文摘

螺旋锚用于输电线路的支持是至关重要的组件。单锚的失败会导致整个输电线路结构的损失导致的损失为下游社区权力。尽管是重要的,它是不实际使用传统的地下勘探钻孔方法,劳动密集型和昂贵的,估算土壤属性和锚定容量。介绍了使用实证和elasticity-based设计技术加上表面波(水泥)的光谱分析技术提供锚的地下信息基础设计。基于微小应变波传播,水泥决定横波速度剖面然后相关锚定容量。一个试点项目,涉及400多个锚安装已经完成,证明这些技术是可靠的和可以实现输电线路结构设计。

1。介绍

基础的荷载传递机制从结构到地球介质,和基础的设计通常依赖于土壤强度的测定,,然后由安全系数降低,FS,容许应力,: 所需的强度变量可能包括土壤凝聚力和摩擦角和各种形状和载荷修正因素。戴维斯和Selvadurai [1)认为,安全因素限制行为在弹性范围内(峰值应力的1/3)。因此,他们建议可能有发病率弹性地基设计有意义的地方。因为大多数土壤/岩石力学测试方法相关联的决心最终优势的土壤材料,戴维斯和Selvadurai [1)进一步建议使用地球物理测试方法确定原位土壤弹性参数。而强大的推理,没有提供真实的设计例子加强弹性设计理念。最近论文Selvadurai [2)进一步扩展争论的重要性在土力学弹性多孔弹性问题。

本文认为输电结构是可能的候选人elastic-based设计和建议使用基于经验的锚基础的弹性设计方法使用瑞利因而土壤勘探技术确定弹性参数(3- - - - - -5]。这种方法应用于anchor-supported传输线结构,这通常是由螺旋锚稳定,往往事先安装底层土壤特性的信息(3]。因为锚容量取决于土壤的固有阻力,失效分析相关的土壤特性在输电线路建设可能会导致灾难性的锚撤离。此类故障不仅会影响特定传输线结构,但也可能危及周边传动结构的稳定性导致domino失效模式会导致广泛的为下游社区停电。然而,大多数传输结构是建立在一个没有广泛的快速时尚地下探索,因此,主持人通常从锚制造商安装基本建议4]。

提出土壤勘探技术,光谱分析的表面波(水泥),是基于冲击造成的检测,微小应变应力波(5]。方法产生横波速度与深度的土壤和测试已经成功地应用于检测路面厚度、浅层土壤概要描述,相关土壤液化势(5- - - - - -13]。三个使用水泥可以建立技术数据:推荐的埋置深度锚,土壤刚度在必要的深度,和基岩的深度。关联波速度锚定容量,控制拉力测试在不同的土壤进行网站导致线性相关。图1显示了拉锚在不同深度的应力分布(Niroumand后,它们与14])。如果足够的安全系数是建立在设计,这样的锚系统将加载在弹性范围内,然后弹性取决于水泥搅拌土参数可能与实际的锚定容量。图2展示了弹性波参数之间的示意图连接和固定的终极锚控股能力结构。建立了相关性通过实际的地球物理和锚拉力测试在几个测试网站(15]。然后验证前后设计方法使用实际对输电线路设计和拉力测试在格鲁吉亚,美国。

2。传统的锚基础结构和土壤的探索

螺旋锚基础张力基金会使用锚碇锚拒绝撤军的能力(16- - - - - -21]。传统设计为输电固定基础结构依赖于土壤极限强度参数(凝聚力,c,和摩擦角,),确定使用原位破坏土壤勘探技术标准贯入试验(SPT) [21]。Niroumand等人总结过去的实验数据对锚板的研究不同土壤(14,22]。这个测试是劳动密集型和费时,它需要大量的钻探和取样测量刚度参数称为孤立点值,这可能是也可能不是代表整个基础结构将建的地方。这个场景变成了一个严重的问题在高度非均匀土壤的地区,特别是在多层土壤系统。固有的高成本和不准确的SPT需要当前实践安装锚没有土壤的探索,这是一种“随意”的战略,它整合了一个锚拉力测试。

螺旋锚锚拉力测试,通常是安装,直到达到指定的扭矩评级或畸形23]。一旦安装完毕,然后拉锚通过支持一台推土机耦合到一个测力计测量锚容量(图3)。尽管是耗费时间,显然这种策略避免了需要执行SPT。然而,这种方法的锚安装严重变形;因此,原有的属性可能是摄动。拉锚来执行测试也可能打扰其他的周边地区螺旋锚安装。此外,由于土壤的刚度是未知的,锚安装深度可以从3米砂在沼泽土壤条件30多万。这种不可预测性可以昂贵:锚定在30米,而是前土壤探索可能揭示一个地方锚定可以实现在较小的深度,导致更少的使用扩展棒。这个锚的相对风险和不可预测性拉伸试验方法,以及SPT的缺点,保证价格低廉的发展,无损而准确的方法来衡量土壤刚度。

3所示。表面波的频谱分析

调查潜在的无损、地球物理测试方法表明,光谱分析的表面波(水泥)为测量提供了一种可行的选择土壤刚度(3]。通过对土壤波传播的影响,生成一个特征剪切波速。这种剪切波速是土壤的弹性性质的函数;因此,这种技术可以提供一个描述性的土壤剖面刚度与深度。理论横波速度剖面,通过这样一个过程,对应于最大剪切模量在小压力测试的网站。图4显示应变大小效应的影响在一个典型的剪切应力,剪切模量τ与剪切应变,γ曲线。应变率0.05%的通常定义为小应变率(24]。该方法包括三个阶段:现场测试和数据收集,评估的瑞利波弥散曲线,色散曲线的反演得到横波速度剖面。水泥测试包括机械激发(即。锤的影响)和两个低频接收器。在测试过程中,两个接收器放在土壤表面,影响源第一接收器的距离(D)等于两个接收器之间的距离(D),这是一个激动的波的波长的函数。这些接收器连接到一个数据采集系统。使用影响励磁,微小应变应力波与广泛的光谱内容生成,当通过等距的接收器允许corelatable信号被捕获。测试通常在正向和反向执行方向以生成平均色散曲线。一般配置水泥测试设置如图5。

也显示在图5是扩大传感器间距产生更深的电波,因此检测土壤特性在更深的土壤。这两个传感器的间距等于影响源之间的距离最近的接收机。每个记录的时间序列信号接收器转化为频域的傅里叶变换。每次测试后,然后比较两个接收器的频率范围来确定相角的变化在不同的频率。然后确定两个信号之间的相位差,和旅行时间()之间的两个接收器在每个频率可以获得(25] 在哪里在一个给定的频率相位差是吗。表面波速度(可以获得)(3),两个接收器之间的距离吗 相应的波长(然后确定 计算执行在每个频率分量和导致色散曲线。然后使用这些色散曲线确定理论横波速度剖面通过一个迭代过程的匹配实验色散曲线的假设理论剪切波速曲线(25]。网站的分层和剪切波速的每一层都假设是基于实验的色散曲线。

锚基金会的研究中,不同大小的锤子和4赫兹检波器接收已被用于地面振动传感。之间的测试进行了等间距0.5米,1.0米,1.8米,3.6米,7.3米和14.6米。在每个位置,进行了超过5支安打,平均信号然后使用。

4所示。锚容量相关

自锚容量,,是一个函数的极限强度参数,和,材料密度,、和力量修改因素,和等等(26]。方程(5)通过(7)显示的提升能力锚在沙子,淤泥,粘土,分别为: 在哪里 =锚隆起极限能力(磅) =土壤有效的单位重量(磅/英尺³), =深度的螺旋(英尺) =无黏性土的隆起能力因素(无单位), =平均螺旋直径()。 =深度底部的螺旋(英尺) =侧向土压力系数无黏性土的隆起(无单位), =周长的锚定轴()。 =粘附在锚定轴(无单位), =的螺旋(在顶部。²), 无黏性土的内摩擦角(), 粘性土的内摩擦角(), 粘性土的隆起能力因素(无单位), 凝聚力在螺旋板(磅/英尺²), =重量的土壤失败区(磅)。

Kulhawy等人表示,所有锚的行为相同的基本方式和上市失效模式如下:锥抵抗失效模式假定上升阻力是由土壤的锥内锚的重量;剪切破坏模式假设沿圆柱表面剪切发生故障;承载力失效模式假设腔底板上方或螺旋形式,提供失败的表面16]。Niroumand et al。14,22)表明,应力分布是埋置深度的函数,可以分化成浅和深锚(图1)。

的复杂性(5)和锚定的快速建设基础保证简化和快速设计方法(15]。然而,波的传播速度,是弹性材料常数的函数,(剪切模量),(杨氏模量),(泊松比)和材料密度,。弹性设计方法假设波速度和容量相关,因为在小应变,土壤不显示任何的刚度退化与应变水平和装卸周期,和线性弹性模型是一个很好的近似。

建立横波速度之间的相关性和锚定容量,共有62个水泥测试,与SPT 29土壤无聊,共进行了97锚拉力测试在美国东南部地区。测试锚被安装在不同深度和刚度(由水泥搅拌),和拉力测试以确定其容量进行(27]。从水泥搅拌土刚度和条件也与SPT数据验证。研究了两种类型的锚在这个项目(6.78 kN-m和9.49 kN-m扭转能力)。这些锚是最常用的电力公司。

选择的结果绘制在图6,这代表水泥搅拌剪切波速的对比和SPT值。这些值代表规范化刚度之间的剪切波速的两个参数除以670 /秒(典型的剪切波速在摇滚(表1(24))),值除以50(钻拒绝)。它也显示在图6和标有箭头通过T19 T1锚安装相应的深度。表2显示了代表锚拉力测试的结果。所有锚受到拉失败或356 kN。失败表明,锚总蠕变录得超过100毫米的27]。

基于锚拉力测试数据收集,一个线性趋势线绘制在图7显示平均拉承载力与横波速度的线性方程 L =锚−容量(磅)和=横波速度(米/秒)。

然而,应该指出的是,相关性很低值(0.1393)。统计适合这种低可能是由于这一事实的相关性并不区分粘性或摩擦的土壤。

因为这个方程是基于平均结果,安全因素被添加到不同的范围(8)来确定锚容量与剪切波速的变化。这是确保所有的锚将满足最低容量。图7显示了锚容量的变化在不同的安全因素。方程(9)显示了安全系数计算(FS)为1.63,这是一百百分位的最大传递安全系数线性回归直线。这条线将遇到一个最低容量从收集到的测试结果 下面的方程显示了考虑锚容量与剪切波速之间的相关性: 图8显示的行(10),在中心范围代表推荐范围(180到400米/秒)锚安装。如果下面安装一个锚在< 180米/秒,这个地区的土壤强度可能无法提供足够的或最少的容量。这个推荐范围是满足需求的南方公司,所有主持人都至少控股装机容量75 kN的工作负载。另一方面,如果锚安装在> 400米/秒,岩石碎片可能遇到并导致拒绝(无法穿透,不转矩)。因此,必须安装锚小心,尤其是在大胆的黑线所代表的范围之外。

图9显示了设计方法的总结,其中水泥测试技术决定了土壤刚度配置文件和基于(10)、埋置深度和能力可以确定。用表1,项目还可以使用波速基岩的深度值。由于土壤测试技术确定弹性参数,该方法被认为是一个弹性的设计。除了完全无损,水泥搅拌技术也快速,相对容易执行,可移植性,并且便宜。

5。现场验证试验

全面字段进行验证测试在格鲁吉亚,美国,来验证相关的锚容量预测基于水泥的结果。该网站的目的是或操作卡温顿之间的输电线路和Eatonton, GA。图10显示验证项目网站的程度。基于现场测试水泥和(10),一组建议锚安装提供,其中包括土壤刚度和深度;所需数量的扩展每个锚安装深度的渴望。

共有439个锚安装的输电线路,所有安装根据建议。表3总结了锚安装和锚拉力测试结果。总数的93.17%锚安装达到推荐的深处,只有6.83%(28锚)扭矩达到之前推荐的深处。之前那些锚,达到完整的转矩达到推荐的深度,其中82%(23锚)缺乏一个扩展。总共154拉力测试71 kN或共进行了85 kN在这些选定的锚。这些是基于最终的工作负荷。所有锚测试持续最终把工作负载没有失败。

6。结论

一个前后弹性设计方法提出了锚定传输线结构的基础。弹性的设计方法依赖于使用土壤属性来源于水泥搅拌土测试方法,无损和容易执行和预测的埋置深度和控股能力埋锚。这项研究的结果表明,水泥测试可以提供可靠的预测,基岩的深度和土壤相关的优点和控股能力与锚拉锚的验证测试。最近完成的试验项目已经证明这些技术是可靠的和可以实现输电线路结构设计。

水泥是有价值的作为快速岩土调查的工程工具,因为它确定了土壤刚度形象和具有良好的相关性(SPT值12,13]。它也被用于检测土壤异常包括层粘土层、基岩,灰岩坑。然而,穷人统计适合派生锚容量和横波速度的相关性表明需要进一步调查的土壤属性和弹性基础极限容量之间的关系。它也应该警告说,弹性方法不占土壤条件变化的整个生命周期,结构,这可能造成很大的限制,这项技术可能适用。

确认

这个研究项目的结果从南方公司金融支持和技术支持。研究人员要首先承认加洛韦科尔比先生对他的支持和耐心,许多工程师参与和贡献研究:先生们从南方公司输电线路设计/极委员会,丹尼斯·e·麦斯、查尔斯·g·Munden Jr Brett Luebke兰迪•派克和史蒂夫·罗伯茨。作者还感谢Norbert Delatte克利夫兰州立大学的教授和詹姆斯高塔对这项研究的技术贡献。