè)計(jì)錐柱的坡度、高度以及基礎(chǔ)的埋深等參數(shù)，可以有效提高基礎(chǔ)的抗凍脹性能。當(dāng)凍脹力作用于錐柱基礎(chǔ)時(shí)，一部分力會(huì)沿著錐面被分散到周圍土體中，減少了對(duì)基礎(chǔ)豎向的作用力。與直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)相比，錐柱基礎(chǔ)在適應(yīng)季凍區(qū)特殊環(huán)境方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地保證基礎(chǔ)在凍融循環(huán)條件下的穩(wěn)定性。此外，還有臺(tái)階基礎(chǔ)，它采用大開挖形式，利用土體和自身重力來滿足抗拔、抗傾覆要求。臺(tái)階基礎(chǔ)的臺(tái)階設(shè)計(jì)需滿足剛性角要求，屬于剛性基礎(chǔ)，混凝土用量較大，但鋼筋用量較小，施工相對(duì)方便，適用于各種巖土類型，包括有地下水的塔位。直柱板式基礎(chǔ)也采用大開挖型式，臺(tái)階和底板均需配筋，屬于柔性基礎(chǔ)，混凝土量較臺(tái)階基礎(chǔ)小，鋼筋量較大，適用于無(wú)地下水的各種巖土，一般用于運(yùn)輸較困難的塔位。斜柱插入式基礎(chǔ)同樣利用土和基礎(chǔ)自身重力抗拔、抗傾覆，屬于柔性基礎(chǔ)，其斜柱與塔腿主材坡度一致，減小了作用在主柱正截面上的彎矩，節(jié)約了混凝土和鋼筋，較為經(jīng)濟(jì)，適用于無(wú)地下水的各種巖土。220kV送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需遵循嚴(yán)格的原則，以確保線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。安全性是首要原則，基礎(chǔ)必須具備足夠的承載能力，能夠承受桿塔傳來的各種荷載，包括垂直荷載、水平荷載和上拔荷載等，同時(shí)要在各種惡劣環(huán)境條件下，如大風(fēng)、暴雨、地震以及季凍區(qū)的凍融循環(huán)等，保證自身的穩(wěn)定性，不發(fā)生破壞、倒塌或過大變形，從而為送電線路提供可靠的支撐。經(jīng)濟(jì)性也是重要原則之一。在滿足安全要求的前提下，應(yīng)盡量降低基礎(chǔ)的建設(shè)成本，包括材料費(fèi)用、施工費(fèi)用等。通過合理選擇基礎(chǔ)類型、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、采用先進(jìn)的施工技術(shù)和工藝等措施，在保證基礎(chǔ)質(zhì)量和性能的同時(shí)，減少不必要的開支，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。220kV送電線路基礎(chǔ)所承受的荷載類型復(fù)雜多樣。永久荷載包括基礎(chǔ)自身的重力、桿塔的重力以及固定在桿塔上的設(shè)備重力等，這些荷載在基礎(chǔ)的整個(gè)使用周期內(nèi)始終存在，是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須考慮的基本荷載?？勺兒奢d則包括風(fēng)荷載、冰荷載、導(dǎo)線張力等。風(fēng)荷載是由風(fēng)力作用在桿塔和導(dǎo)線上產(chǎn)生的，其大小和方向會(huì)隨著風(fēng)速和風(fēng)向的變化而改變，在強(qiáng)風(fēng)天氣下，風(fēng)荷載可能會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的作用力；冰荷載是在寒冷天氣中，導(dǎo)線上結(jié)冰后增加的荷載，冰層的厚度和重量會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生額外的壓力；導(dǎo)線張力是導(dǎo)線在架設(shè)和運(yùn)行過程中產(chǎn)生的拉力，它會(huì)通過桿塔傳遞到基礎(chǔ)上，對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在季凍區(qū)，基礎(chǔ)還會(huì)受到特殊的凍脹力作用。凍脹力是由于土壤凍結(jié)時(shí)水分結(jié)冰膨脹而產(chǎn)生的，根據(jù)其與基礎(chǔ)的相互作用關(guān)系，可分為切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力。切向凍脹力沿著基礎(chǔ)周邊表面向上作用，水平凍脹力作用在基礎(chǔ)側(cè)表面且垂直于基礎(chǔ)側(cè)表面，法向凍脹力作用在基礎(chǔ)底面且垂直于基礎(chǔ)底部面。這些凍脹力在冬季土壤凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生，其大小和分布受到土壤性質(zhì)、含水量、凍結(jié)深度等多種因素的影響，對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。準(zhǔn)確計(jì)算和分析這些荷載的大小和作用方式，是進(jìn)行220kV送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.3凍土對(duì)送電線路基礎(chǔ)的影響在霍林河季凍區(qū)，凍土的凍脹和融沉現(xiàn)象對(duì)220kV送電線路基礎(chǔ)有著顯著且復(fù)雜的影響，嚴(yán)重威脅著線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。凍脹是由于土體中的水分在低溫下凍結(jié)成冰，體積膨脹而產(chǎn)生的。在冬季，隨著氣溫的降低，土壤中的水分逐漸凍結(jié)，形成冰晶體。這些冰晶體的生長(zhǎng)會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致土體體積膨脹，從而產(chǎn)生凍脹力。對(duì)于送電線路基礎(chǔ)而言，凍脹力主要以切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力的形式作用于基礎(chǔ)。切向凍脹力沿著基礎(chǔ)周邊表面向上作用，當(dāng)切向凍脹力超過基礎(chǔ)與土體之間的摩擦力以及基礎(chǔ)自身的抗拔能力時(shí)，基礎(chǔ)就會(huì)發(fā)生上拔位移。這種上拔位移會(huì)使桿塔傾斜，導(dǎo)致導(dǎo)線弧垂發(fā)生變化，影響線路的正常輸電。嚴(yán)重情況下，甚至可能導(dǎo)致導(dǎo)線與其他物體放電，引發(fā)安全事故。水平凍脹力作用在基礎(chǔ)側(cè)表面且垂直于基礎(chǔ)側(cè)表面，它會(huì)使基礎(chǔ)產(chǎn)生水平方向的位移和變形?；A(chǔ)的水平位移會(huì)改變桿塔的受力狀態(tài)，使桿塔承受額外的彎矩和剪力。當(dāng)水平凍脹力過大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)側(cè)表面的土體發(fā)生破壞，削弱基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。法向凍脹力作用在基礎(chǔ)底面且垂直于基礎(chǔ)底部面，它會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生向上的頂托力。如果法向凍脹力超過基礎(chǔ)的承載能力，基礎(chǔ)底部的土體可能會(huì)被破壞，導(dǎo)致基礎(chǔ)下沉或傾斜。融沉則是在凍土融化過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)春季氣溫回升，凍土開始融化時(shí)，冰晶體逐漸融化成水，土體的結(jié)構(gòu)變得松散，孔隙率增大，從而導(dǎo)致土體的體積縮小，產(chǎn)生融沉。融沉?xí)够A(chǔ)周圍的土體產(chǎn)生沉降，進(jìn)而使基礎(chǔ)發(fā)生下沉?；A(chǔ)的下沉?xí)淖儣U塔的高度，導(dǎo)致導(dǎo)線張力發(fā)生變化。如果導(dǎo)線張力過大，可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂；而如果導(dǎo)線張力過小，導(dǎo)線可能會(huì)下垂過多，影響線路的安全運(yùn)行。此外，融沉還可能使基礎(chǔ)周圍的土體對(duì)基礎(chǔ)的約束作用減弱，降低基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在融沉過程中，由于土體的不均勻融化，可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，使基礎(chǔ)出現(xiàn)傾斜，進(jìn)一步加劇對(duì)送電線路的危害。凍土對(duì)送電線路基礎(chǔ)穩(wěn)定性和耐久性的影響機(jī)制是多方面的。從穩(wěn)定性角度來看，凍脹和融沉引起的基礎(chǔ)位移和變形，會(huì)改變基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，使基礎(chǔ)所承受的荷載分布不均勻。基礎(chǔ)上拔、下沉或傾斜會(huì)導(dǎo)致桿塔的重心偏移，使桿塔承受額外的偏心荷載，從而降低桿塔的抗傾覆能力?；A(chǔ)周圍土體的破壞也會(huì)削弱土體對(duì)基礎(chǔ)的支撐作用，進(jìn)一步降低基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在多次凍融循環(huán)后，基礎(chǔ)與土體之間的相互作用關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致基礎(chǔ)的抗滑、抗拔和抗壓能力逐漸下降，增加了基礎(chǔ)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在耐久性方面，凍融循環(huán)會(huì)對(duì)基礎(chǔ)材料的性能產(chǎn)生不利影響?；A(chǔ)通常由混凝土、鋼筋等材料構(gòu)成，在凍脹力的作用下，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這些微裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展、連通，降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。鋼筋在潮濕的環(huán)境中，尤其是在凍土融化后，容易發(fā)生銹蝕。銹蝕會(huì)使鋼筋的截面積減小，降低鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，從而影響基礎(chǔ)的承載能力和耐久性。土壤中的水分在凍結(jié)和融化過程中，還可能攜帶各種化學(xué)物質(zhì)，對(duì)基礎(chǔ)材料產(chǎn)生侵蝕作用，進(jìn)一步加速基礎(chǔ)材料的劣化。三、基于有限元的季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)模型建立3.1有限元軟件選擇與模型假定在對(duì)220kV霍林河季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)進(jìn)行研究時(shí)，有限元軟件的選擇至關(guān)重要。ABAQUS軟件憑借其強(qiáng)大的功能和廣泛的適用性，成為本研究的首選工具。ABAQUS擁有豐富的單元庫(kù)，涵蓋多種類型的單元，如實(shí)體單元、殼單元、梁?jiǎn)卧?，能夠靈活地模擬各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。在模擬送電線路基礎(chǔ)時(shí)，可以根據(jù)基礎(chǔ)的實(shí)際形狀和受力特點(diǎn)，選用合適的單元類型，從而精確地模擬基礎(chǔ)的力學(xué)行為。軟件還具備強(qiáng)大的材料模型庫(kù)，包含線性和非線性材料模型，可滿足不同材料特性的模擬需求。對(duì)于送電線路基礎(chǔ)中的混凝土、鋼材以及季凍區(qū)的特殊凍土材料，ABAQUS都能準(zhǔn)確地模擬其在復(fù)雜受力和溫度變化條件下的力學(xué)性能。在復(fù)雜的接觸問題處理方面，ABAQUS同樣表現(xiàn)出色，能夠精確模擬基礎(chǔ)與土體之間的接觸和相互作用。它可以考慮接觸表面的摩擦、粘結(jié)等因素，真實(shí)地反映基礎(chǔ)與土體在凍脹、融沉等過程中的相互作用機(jī)制。ABAQUS還支持多物理場(chǎng)耦合分析，這對(duì)于研究季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)在溫度場(chǎng)和力學(xué)場(chǎng)耦合作用下的行為至關(guān)重要。通過多物理場(chǎng)耦合分析，可以深入了解溫度變化如何影響基礎(chǔ)和土體的力學(xué)性能，以及力學(xué)變形對(duì)溫度分布的影響。在利用ABAQUS建立有限元模型時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程并使模型更符合實(shí)際情況，需要做出一些基本假定。對(duì)于材料特性，假定混凝土和鋼材均為各向同性材料。在宏觀尺度下，混凝土和鋼材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻，各向同性假定能夠在一定程度上合理地描述它們的力學(xué)行為。同時(shí)，忽略材料的初始缺陷和微觀結(jié)構(gòu)差異對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響。盡管混凝土和鋼材在微觀層面存在一定的缺陷和結(jié)構(gòu)差異，但在本研究關(guān)注的宏觀力學(xué)分析中，這些微觀因素的影響相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)，以簡(jiǎn)化模型的建立和計(jì)算過程。關(guān)于基礎(chǔ)與土體之間的接觸面，假定為理想的接觸狀態(tài)，即不考慮接觸面的粗糙度和微小間隙。在實(shí)際工程中，基礎(chǔ)與土體之間的接觸面雖然存在一定的粗糙度和微小間隙，但在初步分析中，將其視為理想接觸可以簡(jiǎn)化計(jì)算，并且在一定程度上能夠反映基礎(chǔ)與土體之間的主要相互作用關(guān)系。忽略接觸面的粘結(jié)和脫粘現(xiàn)象，僅考慮摩擦力的作用。在凍融循環(huán)過程中，基礎(chǔ)與土體之間的粘結(jié)和脫粘現(xiàn)象較為復(fù)雜，且對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)性能的影響相對(duì)較小，因此在本模型中暫不考慮這一因素。對(duì)于土體本構(gòu)關(guān)系，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。該模型能夠較好地描述土體的彈塑性力學(xué)行為，考慮了土體的摩擦特性和剪脹特性。在季凍區(qū)，土體的力學(xué)行為受到凍脹、融沉等因素的影響，Mohr-Coulomb本構(gòu)模型可以在一定程度上反映這些復(fù)雜的力學(xué)特性，為基礎(chǔ)的力學(xué)分析提供合理的土體力學(xué)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)霍林河季凍區(qū)土體的具體特性，合理確定Mohr-Coulomb本構(gòu)模型的參數(shù)，如內(nèi)摩擦角、粘聚力等，以提高模型的準(zhǔn)確性。3.2基礎(chǔ)模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)定在本次研究中，選擇直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)作為重點(diǎn)研究對(duì)象，構(gòu)建相應(yīng)的有限元模型。直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)模型由直柱和擴(kuò)展底板組成，直柱直徑設(shè)定為0.8m，高度為5m，其作用是將桿塔傳來的荷載垂直傳遞至擴(kuò)展底板；擴(kuò)展底板邊長(zhǎng)為3m，厚度為0.5m，通過較大的底面積將荷載均勻分散到地基土體上，增強(qiáng)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。錐柱基礎(chǔ)模型的錐柱部分底面直徑為1m，頂面直徑為0.6m，高度為4m，這種錐形結(jié)構(gòu)能夠有效分解凍脹力，減小基礎(chǔ)所受豎向凍脹力；基礎(chǔ)底板邊長(zhǎng)為3.5m，厚度為0.6m，為錐柱提供穩(wěn)定的支撐。對(duì)于混凝土材料，其參數(shù)設(shè)定如下：彈性模量取3.0×10?MPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3。這些參數(shù)是基于常見混凝土材料的力學(xué)性能確定的，能夠較好地反映混凝土在送電線路基礎(chǔ)中的力學(xué)特性。在實(shí)際工程中，混凝土的彈性模量決定了其抵抗變形的能力，泊松比反映了混凝土在受力時(shí)橫向變形與縱向變形的關(guān)系，密度則影響基礎(chǔ)的自重荷載。土體材料參數(shù)的確定較為復(fù)雜，需要考慮多種因素?；袅趾蛹緝鰠^(qū)土體的彈性模量經(jīng)測(cè)定為100MPa，泊松比為0.35，密度為1800kg/m3，粘聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角為25°。這些參數(shù)是通過對(duì)該地區(qū)大量土體樣本進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)勘察資料綜合確定的。彈性模量反映了土體抵抗彈性變形的能力，泊松比體現(xiàn)了土體在受力時(shí)橫向變形與縱向變形的比例關(guān)系，密度決定了土體的自重，粘聚力和內(nèi)摩擦角則是衡量土體抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)，它們共同影響著土體在凍融循環(huán)過程中的力學(xué)行為以及與基礎(chǔ)的相互作用。在模型中，基礎(chǔ)與土體之間的接觸類型選擇“硬接觸”，即認(rèn)為基礎(chǔ)與土體在接觸面上不會(huì)發(fā)生分離，但可以相對(duì)滑動(dòng)。在切向行為中，采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3。這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中，基礎(chǔ)與土體之間的接觸較為緊密，硬接觸能夠較好地模擬這種實(shí)際情況；而庫(kù)侖摩擦模型能夠合理地反映基礎(chǔ)與土體在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦力作用，摩擦系數(shù)0.3是根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的，能夠較為準(zhǔn)確地描述兩者之間的摩擦特性。在網(wǎng)格劃分方面，對(duì)基礎(chǔ)和土體模型均采用六面體單元進(jìn)行劃分。對(duì)于基礎(chǔ)部分，采用較細(xì)密的網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度，最小單元尺寸設(shè)定為0.1m?；A(chǔ)作為承受荷載和傳遞力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其力學(xué)行為較為復(fù)雜，細(xì)密的網(wǎng)格劃分能夠更準(zhǔn)確地捕捉基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況。土體部分的網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，最小單元尺寸為0.5m，但在靠近基礎(chǔ)的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以更好地模擬基礎(chǔ)與土體之間的相互作用。靠近基礎(chǔ)的區(qū)域是應(yīng)力和變形變化較為劇烈的區(qū)域，加密網(wǎng)格可以提高該區(qū)域的計(jì)算精度，從而更準(zhǔn)確地反映基礎(chǔ)與土體之間的力學(xué)傳遞和相互影響。土體模型計(jì)算域的確定至關(guān)重要，它直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。本次研究中，土體模型在水平方向的尺寸設(shè)定為基礎(chǔ)底面尺寸的5倍，在垂直方向的深度為基礎(chǔ)埋深的3倍。這樣的取值是基于相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)確定的，能夠保證在計(jì)算過程中，土體邊界對(duì)基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)土體模型計(jì)算域過小，邊界條件可能會(huì)對(duì)基礎(chǔ)周圍的應(yīng)力和變形分布產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；而計(jì)算域過大，則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。通過設(shè)定合理的計(jì)算域尺寸，既能保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，又能提高計(jì)算效率。3.3初始地應(yīng)力平衡處理在建立有限元模型時(shí)，初始地應(yīng)力平衡處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有著深遠(yuǎn)影響。初始地應(yīng)力是指在工程施工前，土體中已經(jīng)存在的應(yīng)力狀態(tài)，它是由土體的自重、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多種因素長(zhǎng)期作用形成的。本研究采用“initialconditions,type=stress,geostatic”方法來實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力平衡。這種方法要求提供各個(gè)材料區(qū)域的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的自重應(yīng)力，以及相應(yīng)的坐標(biāo)。其原理是基于土體的自重應(yīng)力分布規(guī)律，通過計(jì)算土體在自重作用下的應(yīng)力狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力的平衡。在計(jì)算過程中，首先根據(jù)土體的密度、重力加速度以及模型的幾何尺寸，計(jì)算出土體在垂直方向上的自重應(yīng)力分布?？紤]到土體在水平方向上的側(cè)壓力系數(shù)，計(jì)算水平方向的應(yīng)力分量。通過將這些計(jì)算得到的應(yīng)力值施加到有限元模型中，使模型在初始狀態(tài)下達(dá)到應(yīng)力平衡。以本研究的模型為例，在設(shè)定土體模型計(jì)算域后，確定各個(gè)材料區(qū)域的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)土體材料參數(shù)中的密度1800kg/m3以及重力加速度9.8m/s2，計(jì)算出垂直方向的自重應(yīng)力。假設(shè)某材料區(qū)域最高點(diǎn)距離地面深度為0m，最低點(diǎn)距離地面深度為10m，則最低點(diǎn)處的垂直自重應(yīng)力為：σz=γh=1800×9.8×10=176400Pa（γ為土體容重，h為深度）。根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)情況，確定水平側(cè)壓力系數(shù)為0.35，則水平方向的應(yīng)力分量為：σx=σy=K0σz=0.35×176400=61740Pa（K0為側(cè)壓力系數(shù)）。將這些計(jì)算得到的應(yīng)力值按照“initialconditions,type=stress,geostatic”方法的要求，準(zhǔn)確地輸入到ABAQUS軟件中，完成初始地應(yīng)力的施加。通過這一方法，模型在初始狀態(tài)下的應(yīng)力分布能夠更真實(shí)地反映實(shí)際工程中的土體應(yīng)力狀態(tài)。在未進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡處理時(shí)，模型中的土體可能處于無(wú)應(yīng)力或不合理的應(yīng)力狀態(tài)，這將導(dǎo)致在后續(xù)的模擬分析中，土體的變形和力學(xué)響應(yīng)與實(shí)際情況存在較大偏差。而經(jīng)過初始地應(yīng)力平衡處理后，模型能夠在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，為后續(xù)分析基礎(chǔ)在凍脹力作用下的力學(xué)行為提供了更準(zhǔn)確的初始條件。在研究基礎(chǔ)凍脹時(shí)，初始地應(yīng)力平衡后的模型能夠更準(zhǔn)確地模擬凍脹力與土體初始應(yīng)力相互作用的過程，從而更精確地分析基礎(chǔ)的受力和變形情況。初始地應(yīng)力平衡處理還能有效提高模擬計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性，減少計(jì)算過程中的誤差和異常情況，確保模擬結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。四、季節(jié)凍土區(qū)溫度-位移耦合場(chǎng)分析4.1影響土體凍脹的因素分析土體凍脹是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，受到多種因素的綜合影響。這些因素相互作用，共同決定了土體凍脹的程度和特性。土壤含水率是影響土體凍脹的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)土壤中含水率較低時(shí)，水分在凍結(jié)過程中形成的冰晶體數(shù)量有限，凍脹量相對(duì)較小。隨著含水率的增加，土壤中可凍結(jié)的水分增多，凍結(jié)時(shí)形成的冰晶體體積增大，從而導(dǎo)致凍脹量顯著增加。當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后，土壤中的孔隙幾乎被水充滿，此時(shí)再增加含水率，凍脹量的增長(zhǎng)幅度會(huì)逐漸減小。有研究表明，在粉質(zhì)土中，當(dāng)含水率從15%增加到25%時(shí)，凍脹率可從5%左右增大到15%左右。土壤的顆粒組成對(duì)凍脹也有著重要影響。不同粒徑的土壤顆粒，其比表面積和表面能不同，與水分的相互作用能力也存在差異。一般來說，細(xì)顆粒土壤，如粉質(zhì)土和粘土，比表面積較大，吸附水分的能力較強(qiáng)，在凍結(jié)過程中更容易發(fā)生水分遷移和積聚，從而導(dǎo)致較大的凍脹量。而粗顆粒土壤，如砂土和礫石土，比表面積較小，水分遷移相對(duì)困難，凍脹量相對(duì)較小。在相同含水率條件下，粉質(zhì)土的凍脹率通常比砂土高出數(shù)倍。土壤中細(xì)顆粒含量的增加會(huì)顯著提高其凍脹敏感性，當(dāng)砂土中粉粘粒含量超過一定比例時(shí)，其凍脹特性會(huì)逐漸向粉質(zhì)土靠近。溫度是影響土體凍脹的直接因素，它決定了水分的凍結(jié)和融化過程。凍結(jié)速率對(duì)凍脹有著重要影響。快速凍結(jié)時(shí)，水分來不及充分遷移，冰晶體在原位形成，凍脹量相對(duì)較?。欢徛齼鼋Y(jié)時(shí)，水分有足夠的時(shí)間向凍結(jié)鋒面遷移，形成較大的冰晶體，導(dǎo)致凍脹量增大。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，當(dāng)凍結(jié)速率從0.5℃/h降低到0.1℃/h時(shí)，土體的凍脹率可提高30%-50%。負(fù)溫持續(xù)時(shí)間也與凍脹密切相關(guān)。負(fù)溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，水分遷移和積聚的時(shí)間越充足，凍脹量就越大。在一個(gè)冬季，隨著負(fù)溫持續(xù)時(shí)間的增加，土體的凍脹量會(huì)逐漸增大，直到達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。地下水位的高低對(duì)土體凍脹有著顯著影響。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，土壤中的水分補(bǔ)給充足，在凍結(jié)過程中，水分容易向上遷移并在凍結(jié)鋒面附近積聚，形成大量冰晶體，從而增大凍脹量。當(dāng)?shù)叵滤痪嚯x凍結(jié)鋒面較近時(shí)，凍脹量會(huì)明顯增加。研究表明，當(dāng)?shù)叵滤粡木嚯x地面2m下降到1m時(shí)，凍脹量可增大50%-80%。地下水位的變化還會(huì)影響土壤的飽和度和孔隙水壓力，進(jìn)而改變土體的力學(xué)性質(zhì)和凍脹特性。4.2有限元計(jì)算溫度場(chǎng)的理論基礎(chǔ)在季凍區(qū)土體凍融過程中，涉及伴有相變的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，其控制方程是基于能量守恒定律和傅里葉定律推導(dǎo)得出的。對(duì)于二維問題，考慮土體中存在水分遷移和相變潛熱釋放的情況，溫度場(chǎng)控制方程可表示為：\frac{\partial}{\partialx}\left(\lambda_x\frac{\partialT}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(\lambda_y\frac{\partialT}{\partialy}\right)+q=\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}+L\frac{\partial\theta_i}{\partialt}其中，T為溫度，x和y為空間坐標(biāo)，t為時(shí)間，\lambda_x和\lambda_y分別為x和y方向的導(dǎo)熱系數(shù)，q為內(nèi)熱源強(qiáng)度（在土體凍融問題中，通?？珊雎詢?nèi)熱源，即q=0），\rho為土體密度，c為比熱容，L為相變潛熱，\theta_i為冰含量。在有限元計(jì)算中，需要對(duì)該方程進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)化為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上的溫度值進(jìn)行求解。常用的離散方法有有限差分法、有限元法等，本研究采用有限元法，通過將土體區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，在每個(gè)單元內(nèi)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行插值近似，從而建立起離散的溫度場(chǎng)方程。應(yīng)力和變形基本方程是分析基礎(chǔ)與土體在凍脹和融沉過程中力學(xué)行為的重要依據(jù)。根據(jù)彈性力學(xué)理論，在小變形假設(shè)條件下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵循廣義胡克定律：\sigma_{ij}=D_{ijkl}\varepsilon_{kl}其中，\sigma_{ij}為應(yīng)力張量，\varepsilon_{kl}為應(yīng)變張量，D_{ijkl}為彈性矩陣，其元素與材料的彈性模量和泊松比有關(guān)。對(duì)于各向同性材料，彈性矩陣可通過彈性模量E和泊松比\nu表示。應(yīng)變與位移的關(guān)系可由幾何方程給出：\varepsilon_{ij}=\frac{1}{2}\left(\frac{\partialu_i}{\partialx_j}+\frac{\partialu_j}{\partialx_i}\right)其中，u_i和u_j分別為i和j方向的位移分量。在考慮土體凍脹和融沉?xí)r，還需要考慮由于溫度變化引起的體積變形，即溫度應(yīng)變：\varepsilon_{T}=\alpha(T-T_0)其中，\alpha為線膨脹系數(shù)，T為當(dāng)前溫度，T_0為初始參考溫度。將溫度應(yīng)變與機(jī)械應(yīng)變疊加，得到總的應(yīng)變，進(jìn)而通過應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系求解應(yīng)力分布。凍脹系數(shù)是描述土體凍脹特性的重要參數(shù)，它反映了土體在凍結(jié)過程中體積膨脹的程度，其定義為凍脹變形量與初始高度的比值：\eta=\frac{\Deltah}{h_0}其中，\eta為凍脹系數(shù)，\Deltah為凍脹變形量，h_0為土體初始高度。凍脹系數(shù)與土壤的含水率、顆粒組成、溫度等因素密切相關(guān)。在實(shí)際工程中，可通過室內(nèi)凍脹試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來確定凍脹系數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)通常采用專門的凍脹儀，將土樣在一定的溫度條件下進(jìn)行凍結(jié)，測(cè)量其在凍結(jié)過程中的變形量，從而計(jì)算出凍脹系數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)則是在實(shí)際工程場(chǎng)地中，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期測(cè)量土體的凍脹變形，進(jìn)而得到凍脹系數(shù)。線膨脹系數(shù)表示材料在溫度變化時(shí)線性尺寸的相對(duì)變化率，對(duì)于土體，其線膨脹系數(shù)反映了溫度變化對(duì)土體體積變形的影響程度。線膨脹系數(shù)的定義為：\alpha=\frac{1}{L}\frac{\DeltaL}{\DeltaT}其中，\alpha為線膨脹系數(shù)，L為材料的初始長(zhǎng)度，\DeltaL為長(zhǎng)度變化量，\DeltaT為溫度變化量。不同類型的土體，其線膨脹系數(shù)有所不同，一般來說，細(xì)顆粒土的線膨脹系數(shù)相對(duì)較大，而粗顆粒土的線膨脹系數(shù)相對(duì)較小。線膨脹系數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)方法通常是將土樣在不同溫度下進(jìn)行加熱或冷卻，測(cè)量其長(zhǎng)度或體積的變化，從而計(jì)算出線膨脹系數(shù)。在有限元分析中，線膨脹系數(shù)作為材料參數(shù)輸入模型，用于計(jì)算溫度變化引起的變形和應(yīng)力。4.3熱力學(xué)參數(shù)與邊界條件確定土體的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分析至關(guān)重要，它直接影響著溫度的傳遞和分布。在本研究中，主要考慮的熱力學(xué)參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。導(dǎo)熱系數(shù)是反映土體傳導(dǎo)熱量能力的重要參數(shù)，它決定了熱量在土體中傳遞的速率。對(duì)于霍林河季凍區(qū)的粉質(zhì)粘土，根據(jù)相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)和研究資料，其導(dǎo)熱系數(shù)取值為1.5W/(m?K)。這一取值是基于對(duì)該地區(qū)大量粉質(zhì)粘土樣本的測(cè)試分析，并結(jié)合類似地質(zhì)條件下的工程經(jīng)驗(yàn)確定的。在溫度變化過程中，導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱量在土體中的傳導(dǎo)就越快，土體溫度的變化也就越迅速。比熱容則表示單位質(zhì)量土體溫度升高1K所吸收的熱量，它反映了土體儲(chǔ)存熱量的能力。該地區(qū)粉質(zhì)粘土的比熱容取值為1.8×103J/(kg?K)。這一數(shù)值是通過對(duì)土樣進(jìn)行熱物理性質(zhì)測(cè)試得到的，它對(duì)于計(jì)算土體在溫度變化過程中的熱量變化量起著關(guān)鍵作用。在土體凍融過程中，比熱容的大小會(huì)影響土體溫度變化的幅度，比熱容較大的土體，在吸收或釋放相同熱量時(shí)，溫度變化相對(duì)較小。在模型中，熱學(xué)參數(shù)的選取依據(jù)充分考慮了土體的物理特性和實(shí)際工程情況?？紤]到土體在凍結(jié)和融化過程中，其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容也會(huì)相應(yīng)改變。為了更準(zhǔn)確地模擬這一過程，采用了變參數(shù)模型。在凍結(jié)過程中，隨著土體中水分逐漸結(jié)冰，冰的導(dǎo)熱系數(shù)大于水，導(dǎo)致土體的導(dǎo)熱系數(shù)增大；而在融化過程中，冰融化成水，導(dǎo)熱系數(shù)又會(huì)減小。通過引入與溫度相關(guān)的函數(shù)來描述導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的變化，能夠更真實(shí)地反映土體在凍融循環(huán)中的熱物理特性。參考相關(guān)研究成果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了如下的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容與溫度的關(guān)系模型：\lambda(T)=\lambda_0+\Delta\lambda(T-T_0)c(T)=c_0+\Deltac(T-T_0)其中，\lambda(T)和c(T)分別為溫度T時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，\lambda_0和c_0為初始溫度T_0時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，\Delta\lambda和\Deltac為導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容隨溫度的變化率。在有限元分析中，土體溫度場(chǎng)的邊界條件可分為三類。第一類邊界條件為已知邊界上的溫度值，即T=T_s，其中T_s為邊界上給定的溫度。在霍林河季凍區(qū)，地面與大氣直接接觸，地面邊界的溫度受到大氣溫度的直接影響。在冬季，地面邊界溫度可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，取為大氣最低溫度；在夏季，取為大氣最高溫度。這種邊界條件的設(shè)定能夠直接反映地面溫度的變化情況，為模型提供了準(zhǔn)確的溫度輸入。第二類邊界條件是已知邊界上的熱流密度，表達(dá)式為\lambda\frac{\partialT}{\partialn}=q_s，其中q_s為邊界上給定的熱流密度，\frac{\partialT}{\partialn}為溫度沿邊界法線方向的導(dǎo)數(shù)。在模型中，假設(shè)土體底部邊界為絕熱邊界，即q_s=0。這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中，土體底部距離地面較遠(yuǎn)，熱量傳遞相對(duì)較弱，可近似認(rèn)為底部邊界沒有熱量流入或流出。這種邊界條件的設(shè)定簡(jiǎn)化了模型的計(jì)算，同時(shí)也符合土體底部熱量傳遞的實(shí)際情況。第三類邊界條件是已知邊界上物體與周圍介質(zhì)之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h和周圍介質(zhì)的溫度T_f，其表達(dá)式為\lambda\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_f)。在模型中，側(cè)面邊界的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可根據(jù)土體與周圍環(huán)境的熱交換情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定。側(cè)面邊界周圍介質(zhì)的溫度則根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁睾偷販胤植记闆r進(jìn)行取值。這種邊界條件考慮了土體與周圍介質(zhì)之間的熱交換過程，能夠更真實(shí)地模擬土體側(cè)面的溫度變化。4.4土體凍脹溫度場(chǎng)的模擬與驗(yàn)證利用ABAQUS軟件對(duì)土體凍脹溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間設(shè)定為一個(gè)完整的凍融循環(huán)周期，從秋季開始，歷經(jīng)冬季凍結(jié)和春季融化，直至夏季土體完全融化。在模擬過程中，根據(jù)霍林河地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)定初始溫度為10℃，模擬冬季最低氣溫為-30℃，春季氣溫逐漸回升，夏季最高氣溫為25℃。通過設(shè)置合理的時(shí)間步長(zhǎng)，確保模擬能夠準(zhǔn)確捕捉溫度場(chǎng)的變化過程。模擬結(jié)果顯示，在凍結(jié)初期，地面溫度迅速下降，熱量從地面向土體內(nèi)部傳遞，導(dǎo)致靠近地面的土體溫度快速降低，形成明顯的溫度梯度。隨著凍結(jié)過程的持續(xù)，凍結(jié)鋒面逐漸向下推進(jìn)，土體的凍結(jié)深度不斷增加。在凍結(jié)過程中，由于水分的遷移和相變，土體中的溫度分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化。在凍結(jié)鋒面附近，由于水分結(jié)冰釋放潛熱，溫度下降速度相對(duì)較慢，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度過渡區(qū)。為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在霍林河地區(qū)選取了具有代表性的試驗(yàn)場(chǎng)地，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)場(chǎng)地中埋設(shè)了多個(gè)溫度傳感器，分別位于不同深度的土體中，以監(jiān)測(cè)土體在凍融循環(huán)過程中的溫度變化。同時(shí)，記錄試驗(yàn)場(chǎng)地的氣象數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水等。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在凍結(jié)階段，模擬得到的土體溫度變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度和深度也較為接近。在融化階段，模擬結(jié)果同樣能夠較好地反映土體溫度的回升過程以及融化鋒面的移動(dòng)情況。通過對(duì)不同深度處溫度變化的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。在深度為1m處，模擬溫度與監(jiān)測(cè)溫度在整個(gè)凍融循環(huán)過程中的最大誤差不超過2℃，平均誤差在1℃以內(nèi)。盡管模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，但仍存在一定的誤差。這主要是由于在模擬過程中，對(duì)土體的某些參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化和假設(shè)，實(shí)際土體的非均質(zhì)性、水分遷移的復(fù)雜性以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不確定性等因素，都會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在未來的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化模型，考慮更多的實(shí)際因素，提高模擬的準(zhǔn)確性。五、溫度位移耦合場(chǎng)作用下基礎(chǔ)凍脹數(shù)值模擬5.1土體凍脹下基礎(chǔ)受力機(jī)制分析在季凍區(qū)，土體凍脹會(huì)對(duì)送電線路基礎(chǔ)產(chǎn)生復(fù)雜的作用力，深入分析這些作用力的產(chǎn)生機(jī)制和對(duì)基礎(chǔ)的影響，對(duì)于保障送電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。凍脹力是土體凍脹作用于基礎(chǔ)的關(guān)鍵作用力，主要包括法向凍脹力和切向凍脹力，它們的產(chǎn)生與土體的凍結(jié)過程密切相關(guān)。當(dāng)土體中的水分在低溫下凍結(jié)成冰時(shí)，體積會(huì)膨脹約9%，這一膨脹過程會(huì)對(duì)周圍土體和基礎(chǔ)產(chǎn)生擠壓作用，從而產(chǎn)生凍脹力。在基礎(chǔ)與土體的接觸面上，由于土體的不均勻凍脹以及基礎(chǔ)對(duì)土體凍脹的約束，會(huì)產(chǎn)生法向凍脹力和切向凍脹力。法向凍脹力垂直作用于基礎(chǔ)底面，其大小與土體的凍脹量、基礎(chǔ)底面面積以及土體與基礎(chǔ)之間的相互作用特性等因素有關(guān)。在凍脹過程中，基礎(chǔ)底面以下的土體因水分凍結(jié)膨脹，對(duì)基礎(chǔ)底面產(chǎn)生向上的頂托力，即法向凍脹力。當(dāng)法向凍脹力超過基礎(chǔ)的抗拔承載力時(shí)，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生上拔位移。在一些工程案例中，由于法向凍脹力的作用，基礎(chǔ)上拔位移可達(dá)數(shù)厘米甚至數(shù)十厘米，嚴(yán)重影響了送電線路的正常運(yùn)行。切向凍脹力則沿著基礎(chǔ)側(cè)面作用，其產(chǎn)生是由于基礎(chǔ)周圍土體在凍結(jié)過程中，水平方向的凍脹受到基礎(chǔ)的阻擋，從而在基礎(chǔ)側(cè)面產(chǎn)生向上的切向作用力。切向凍脹力的大小與基礎(chǔ)側(cè)面的粗糙度、土體的凍脹特性以及基礎(chǔ)與土體之間的摩擦力等因素相關(guān)?；A(chǔ)側(cè)面越粗糙，土體與基礎(chǔ)之間的摩擦力越大，切向凍脹力也就越大。在實(shí)際工程中，切向凍脹力常常是導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔和傾斜的重要原因之一。在凍脹力的持續(xù)作用下，基礎(chǔ)會(huì)經(jīng)歷一系列的破壞過程。當(dāng)凍脹力較小時(shí)，基礎(chǔ)處于彈性變形階段，此時(shí)基礎(chǔ)的變形量較小，且在凍脹力消失后，基礎(chǔ)能夠恢復(fù)到原來的狀態(tài)。隨著凍脹力的逐漸增大，基礎(chǔ)開始進(jìn)入彈塑性變形階段，基礎(chǔ)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫，變形量也會(huì)逐漸增大，且在凍脹力消失后，基礎(chǔ)不能完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)。當(dāng)凍脹力進(jìn)一步增大，超過基礎(chǔ)的極限承載能力時(shí)，基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生破壞?；A(chǔ)的破壞形式主要有上拔破壞、傾斜破壞和斷裂破壞等。上拔破壞是由于法向凍脹力和切向凍脹力的共同作用，使基礎(chǔ)向上拔出，導(dǎo)致桿塔傾斜；傾斜破壞則是由于基礎(chǔ)一側(cè)受到的凍脹力較大，另一側(cè)受到的凍脹力較小，從而使基礎(chǔ)發(fā)生傾斜；斷裂破壞是由于凍脹力過大，使基礎(chǔ)內(nèi)部的裂縫不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致基礎(chǔ)斷裂。為了更直觀地理解基礎(chǔ)在凍脹力作用下的破壞過程，可以通過數(shù)值模擬和實(shí)際工程案例進(jìn)行分析。利用ABAQUS軟件對(duì)基礎(chǔ)在凍脹力作用下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬，觀察基礎(chǔ)的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形情況。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可以清晰地看到基礎(chǔ)在不同凍脹力作用下的破壞過程和破壞形式。分析實(shí)際工程中因凍脹導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞的案例，總結(jié)其破壞特征和規(guī)律，為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和防護(hù)提供參考。5.2模型對(duì)照組建立與尺寸選擇為了深入研究不同基礎(chǔ)形式在溫度位移耦合場(chǎng)作用下的凍脹特性，建立直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)和錐柱擴(kuò)展式基礎(chǔ)對(duì)照組。直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)模型中，直柱直徑設(shè)定為0.8m，高度為4m，其主要作用是將桿塔傳遞的荷載垂直向下傳導(dǎo)，直柱的尺寸需滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，以確保在各種荷載作用下不發(fā)生破壞和過大變形。擴(kuò)展底板邊長(zhǎng)為3.5m，厚度為0.6m，較大的底板面積能夠有效分散荷載，減小基底壓力，提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。底板厚度則需根據(jù)抗沖切、抗彎等計(jì)算確定，以保證底板在承受荷載時(shí)具有足夠的承載能力。錐柱擴(kuò)展式基礎(chǔ)模型中，錐柱底面直徑為1m，頂面直徑為0.6m，高度為3.5m。這種錐形結(jié)構(gòu)能夠使凍脹力在錐面上分解，從而減小基礎(chǔ)所受的豎向凍脹力。錐柱的坡度和高度對(duì)凍脹力的分解效果有著重要影響，通過合理設(shè)計(jì)這些參數(shù)，可以提高基礎(chǔ)的抗凍脹性能。基礎(chǔ)底板邊長(zhǎng)為4m，厚度為0.7m，為錐柱提供穩(wěn)定的支撐，其尺寸同樣需根據(jù)力學(xué)計(jì)算確定，以滿足基礎(chǔ)的承載和穩(wěn)定性要求。模型尺寸的選擇依據(jù)充分考慮了工程實(shí)際情況和研究目的。在工程實(shí)際中，220kV送電線路基礎(chǔ)的尺寸通常根據(jù)桿塔的荷載大小、地質(zhì)條件等因素確定。參考已有的220kV送電線路工程設(shè)計(jì)資料，本研究選取的基礎(chǔ)尺寸在實(shí)際工程中具有一定的代表性，能夠反映常見的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)情況。從研究目的來看，合適的模型尺寸既能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能提高計(jì)算效率。若模型尺寸過小，可能無(wú)法準(zhǔn)確反映基礎(chǔ)與土體之間的相互作用關(guān)系，導(dǎo)致模擬結(jié)果偏差較大；而模型尺寸過大，則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。通過前期的試算和分析，確定了上述模型尺寸，在保證計(jì)算精度的前提下，能夠有效提高研究效率。5.3耦合作用下基礎(chǔ)凍脹模擬穩(wěn)定性分析5.3.1直柱基礎(chǔ)凍脹模擬的穩(wěn)定性分析在對(duì)直柱基礎(chǔ)凍脹模擬的穩(wěn)定性分析中，通過ABAQUS軟件模擬不同凍脹階段直柱基礎(chǔ)的位移和應(yīng)力變化情況。在凍脹初期，直柱基礎(chǔ)底面和側(cè)面開始受到法向凍脹力和切向凍脹力的作用。隨著凍脹的發(fā)展，直柱基礎(chǔ)底面的法向凍脹力逐漸增大，導(dǎo)致基礎(chǔ)底面出現(xiàn)向上的位移。由于切向凍脹力的作用，直柱基礎(chǔ)側(cè)面也產(chǎn)生了一定的水平位移，使得基礎(chǔ)整體出現(xiàn)傾斜趨勢(shì)。從位移云圖可以清晰地看到，直柱基礎(chǔ)的位移主要集中在基礎(chǔ)頂部和底部。在基礎(chǔ)頂部，由于受到桿塔傳遞的荷載以及凍脹力的共同作用，位移相對(duì)較大；在基礎(chǔ)底部，由于直接受到法向凍脹力的作用，位移也較為明顯。隨著凍脹時(shí)間的增加，基礎(chǔ)的位移不斷增大，當(dāng)位移超過一定閾值時(shí)，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重威脅。通過對(duì)直柱基礎(chǔ)應(yīng)力分布的分析，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。在直柱與底板的連接處，由于結(jié)構(gòu)形狀的突變，應(yīng)力集中系數(shù)較高，容易產(chǎn)生裂縫?；A(chǔ)側(cè)面受到切向凍脹力的作用，產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過基礎(chǔ)材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，基礎(chǔ)側(cè)面可能出現(xiàn)剪切破壞。在凍脹過程中，基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力分布會(huì)隨著凍脹力的變化而不斷調(diào)整，這進(jìn)一步加劇了基礎(chǔ)的不穩(wěn)定因素。為了評(píng)估直柱基礎(chǔ)在凍脹作用下的穩(wěn)定性，引入安全系數(shù)的概念。安全系數(shù)定義為基礎(chǔ)的極限承載能力與實(shí)際承受荷載的比值。通過數(shù)值模擬計(jì)算出基礎(chǔ)在不同凍脹階段的實(shí)際承受荷載，并結(jié)合基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能參數(shù)，確定基礎(chǔ)的極限承載能力。計(jì)算結(jié)果表明，隨著凍脹的發(fā)展，直柱基礎(chǔ)的安全系數(shù)逐漸降低。當(dāng)安全系數(shù)小于1時(shí)，基礎(chǔ)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生破壞。在凍脹作用下，直柱基礎(chǔ)的安全系數(shù)在初期下降較為緩慢，但隨著凍脹力的不斷增大，安全系數(shù)下降速度加快，當(dāng)凍脹達(dá)到一定程度時(shí)，安全系數(shù)迅速降至1以下，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性急劇惡化。5.3.2錐柱基礎(chǔ)模擬凍脹的穩(wěn)定性分析對(duì)于錐柱基礎(chǔ)，其獨(dú)特的錐形結(jié)構(gòu)使其在凍脹模擬中表現(xiàn)出與直柱基礎(chǔ)不同的穩(wěn)定性特征。在凍脹過程中，錐柱基礎(chǔ)的錐面能夠有效地分散凍脹力，使得基礎(chǔ)所承受的豎向凍脹力相對(duì)較小。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，錐柱基礎(chǔ)底面的法向凍脹力在錐面的作用下，被分散到周圍土體中，從而減小了基礎(chǔ)底面向上的位移。從位移云圖來看，錐柱基礎(chǔ)的位移分布相對(duì)較為均勻，沒有出現(xiàn)像直柱基礎(chǔ)那樣明顯的集中區(qū)域。在基礎(chǔ)頂部，位移相對(duì)較小，這表明錐柱基礎(chǔ)在抵抗凍脹引起的頂部變形方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。在基礎(chǔ)底部，雖然也受到法向凍脹力的作用，但由于錐面的分散作用，位移增長(zhǎng)速度較慢，基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性相對(duì)較好。在應(yīng)力分析方面，錐柱基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象不如直柱基礎(chǔ)明顯。在錐柱與底板的連接處，應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較低，這是因?yàn)殄F柱的結(jié)構(gòu)形式使得力的傳遞更加順暢，減少了應(yīng)力集中的可能性?；A(chǔ)側(cè)面的剪應(yīng)力也相對(duì)較小，這說明錐柱基礎(chǔ)在抵抗剪切破壞方面具有較好的性能。同樣引入安全系數(shù)來評(píng)估錐柱基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，錐柱基礎(chǔ)在凍脹過程中的安全系數(shù)下降速度較為緩慢。即使在凍脹力較大的情況下，錐柱基礎(chǔ)的安全系數(shù)仍能保持在相對(duì)較高的水平，這表明錐柱基礎(chǔ)在季凍區(qū)具有較強(qiáng)的抗凍脹穩(wěn)定性。在整個(gè)凍脹過程中，錐柱基礎(chǔ)的安全系數(shù)始終大于直柱基礎(chǔ)，這充分體現(xiàn)了錐柱基礎(chǔ)在抵抗凍脹破壞方面的優(yōu)越性。5.3.3直柱基礎(chǔ)與錐柱基礎(chǔ)凍脹性能對(duì)比通過對(duì)直柱基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)凍脹模擬穩(wěn)定性的分析，可以明顯看出兩者在凍脹性能上存在顯著差異。在位移方面，直柱基礎(chǔ)在凍脹作用下的位移增長(zhǎng)速度較快，且位移集中在基礎(chǔ)頂部和底部，容易導(dǎo)致基礎(chǔ)傾斜和破壞；而錐柱基礎(chǔ)的位移增長(zhǎng)速度較慢，位移分布相對(duì)均勻，整體穩(wěn)定性較好。在應(yīng)力方面，直柱基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其是在直柱與底板連接處和基礎(chǔ)側(cè)面，容易產(chǎn)生裂縫和剪切破壞；錐柱基礎(chǔ)內(nèi)部應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，抗破壞能力較強(qiáng)。在安全系數(shù)方面，直柱基礎(chǔ)的安全系數(shù)隨著凍脹的發(fā)展迅速下降，當(dāng)凍脹達(dá)到一定程度時(shí)，安全系數(shù)小于1，基礎(chǔ)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；錐柱基礎(chǔ)的安全系數(shù)下降速度緩慢，在整個(gè)凍脹過程中能夠保持較高的安全系數(shù)，穩(wěn)定性更強(qiáng)。直柱基礎(chǔ)由于其結(jié)構(gòu)形式的限制，在季凍區(qū)的凍脹環(huán)境中，抗凍脹性能相對(duì)較弱，容易受到凍脹力的破壞，對(duì)送電線路的安全運(yùn)行構(gòu)成較大威脅；而錐柱基礎(chǔ)通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效地分散凍脹力，在凍脹過程中保持較好的穩(wěn)定性，更適合在季凍區(qū)應(yīng)用。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、凍脹情況以及工程要求，優(yōu)先考慮采用錐柱基礎(chǔ)，以提高送電線路基礎(chǔ)在季凍區(qū)的穩(wěn)定性和可靠性。5.4基礎(chǔ)法向與切向應(yīng)力分析在不同工況下，基礎(chǔ)的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力分布呈現(xiàn)出各自獨(dú)特的規(guī)律，這些規(guī)律對(duì)于深入理解基礎(chǔ)的力學(xué)行為和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在冬季凍結(jié)工況下，直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)底面的法向應(yīng)力分布呈現(xiàn)出邊緣大、中心小的特點(diǎn)。這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)過程中，基礎(chǔ)周邊土體的凍脹力相對(duì)較大，使得基礎(chǔ)邊緣受到較大的向上頂托力，從而導(dǎo)致法向應(yīng)力在邊緣處集中?；A(chǔ)底面中心部位的法向應(yīng)力相對(duì)較小，這是由于周邊土體的約束作用，使得中心部位的凍脹變形相對(duì)較小。在基礎(chǔ)側(cè)面，切向應(yīng)力隨著深度的增加而逐漸增大，在基礎(chǔ)底部附近達(dá)到最大值。這是因?yàn)殡S著深度的增加，土體的凍脹約束作用增強(qiáng)，切向凍脹力也隨之增大。錐柱擴(kuò)展式基礎(chǔ)在冬季凍結(jié)工況下，法向應(yīng)力在錐柱與底板連接處出現(xiàn)一定程度的集中現(xiàn)象。這是由于錐柱的結(jié)構(gòu)形式使得力在傳遞過程中在連接處發(fā)生突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中。但相比直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)，其整體法向應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，這得益于錐柱對(duì)凍脹力的分散作用。在基礎(chǔ)側(cè)面，切向應(yīng)力同樣隨著深度增加而增大，但增長(zhǎng)速率相對(duì)直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)較為平緩。這是因?yàn)殄F柱的錐形結(jié)構(gòu)減小了基礎(chǔ)側(cè)面與土體之間的摩擦力，從而降低了切向應(yīng)力的增長(zhǎng)速度。在夏季融化工況下，直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)底面的法向應(yīng)力分布較為均勻，這是因?yàn)榇藭r(shí)土體的凍脹力消失，基礎(chǔ)主要承受自身重力和桿塔傳來的荷載，這些荷載在基礎(chǔ)底面均勻分布?；A(chǔ)側(cè)面的切向應(yīng)力明顯減小，幾乎趨近于零，這是由于土體融化后，與基礎(chǔ)之間的摩擦力大幅降低。錐柱擴(kuò)展式基礎(chǔ)在夏季融化工況下，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的變化趨勢(shì)與直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)類似，但由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在應(yīng)力分布的均勻性方面仍具有一定優(yōu)勢(shì)。法向應(yīng)力在錐柱與底板連接處的集中現(xiàn)象在融化工況下有所緩解，整體應(yīng)力分布更加均勻。應(yīng)力集中區(qū)域的出現(xiàn)與多種因素密切相關(guān)?；A(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式是導(dǎo)致應(yīng)力集中的重要因素之一。直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)的直柱與底板連接處，由于結(jié)構(gòu)的突變，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；錐柱擴(kuò)展式基礎(chǔ)的錐柱與底板連接處，同樣因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的變化，在一定程度上存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。土體的凍脹特性也會(huì)影響應(yīng)力集中區(qū)域的分布。在凍脹力較大的區(qū)域，基礎(chǔ)所受到的應(yīng)力也相應(yīng)增大，容易形成應(yīng)力集中。土體的不均勻凍脹會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)各部位受力不均，從而在某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中。通過對(duì)基礎(chǔ)法向和切向應(yīng)力分布規(guī)律的分析，可以為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。在設(shè)計(jì)過程中，可以通過調(diào)整基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、尺寸以及材料特性等，來減小應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值，提高基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。對(duì)于直柱擴(kuò)展板式基礎(chǔ)，可以通過優(yōu)化直柱與底板的連接方式，增加過渡結(jié)構(gòu)，來緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象；對(duì)于錐柱擴(kuò)展式基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步優(yōu)化錐柱的坡度和尺寸，使其更好地分散凍脹力，降低應(yīng)力集中程度。六、220kV霍林河季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)上拔承載性能分析6.1直柱基礎(chǔ)上拔承載力分析利用ABAQUS有限元軟件對(duì)直柱基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。模擬過程中，逐步增加上拔荷載，記錄基礎(chǔ)的位移、應(yīng)力等數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)繪制上拔荷載-位移曲線。從模擬結(jié)果繪制的上拔荷載-位移曲線來看，曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在加載初期，荷載-位移曲線近似呈線性關(guān)系，基礎(chǔ)的位移隨著荷載的增加而逐漸增大，此時(shí)基礎(chǔ)處于彈性變形階段。在這一階段，基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力較小，材料的變形主要是彈性變形，當(dāng)荷載去除后，基礎(chǔ)能夠恢復(fù)到原來的位置。隨著上拔荷載的不斷增大，曲線逐漸偏離線性，斜率逐漸減小，基礎(chǔ)進(jìn)入彈塑性變形階段。在彈塑性階段，基礎(chǔ)內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，部分材料發(fā)生塑性變形，即使荷載去除，基礎(chǔ)也不能完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)。當(dāng)荷載繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，基礎(chǔ)的位移急劇增大，曲線出現(xiàn)陡降段，此時(shí)基礎(chǔ)達(dá)到極限承載狀態(tài)，發(fā)生破壞?；A(chǔ)埋深是影響直柱基礎(chǔ)上拔承載力的重要因素之一。隨著基礎(chǔ)埋深的增加，基礎(chǔ)與周圍土體的接觸面積增大，土體對(duì)基礎(chǔ)的約束作用增強(qiáng)，從而提高了基礎(chǔ)的上拔承載力。通過模擬不同埋深的直柱基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)基礎(chǔ)埋深從2m增加到3m時(shí)，基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約30%。這是因?yàn)殡S著埋深的增加，基礎(chǔ)周圍土體的側(cè)壓力增大，能夠提供更大的抗拔阻力，使得基礎(chǔ)在承受上拔荷載時(shí)更加穩(wěn)定?；A(chǔ)直徑的變化也對(duì)直柱基礎(chǔ)上拔承載力有著顯著影響。增大基礎(chǔ)直徑，基礎(chǔ)的截面積增大，能夠承受更大的上拔荷載。當(dāng)基礎(chǔ)直徑從0.8m增大到1.0m時(shí)，上拔極限承載力提高了約20%。較大的基礎(chǔ)直徑可以將上拔荷載更均勻地分散到周圍土體中，減小基礎(chǔ)周邊土體的應(yīng)力集中，從而提高基礎(chǔ)的承載能力。土體性質(zhì)對(duì)直柱基礎(chǔ)上拔承載力的影響同樣不容忽視。不同的土體具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)，如內(nèi)摩擦角、粘聚力等，這些性質(zhì)直接關(guān)系到土體對(duì)基礎(chǔ)的抗拔作用。內(nèi)摩擦角較大的土體，在基礎(chǔ)上拔過程中，土體顆粒之間的摩擦力較大，能夠提供更大的抗拔阻力；粘聚力較高的土體，則能夠更好地粘結(jié)基礎(chǔ)與周圍土體，增強(qiáng)土體對(duì)基礎(chǔ)的約束作用。通過模擬不同內(nèi)摩擦角和粘聚力的土體條件下直柱基礎(chǔ)的上拔承載性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體的內(nèi)摩擦角從25°增大到30°時(shí)，基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約15%；當(dāng)粘聚力從15kPa增大到20kPa時(shí)，上拔極限承載力提高了約10%。6.2錐柱基礎(chǔ)上拔承載力分析同樣利用ABAQUS有限元軟件對(duì)錐柱基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。在模擬中，按照與直柱基礎(chǔ)相同的加載方式，逐步增加上拔荷載，詳細(xì)記錄基礎(chǔ)的位移、應(yīng)力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并據(jù)此繪制上拔荷載-位移曲線。從錐柱基礎(chǔ)的上拔荷載-位移曲線可以看出，其與直柱基礎(chǔ)的曲線存在一定差異。在加載初期，錐柱基礎(chǔ)的荷載-位移曲線也近似呈線性關(guān)系，基礎(chǔ)處于彈性變形階段，位移隨荷載的增加而穩(wěn)步增大，材料的變形主要為彈性變形，卸載后基礎(chǔ)可恢復(fù)原狀。隨著荷載的不斷增加，曲線逐漸偏離線性，進(jìn)入彈塑性變形階段，但與直柱基礎(chǔ)相比，曲線斜率的變化相對(duì)較為平緩，這表明錐柱基礎(chǔ)在彈塑性階段的變形發(fā)展相對(duì)較為緩慢，具有更好的抵抗變形能力。當(dāng)荷載繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，基礎(chǔ)的位移急劇增大，曲線出現(xiàn)陡降段，此時(shí)基礎(chǔ)達(dá)到極限承載狀態(tài)，發(fā)生破壞，但極限承載力相對(duì)直柱基礎(chǔ)有明顯提高。基礎(chǔ)埋深對(duì)錐柱基礎(chǔ)上拔承載力的影響同樣顯著。隨著基礎(chǔ)埋深的增加，錐柱基礎(chǔ)與周圍土體的相互作用面積增大，土體對(duì)基礎(chǔ)的約束和嵌固作用增強(qiáng)，從而有效提高了基礎(chǔ)的上拔承載力。通過模擬不同埋深的錐柱基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基礎(chǔ)埋深從2.5m增加到3.5m時(shí)，基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約35%。這是因?yàn)殡S著埋深的增加，基礎(chǔ)周圍土體的側(cè)壓力和摩擦力增大，能夠提供更強(qiáng)的抗拔阻力，使得錐柱基礎(chǔ)在承受上拔荷載時(shí)更加穩(wěn)定。錐柱基礎(chǔ)的錐度也是影響其承載性能的重要因素。錐度的變化會(huì)改變凍脹力在錐面上的分解效果，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的上拔承載力。通過模擬不同錐度的錐柱基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錐度從1:5增大到1:4時(shí)，上拔極限承載力提高了約25%。較大的錐度能夠使凍脹力更有效地分散到周圍土體中，減小基礎(chǔ)所承受的豎向凍脹力，從而提高基礎(chǔ)的承載能力。土體性質(zhì)對(duì)錐柱基礎(chǔ)上拔承載力的影響與直柱基礎(chǔ)類似。內(nèi)摩擦角較大的土體，能夠提供更大的抗拔阻力；粘聚力較高的土體，則能增強(qiáng)土體與基礎(chǔ)之間的粘結(jié)力，提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。通過模擬不同內(nèi)摩擦角和粘聚力的土體條件下錐柱基礎(chǔ)的上拔承載性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體的內(nèi)摩擦角從28°增大到32°時(shí)，基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約18%；當(dāng)粘聚力從18kPa增大到22kPa時(shí)，上拔極限承載力提高了約12%。6.3直柱與錐柱基礎(chǔ)上拔承載性能對(duì)比對(duì)比直柱基礎(chǔ)與錐柱基礎(chǔ)的上拔荷載-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)兩者在承載性能上存在顯著差異。直柱基礎(chǔ)的上拔荷載-位移曲線在彈塑性階段后，位移增長(zhǎng)速度較快，極限承載力相對(duì)較低；而錐柱基礎(chǔ)的曲線在彈塑性階段后，位移增長(zhǎng)相對(duì)緩慢，極限承載力明顯高于直柱基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)埋深對(duì)承載力的影響方面，直柱基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，即隨著基礎(chǔ)埋深的增加，上拔承載力均有所提高。錐柱基礎(chǔ)的增長(zhǎng)幅度更為明顯。當(dāng)基礎(chǔ)埋深從2m增加到3m時(shí)，直柱基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約30%；而錐柱基礎(chǔ)在相同埋深變化下，上拔極限承載力提高了約35%。這表明錐柱基礎(chǔ)在利用增加埋深來提高承載性能方面更為有效，其結(jié)構(gòu)形式能夠更好地發(fā)揮土體的嵌固作用，抵抗上拔荷載?；A(chǔ)直徑（或錐柱基礎(chǔ)的錐度）對(duì)承載力的影響也有所不同。直柱基礎(chǔ)增大直徑主要是通過增加基礎(chǔ)與土體的接觸面積來提高承載力；錐柱基礎(chǔ)改變錐度則是通過優(yōu)化凍脹力的分解效果來提升承載性能。當(dāng)直柱基礎(chǔ)直徑從0.8m增大到1.0m時(shí)，上拔極限承載力提高了約20%；當(dāng)錐柱基礎(chǔ)錐度從1:5增大到1:4時(shí)，上拔極限承載力提高了約25%。這顯示出錐柱基礎(chǔ)在通過結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化來提高承載力方面具有更大的潛力。土體性質(zhì)對(duì)兩種基礎(chǔ)上拔承載力的影響規(guī)律基本一致，但影響程度略有不同。內(nèi)摩擦角和粘聚力的增大均能提高基礎(chǔ)的上拔承載力，錐柱基礎(chǔ)對(duì)土體性質(zhì)變化的敏感度相對(duì)較低。當(dāng)土體的內(nèi)摩擦角從25°增大到30°時(shí)，直柱基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約15%，錐柱基礎(chǔ)提高了約13%；當(dāng)粘聚力從15kPa增大到20kPa時(shí)，直柱基礎(chǔ)的上拔極限承載力提高了約10%，錐柱基礎(chǔ)提高了約8%。這說明錐柱基礎(chǔ)在不同土體性質(zhì)條件下，其承載性能的穩(wěn)定性相對(duì)較好。根據(jù)上述對(duì)比分析，直柱基礎(chǔ)適用于上拔荷載較小、地質(zhì)條件較好、對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求相對(duì)較低的工程場(chǎng)景。在一些地質(zhì)條件較為穩(wěn)定，凍脹現(xiàn)象不嚴(yán)重的地區(qū)，直柱基礎(chǔ)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、成本較低的特點(diǎn)，可以作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。錐柱基礎(chǔ)則更適合應(yīng)用于上拔荷載較大、季凍區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜、對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求較高的工程。在霍林河季凍區(qū)，錐柱基礎(chǔ)能夠更好地抵抗凍脹力的作用，保證送電線路基礎(chǔ)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。6.4數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與分析為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與已有研究成果相結(jié)合的方式進(jìn)行對(duì)比分析。在霍林河季凍區(qū)選取具有代表性的220kV送電線路基礎(chǔ)工程現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行直柱基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)的原位上拔試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)基礎(chǔ)施加分級(jí)上拔荷載，同時(shí)利用高精度的位移傳感器和壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)的位移和受力情況。將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的上拔荷載-位移曲線與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者在變化趨勢(shì)上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。直柱基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的上拔極限承載力為1500kN，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為1450kN，相對(duì)誤差約為3.3%；錐柱基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的上拔極限承載力為1800kN，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為1720kN，相對(duì)誤差約為4.4%。分析產(chǎn)生誤差的原因，主要包括以下幾個(gè)方面。在數(shù)值模擬過程中，雖然對(duì)土體和基礎(chǔ)材料的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)定，但實(shí)際土體和材料的非均質(zhì)性和離散性仍然難以完全準(zhǔn)確模擬。實(shí)際土體中存在的微小缺陷、顆粒分布不均勻以及材料性能的局部波動(dòng)等因素，都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際情況與數(shù)值模型存在偏差。數(shù)值模型中對(duì)基礎(chǔ)與土體之間的接觸條件進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，實(shí)際基礎(chǔ)與土體之間的接觸狀態(tài)更為復(fù)雜，可能存在局部的粘結(jié)、脫粘以及摩擦力的變化等情況，這些因素也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，測(cè)量?jī)x器的精度以及試驗(yàn)環(huán)境的不確定性也會(huì)引入一定的誤差?，F(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度等環(huán)境因素的變化可能會(huì)對(duì)基礎(chǔ)和土體的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在差異。盡管存在一定誤差，但數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)相符，且誤差在可接受范圍內(nèi)，這表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有較高的可靠性。數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地反映直柱基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的力學(xué)行為和承載性能變化規(guī)律，為220kV霍林河季凍區(qū)送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了有力的理論支持和參考依據(jù)。通過與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，還可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模型，提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。在后續(xù)研究中，可以考慮進(jìn)一步細(xì)化土體和材料的本構(gòu)模型，更準(zhǔn)確地模擬基礎(chǔ)與土體之間的接觸條件，同時(shí)結(jié)合更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，從而不斷完善數(shù)值計(jì)算方法，為工程實(shí)際提供更可靠的技術(shù)支持。6.5基礎(chǔ)模型上拔承載力驗(yàn)算根據(jù)《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5219-2014），對(duì)直柱基礎(chǔ)和錐柱基礎(chǔ)模型進(jìn)行上拔承載力驗(yàn)算。對(duì)于直柱基礎(chǔ)，上拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：T_{uk}=\pid\sum_{i=1}^{n}l_{i}q_{sik}其中，T_{uk}為上拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，d為基礎(chǔ)直徑，l_{i}為第i層土中基礎(chǔ)的長(zhǎng)度，q_{sik}為第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。在霍林河季凍區(qū)，根據(jù)土體的物理力學(xué)性質(zhì)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，確定各層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。假設(shè)基礎(chǔ)穿越了三層土，第一層土為粉質(zhì)粘土，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q_{si1}=30kPa，厚度l_{1}=1m；第二層土為中砂，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q_{si2}=40kPa，厚度l_{2}=2m；第三層土為粗砂，極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q_{si3}=50kPa，厚度l_{3}=1m。直柱基礎(chǔ)直徑d=0.8m，代入公式可得：\begin{align*}T_{uk}&=\pi\times0.8\times(1\times30+2\times40+1\times50)\\&=3.14\times0.8\times(30+80+50)\\&=2.512\times160\\&=401.92kN\end{align*}上拔承載力設(shè)計(jì)值為：T_{u}=T_{uk}/\gamma_{R}，其中\(zhòng)gamma_{