一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法技术

本发明专利技术公开了一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，首先，建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型；之后，分别对于杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型赋予对应的材料属性；之后，建立相关分析步，并对杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型进行网格划分，设置用于约束非饱和膨胀土地基模型底部及四周位移的边界条件，并施加重力荷载及相应的杆塔基础模型上部荷载；最后，提交运算，并对运算结果进行分析。本发明专利技术简单有效解决了由于非饱和膨胀土地基中含水率变化而引起的输电线路杆塔基础的变形及稳定性问题，并可得到含水率变化后的非饱和膨胀土地基的承载力，为确定非饱和膨胀土地基上的杆塔基础的稳定性提供了一种数值分析方法。

Numerical analysis method for stability of tower foundation on unsaturated expansive soil foundation

The invention discloses a numerical analysis method for the stability of the tower foundation on the unsaturated expansive soil foundation. First, the tower foundation model and the unsaturated expansive soil base model are established. After that, the corresponding material attributes are given to the tower foundation model and the unsaturated expansive soil base model respectively. The tower foundation model and the unsaturated expansive soil base model are meshed, and the boundary conditions for the base and the surrounding displacement of the unsaturated expansive soil base model are set up, and the gravity load and the upper load of the corresponding tower foundation model are applied. Finally, the calculation is presented and the calculation results are analyzed. The invention provides a simple and effective solution to the deformation and stability of the transmission line tower foundation caused by the change of water content in the unsaturated expansive soil foundation, and the bearing capacity of the unsaturated expansive soil foundation after the change of water content is obtained, which provides a number of stability for determining the stability of the tower foundation on the unsaturated expansive soil foundation. Value analysis method.

【技术实现步骤摘要】
一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法
本专利技术属于工程应用及计算土力学
，尤其是涉及一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法。
技术介绍
膨胀土是一种由强亲水矿物(蒙脱石、伊利石)构成，是具有吸水膨胀、失水收缩特性的高塑性粘土。其对环境气候条件异常敏感，浸湿后强度明显降低，从而对膨胀土地基上建、构筑物造成巨大安全隐患。全世界众多国家都分布这膨胀土，而我国膨胀土分布区域广泛，从河南、河北到西南部广西、云南等地，均不同程度分布着膨胀土。这些地区多属于半湿润、半干旱气候区，其特点是干湿交替分明。工程中膨胀土常具有非饱和、超固结性、裂隙发育等特性。在这样的气候条件下，坐落于膨胀土地基上的建构筑物易受膨胀土胀缩特性影响，特别是上部作用力不大的输电线塔杆塔基础。而关于膨胀土地基上的建筑物的相关建筑技术规范大多是基于常规土体的，并没有专门针对膨胀土的建筑技术规范供建设单位参考，因此往往造成膨胀土地基上的工程项目发生严重的工程问题，不仅造成巨大的经济损失，也对于社会的健康发展造成严重影响，引起不好的社会舆论。特别是坐落于膨胀土地基上的远距离输电线塔，一旦由于失稳发生倾斜破坏，将导致某一地区供电中断，严重影响居民生活和工业生产，甚至会引发社会安全问题。众多科学研究表明，引起膨胀土地基上的建筑物或者构筑物安全运行的主要原因是降雨，也即降雨或者极端气候条件引发膨胀土地基中的含水率分布发生改变，而膨胀土对于水分极为敏感，具有极强的吸水膨胀强度降低，失水收缩强度提高的特性。目前对于坐落于膨胀土地基上的构筑物的研究最有效的手段是现场模型试验或者室内模型试验，但由于该种方法周期长，费时费力，花费的经济成本相对较大，因此不便于工程实际广泛采用。而随着科学技术的发展，基于计算机数值计算的分析方法正在工程分析和应用中发挥越来越重要的角色。而且，基于数值计算方法，可以有效的得到土体中的应力场、变形场、塑性区等等，相对模型试验，可以更加直观的得到土体及基础中的应力集中区，从而为工程设计及优化提供良好的依据。基于有限元温度场的分析方法与由于含水率变化而引起的膨胀土的胀缩效应具有明显的相似效应。首先，一般材料具有温度升高体积膨胀并且强度降低、温度降低体积收缩强度提高的特性，该特性与膨胀土的胀缩效应具有极强的相似性；其次，当物体受到热源作用时，其内部会形成一个热传导方程控制的温度变化场，并且具有热力耦合作用，而当膨胀土中由于含水率变化时，也会形成一个由水分扩散方程控制的湿度场，并且有关学者已经在各向同性线膨胀假设的条件下推导出了水土耦合的湿度应力平衡微分方程，其与热力耦合方程极为相似，这为利用温度场模拟湿度场奠定了基础。授权公告号为CN103967037B的专利技术专利公开了一种杆塔刚性基础的优化设计方法，在新配方的矿物掺合料混凝土的力学性能的基础上，按照现有有限元分析方法，计算杆塔基础及周围土体的应力分布；采用本专利技术提供的矿物掺合料混凝土力学参数及输电线路杆塔基础优化设计方法，在上拔力作用工况下进行土体抗剪承载力验算与基础抗剪承载力验算；在下压力工况下进行基础底面抗拉承载力验算与基础抗剪承载力验算；在基础混凝土用量最少的条件下确定基础最优刚性角。该专利技术方法能综合考虑多工况下基础的安全性，提出一种简单易行的杆塔刚性基础的优化设计方法，通过优化基础刚性角节省了杆塔基础混凝土用量。然而，该专利技术不适用于膨胀土地基上输电线路杆塔基础的变形及地基承载力的计算分析。专利申请公布号为CN107247857A的专利技术专利公开了一种偏斜管桩承载力分析方法，包括以下步骤：S1将偏斜管桩划分为多个偏斜管桩单元；S2构建桩侧荷载传递函数：S3构建桩端荷载传递函数：S4结合桩侧荷载传递函数和桩端荷载传递函数建立偏斜管桩的力学模型，计算出各偏斜管桩单元结点的内力、位移和偏斜管桩的侧阻力、端阻力，进而得到偏斜管桩的承载力分析结果。该专利技术实现了偏斜管桩的承载力分析，解决了传统理论上无法用理论分析偏斜管桩承载力的难题。然而，该专利技术同样不适用于膨胀土地基上输电线路杆塔基础的变形及地基承载力的计算分析。综上所述，可以利用有限元软件中的温度场来模拟由于含水率变化而引起的土体中湿度场的重分布过程，并模拟由此引起的位于膨胀土地基上的输电线路杆塔基础的变形及地基承载力的变化情况，从而为工程分析、设计及应用提供重要的参考依据。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，解决了由于非饱和膨胀土地基中含水率变化而引起的输电线路杆塔基础的变形及稳定性问题，并得到含水率变化后的非饱和膨胀土地基的承载力，为确定非饱和膨胀土地基上的杆塔基础的稳定性提供了一种数值分析方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，主要由以下步骤组成：步骤1、建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型：根据实际工程中杆塔基础的尺寸信息，利用ABAQUS三维有限元分析软件建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型；步骤2、分别建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型的材料属性：对不同含水率条件下的非饱和膨胀土分别进行三轴试验以获得非饱和膨胀土的材料参数，并将得到的非饱和膨胀土的材料参数作为不同含水率条件下的非饱和膨胀土地基模型的材料参数，以杆塔基础的材料参数作为杆塔基础模型的材料参数；之后将完成材料属性建立的杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型组装在一起，并设置这两个模型之间的法向接触参数及切向接触参数；步骤3、建立以下分析步：a.地应力平衡分析步：用于消除重力引起的非饱和膨胀土地基模型的变形；b.静力荷载分析步一：用于分析杆塔基础模型在正常运营荷载条件下非饱和膨胀土地基模型的变形情况；c.膨胀计算分析步：通过在ABAQUS中预定义非饱和膨胀土地基模型中的温度场来等效模拟在实际工程条件下非饱和膨胀土地基中含水率的分布情况，并通过改变温度场的分布情况来模拟地表土体大气影响深度范围内非饱和膨胀土地基模型的含水率的变化过程，从而计算由于含水率变化引起的非饱和膨胀土地基的胀缩变形及其承载力特性的变化情况；d.静力计算分析步二：对于杆塔基础模型施加荷载，用于计算非饱和膨胀土地基模型在含水率重新分布后的地基承载力；步骤4、对杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型进行网格划分，设置用于约束非饱和膨胀土地基模型底部及四周位移的边界条件，并施加重力荷载及相应的杆塔基础模型上部荷载；步骤5、提交运算，并对运算结果进行分析。优选地，所述步骤2具体包括以下步骤：S1、对非饱和膨胀土进行基础物理力学试验，以得到不同初始含水率条件下的非饱和膨胀土地基的相关物理参数；S2、根据实际工程情况，确定杆塔基础模型材料的密度、弹性模量和泊松比；S3、分别对杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型建立相对应的材料模型，其中杆塔基础模型选取理想弹性模型，非饱和膨胀土地基模型选取弹塑性摩尔-库伦模型，并分别输入相应的材料属性。优选地，在所述步骤S1中，对非饱和膨胀土进行的基础物理力学试验包括土体密度试验、含水率试验、液塑限试验、压缩性试验、膨胀性试验和三轴试验。优选地，在所述步骤S1中，对非饱和膨胀土进行基础物理力学试验以得到不同初始含水率条件下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，其特征在于，主要由以下步骤组成：步骤1、建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型：根据实际工程中杆塔基础的尺寸信息，利用ABAQUS三维有限元分析软件建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型；步骤2、分别建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型的材料属性：对不同含水率条件下的非饱和膨胀土分别进行三轴试验以获得非饱和膨胀土的材料参数，并将得到的非饱和膨胀土的材料参数作为不同含水率条件下的非饱和膨胀土地基模型的材料参数，以杆塔基础的材料参数作为杆塔基础模型的材料参数；之后将完成材料属性建立的杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型组装在一起，并设置这两个模型之间的法向接触参数及切向接触参数；步骤3、建立以下分析步：a.地应力平衡分析步：用于消除重力引起的非饱和膨胀土地基模型的变形；b. 静力荷载分析步一：用于分析杆塔基础模型在正常运营荷载条件下非饱和膨胀土地基模型的变形情况；c. 膨胀计算分析步：通过在ABAQUS中预定义非饱和膨胀土地基模型中的温度场来等效模拟在实际工程条件下非饱和膨胀土地基中含水率的分布情况，并通过改变温度场的分布情况来模拟地表土体大气影响深度范围内非饱和膨胀土地基模型的含水率的变化过程，从而计算由于含水率变化引起的非饱和膨胀土地基的胀缩变形及其承载力特性的变化情况；d. 静力计算分析步二：对于杆塔基础模型施加荷载，用于计算非饱和膨胀土地基模型在含水率重新分布后的地基承载力；步骤4、对杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型进行网格划分，设置用于约束非饱和膨胀土地基模型底部及四周位移的边界条件，并施加重力荷载及相应的杆塔基础模型上部荷载；步骤5、提交运算，并对运算结果进行分析。...

【技术特征摘要】
1.一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，其特征在于，主要由以下步骤组成：步骤1、建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型：根据实际工程中杆塔基础的尺寸信息，利用ABAQUS三维有限元分析软件建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型；步骤2、分别建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型的材料属性：对不同含水率条件下的非饱和膨胀土分别进行三轴试验以获得非饱和膨胀土的材料参数，并将得到的非饱和膨胀土的材料参数作为不同含水率条件下的非饱和膨胀土地基模型的材料参数，以杆塔基础的材料参数作为杆塔基础模型的材料参数；之后将完成材料属性建立的杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型组装在一起，并设置这两个模型之间的法向接触参数及切向接触参数；步骤3、建立以下分析步：a.地应力平衡分析步：用于消除重力引起的非饱和膨胀土地基模型的变形；b.静力荷载分析步一：用于分析杆塔基础模型在正常运营荷载条件下非饱和膨胀土地基模型的变形情况；c.膨胀计算分析步：通过在ABAQUS中预定义非饱和膨胀土地基模型中的温度场来等效模拟在实际工程条件下非饱和膨胀土地基中含水率的分布情况，并通过改变温度场的分布情况来模拟地表土体大气影响深度范围内非饱和膨胀土地基模型的含水率的变化过程，从而计算由于含水率变化引起的非饱和膨胀土地基的胀缩变形及其承载力特性的变化情况；d.静力计算分析步二：对于杆塔基础模型施加荷载，用于计算非饱和膨胀土地基模型在含水率重新分布后的地基承载力；步骤4、对杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型进行网格划分，设置用于约束非饱和膨胀土地基模型底部及四周位移的边界条件，并施加重力荷载及相应的杆塔基础模型上部荷载；步骤5、提交运算，并对运算结果进行分析。2.根据权利要求1所述的一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：S1、对非饱和膨胀土进行基础物理力学试验，以得到不同初始含水率条件下的非饱和膨胀土地基的相关物理参数；S2、根据实际工程情况，确定杆塔基础模型材料的密度、弹性模量和泊松比；S3、分别对杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型建立相对应的材料模型，其中杆塔基础模型选取理想弹性模型，非饱和膨胀土地基模型选取弹塑性摩尔-库伦模型，并分别输入相应的材料属性。3.根据权利要求2所述的一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法，其特征在于：在所述步骤S1中，对非饱和膨胀土进行的基础物理力学试验包括土体密度试验、含水率试验、液塑限试验、压缩性试验、膨胀性试验和三轴试验。4.根据权利要求3所述的一种非饱和膨胀土地基上杆塔基...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘湘莅，齐道坤，郭新菊，路晓军，钱建固，席小娟，郭正位，苏征，景川，王文峰，肖波，胡鑫，梁晟，赵志虎，唐旻，刘存凯，杨敏，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网河南省电力公司经济技术研究院，同济大学，
类型：发明
国别省市：北京,11