文摘
软粘土地基的承载力较低,这很容易导致过度累积和变电站的不均匀沉降。这将严重威胁设备在变电站的安全运行。基于220 kv变电站项目在沿海软土,解决变电站建筑现场监控,地面和软土的沉降法进行了分析。此外,一个三维有限元模型是使用有限元软件开发ZSOIL.PC命名。数值软粘土地基的沉降预测模型提出了一种变电站使用适当的元素类型,材料本构模型和计算参数。验证了该数值方法的合理性与实测资料进行比较。改善后的软粘土地基水泥土深层搅拌法,仍有一定程度的累积和微分定居点在变电站配电装置,但都是在规范的要求。软土的沉降地面变电所的随着时间的增加,但增长率逐渐下降并最终趋于稳定一段时间后,确保地基处理的均匀性的关键是控制不均匀沉降。研究结果可以为后续的安装和建设提供参考电气设备和变电站的设计工程的软土地基。
1。介绍
作为一种重要的变换和在电网传输电能,变电站是整个电网系统的核心和链接,是非常重要的对于电力系统的安全稳定运行。土地资源越来越稀缺,社会经济的快速发展。确保高浓缩中性电力负荷的正常供电区域,变电站有时不得不建立在沿海软粘土地基。软粘土地基具有高含水量、高压缩性,通常低承载力(1]。加上温度的影响,降雨,和环境负荷的变电站,变电站的大型沉降变形和不均匀沉降可以很容易地结果,严重威胁设备安全稳定运行的变电站(典型的例子如图1下文)。提高变电站项目的质量,确保电网的安全稳定运行,有必要实施沉降监测变电站项目(2,3]。
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大量的研究探讨了软粘土地基的沉降问题,并提出了许多方法来计算基础的沉降。考虑到侧向压力对地基沉降的影响,Skempton和Bjerrum4)提出了一种修改方法来计算最终的主固结沉降使用三维孔隙压力不排水三轴应力条件下获得的。Burland [5]研究了软粘土的结构性问题压缩和认为压缩系数很小范围内的结构屈服应力;它将很快增加当它大于结构屈服压力,和压缩曲线逐渐趋于重塑土的压缩曲线。Indraratna et al。6)进行了三维数值模拟的超孔隙水压力和固结沉降下真空预压。沈(7)结构性土的力学行为描述利用损伤理论,建立了土壤破坏的演化规律。王,陈8,9)提出了一个解析表达式来计算一维固结程度的分段线性化结构性软粘土地基的固结曲线。冯et al。10)提出了一个简化的方法计算多级多层软黏土的蠕变沉降在一维应变条件下。王等人。11]介绍了损伤率的概念Duncan-Zhang模型考虑软粘土的结构。赵et al。12)计算了软粘土地基的沉降通过开发一个非线性elastic-viscoplastic蠕变本构模型。Yu et al。13)软粘土地基的沉降计算使用二维离散单元法。鲁伊et al。14)计算桩的压缩系统,研究了在饱和软粘土地基沉降颗粒填料的特点。张(15)提出了软土的沉降计算方法考虑结构特性的影响基于实验室和现场测试数据。施等。16]分析了软基上路堤的沉降使用有限元方法在考虑结构性土的流变学和损害基于土壤弹塑性模型。金等。17)计算viscoelastoplastic软粘土变形使用修改后的Nishihara模型非伴生流动法则。胡锦涛et al。(18)提出了一个监控程序,基于分布式光纤传感技术的变电站地基沉降解决地基沉降监测的问题。
总之,有相对较少的沉降变形规律研究变电站在沿海软土基础,而且还有一个缺乏适当的数值方法预测解决方案。在这项研究中,进行了沉降监测220 kv变电站项目在沿海软土地基,和解决法律的变电所地面根据监测结果进行了分析。基于有限元软件ZSOIL。电脑,一个三维有限元模型开发预测变电站建筑的长期累积沉降。验证了数值模型的预测沉降与实测资料进行比较。研究结果可以为工程设计提供参考的变电站项目软土场地。
2。项目概述
2.1。项目规模
变电站现场位于山东省滨州市以北82公里,中国,道河河口附近。变电站的主要建筑包括两个配电装置建筑和四个主变压器基础,220 kv配电的建筑是在南边的车站和离地面两层区域。110 kv配电设备车站建筑的北侧区域,有一个地下楼(电缆夹层)和两层离地面。四个主要的变压器被安排在车站的中间区域,和周围设置环形消防道路。220 kv配电建设初建,然后,110 kv配电设备建筑被建。两个配电建筑和四个变形金刚如图2,他们的几何可以近似为一个立方体。他们的布局如图6。
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2.2。工程地质条件
根据地质调查结果,结合区域地质资料收集和附近现有建设项目的经验,网站的地貌成因类型是一个海陆交互沉积平原和地貌类型是一个沿海海滩。这个网站是平的,海拔1.25 - -1.42米。它最初是一个虾池塘和总是位于水面以下。该网站是由第四纪全新世人工填满(第四季度年代)和全新世海陆交互沉积一层(第四季度mc),岩性粉砂粘土,粉砂和细砂。地形图的车站站点在地质调查图所示3。共有19个静态渗透测试孔排列项目。车站站点区域的勘探间距是12.50 - -40.20 m,勘探深度是17.00 - -25.00米。数量、间距和勘探点深度项目满足相关要求的岩土工程调查的“代码”(GB 50021 - 2001) (19)和“技术代码岩土调查变电站(DL / t5170 - 2015)”(20.]。此外,确定土壤的物理性质指标,选择代表性土样进行实验室土壤测试,例如,直接剪切试验,压实试验和无侧限抗压强度测试。典型的静力触探试验(21结果如图4。典型的为每个土层物理性质指标如表所示1。的地层特征提出网站描述如下新老从上到下:(我)一层泥粘土、饱和软塑料塑料流动状态,不均匀土壤,明显的床上用品,一层薄薄的粉砂和细砂,和当地混合壳碎片(2)一层粉砂土,略湿∼很湿,稍致密状态是占主导地位的,部分是medium-dense状态,不均匀土壤,分层很明显,夹在粘性土壤,沙质土壤薄层,和地方混有大量的贝壳碎片(3)一层泥粘土、饱和软塑料塑料流动状态,不均匀土壤,明显的床上用品,砂质粉土和细沙,当地混合壳碎片(iv)一层细沙,松散的状态,不均匀土壤,明显的床上用品,夹薄层粉砂和细砂,混合着大量的贝壳碎片在一个分层分布(v)一层粉砂土,略湿∼很湿,medium-dense状态,不均匀土壤,分层很明显,夹在粘性土壤,沙质土壤薄层,和大量的当地混合壳碎片
2.3。地基处理措施
根据项目的地质条件,服务环境,设备操作,和变电站建筑的负荷特性,水泥土搅拌法、深层搅拌法,用于地基处理的项目。建设和质量检验进行了严格按照的要求“建筑物的地基处理技术代码”jgj79 - 2012 (22)和“电力工程地基处理技术规范”DL / t5024 - 2005 (23]。混合堆的固化剂是普通硅酸盐水泥强度等级为42.5,水泥含量是55 - 65公斤/米。同时,混凝土antisulfate腐蚀防腐剂添加根据6 - 8.0%的水泥含量。
图5显示的布局水泥土搅拌桩进行地基处理。水泥土搅拌桩是安排在一个矩形,用水平和垂直间距1米,一堆的直径0.5米,和一堆的长度11米。的特征值,复合地基的承载力 对110千伏和220千伏配电建筑治疗后,和价值 主变压器和防火墙、避雷针、水泵房、消防水池等。特征值的单桩的承载力 。标准的水泥土搅拌桩的立方抗压强度值 。网站平整后土壤的压实系数是0.95。
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3所示。沉降监测
3.1。监测方案
现场沉降观测是由几何水准测量方法,其准确性是二等水准测量的规定的代码工程测量(gb50026 - 2007) [24)和电力工程的施工测量技术规程(DL / T 5445 - 2010) (25]。一个TOPCON DL501自动精密电子水准仪在日本制造,TOPCON BIS20条形码铟钢水平是用于测量,因为它有一个非常高的变形观测的精度。根据上面提到的两个代码,解决监视点主要选择在建筑和重要的承载部件,沉降缝,两边postpouring带。监视点N1,陶瓷,它们和N8(或S1、S4 S5和S8)的四个角落配电建筑图6在特殊地点,容易产生应力集中,所以它们是用作监视点。监视点N2, N3、N6和N7(或S2、S3、S6和S7)接近解决关节和postpouring带配电的建筑图6,所以他们也选为监视点。沉降监测的布局点如图6。完成施工后,解决220千伏和110千伏配电建筑被监控了148和101天,分别。
3.2。监测结果
图7显示累计结算与观察时间220 kv配电建设完成后施工。图中可以看到,解决每个监测时间点逐渐增加而增加的观察,在观察的最后期限之前,结算的增加似乎并没有停止。其中,监视点S1, S4, S5,和S8有相似的趋势,而监视点S2、S3, S6,和S7有相似的趋势,如图7。
和解的平均值监视点S1和S8作为建筑物的左边结算金额,结算的平均值监视点S4和S5作为和解的金额在右边的建筑,和结算的平均值监视点S2, S3, S6和S7作为和解的金额在大楼的中间部分。计算结果如图所示8。如图,左边有一个明显的不均匀沉降,中间,两边的220 kv配电建筑,和左右的结算金额小于在中间。这种差异主要有两个原因。一是地面土壤的性质有差异低于整个建筑,所以强化后的土壤强度不均匀。对于这个项目,双方的土壤已经比这更好的加强在中间,所以相应的地基承载力也相对较高。另一个原因是,额外的压力造成的无谓的上层建筑的基础比两边的压力大。
根据三个平均定居点如图8之间的沉降差,我们可以计算左边和中间,中间和右侧,左右。计算结果如图所示9。左右的不均匀沉降量非常小,与值接近于0。然而,左边和中间的区别和中间的区别是相对较大的,和两人的差异本质上是相同的,大约120天后趋于收敛。
配电变电站的建设属于工业与民用建筑的框架结构。工程地点的土壤高压缩性土。根据相关要求的代码设计中建筑基础(gb50007 - 2011) [26),相邻列之间的沉降差异应小于0.003升(L是测量两点之间的距离)。表2显示的值不均匀沉降监测中分。任何两个相邻测点之间的沉降差在允许范围内,表明220 kv配电的解决建筑是安全的。
图10显示了积累解决110 kv配电。如图,解决每个监测时间点继续增加而增加。经过101天的观察,现场结算仍然显示了显著增长趋势。一般来说,110 kv配电的解决建筑是小于220 kv配电的建筑同样的观察几天。这主要是因为110 kv分布建筑的上部荷载小于220 kv的分布。最大、最小和平均值的总沉降8点计算,测量和不均匀沉降是由计算之间的差异最大的定居点和最低结算。计算结果如图所示11。不均匀沉降趋于稳定后约75天,这部分是由于最近的建设220千伏配电。的主要原因解释如下:220 kv配电建设仍经历建设完成后整体沉降和不均匀沉降。然而,110 kv配电建设已接近220 kv建筑。由于额外的压力造成的无谓的220 kv配电建筑,一边接近220 kv配电建设可能会经历更大的结算与对方相比,这将导致110 kv建筑物的不均匀沉降。监视点之间的沉降差最大测量是4.11毫米,这是远远低于32毫米的容许值,表明沉降差的110 kv配电建设也是安全的。
应该注意的是,两个配电建筑的总长度很大,和整个网站由填土。网站在车站地区高于周围的站点。土壤的含水量大大和不均匀变化,和地基土的性质是不同的。因此,土壤的承载力在不同位置的基础在某种程度上是不同的。虽然采用水泥土搅拌法地基处理在这个项目中,治疗效果仍不理想,加固后地基土的强度不均匀。一般来说,双方的强化效应的配电建设比中间部分。此外,额外的土压力引起的重量的上层建筑的核心部分建筑比双方更大。因此,解决中间的两个建筑分布大于双方和解。
4所示。基础沉降的数值模拟
不均匀沉降发生在变电站的施工过程,和解决不稳定在观察期限,影响后续的电气设备的安装和施工。因此,基于车站建筑的沉降观测数据和网站的岩土工程勘察报告,与三维地质建模技术的帮助下,一个三维地质模型现场钻孔数据和工程地质资料建立了模拟的解决的基础。和解协议的发展趋势和最终沉降值是使用数值模型,预测和分析可以为电气设备的安装提供参考。在这项研究中,一个真正为岩土工程三维有限元软件,名叫ZSOIL。PC和由瑞士联邦理工学院开发的,用于数值分析。
4.1。模拟地层空间分布
地层空间分布的准确性的基础是岩土工程数值分析的准确性。一般来说,地层的空间分布是不均匀的,和土层自有现象,如厚度变化和捏在空间。目前,地层空间分布一般是根据经验确定的工程师和钻孔数据的线性插值。在这项研究中,基于地质钻孔资料有限,使用三维计算地层空间分布属于ZSOIL地质钻孔空间插值技术。电脑软件。地层信息可以通过输入自动生成的钻孔数据,如坐标、地层厚度、土壤类别,如图12。
(一)
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4.2。三维有限元模型
结合项目的背景概述和布局的建筑,地上的整体三维有限元模型,建立了变电站建设,如图13。敏感性研究建立的长度,宽度,高度土壤域消除边界对结果的影响。这是发现网格大小为121.5米×87.8米×34.65米(长×宽×高)就足以避免边界对结果的影响。应该注意的是,在自重的作用下,结构和主要经验基础垂直沉降变形和横向变形很小。34.65米的高度对土壤域足以避免边界结算结果的影响。
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在变电站建筑组件,使用梁单元模拟梁和柱系统,使用壳单元来模拟地板,和固体元素是用来模拟的基础。地板上的负载是由一个统一的模拟负载,和填充墙被替换为一个统一的负载。模型节点的数量是63788,六面体的固体元素的数量是53764,单层壳元素的数量是6172,梁元素的数量是3087,渗流元素的数量是1764。
假设没有垂直边界的水平位移模型的约束在无限域土壤侧向土压力;因此,正常水平约束应用于垂直边界。固定约束应用于底部边界由于没有位移模型的底部。显然,顶部边界是完全免费的。此外,顶部和垂直边界透水边界,因为土壤渗流可以发生在这些边界,和底部边界是一个不透水边界以来几乎没有渗流边界上厚厚的土深度。
基于上面的三维有限元模型,地基沉降的流固耦合分析使用ZSOIL执行。电脑软件比基于固结理论。分析包括4工作条件:工况1,初始静地平衡,和位移结算;工况2、分层回填、建筑混合桩,和基础;工况3,建设220千伏配电建设;和工作条件4,建设110千伏配电。四个工作条件的三维有限元模型如图。(13日),13 (b),13 (c),13 (d)。
4.3。计算参数
本构模型及相关计算参数是有限元分析的关键。地面有一定的沉降随着时间的增长造成的额外的压力下无谓的变电站建筑。但是,从实际的监测结果,它还远未达到的故障状态(即基础。,一个大变形状态)。考虑微小应变行为的重要性一直强调在解决土壤变形问题时引起的岩土工程施工(27,28]。然而,传统的弹塑性本构模型(针对摩尔-库仑,例如,基于,和修正剑桥模型)不能捕获微小应变行为,这可能导致计算不准确时用于评估地面沉降。因此,用微小应变硬化土壤模型刚度(高速钢模型)提出的奔驰et al。29日,30.)采用模拟土壤静态载荷作用下的应力-应变行为。它已经证明了高速钢模型,如土壤硬化模型的一个扩展(HS模型),可以模拟土壤的不可恢复的塑性剪切变形和体积变形与压力增大,尤其是土壤在小应变下的非线性行为(29日,30.]。高速钢模型的详细介绍可以在文献[29日,30.]。有限的空间,简要介绍其基本理论和参数提供。
剪切屈服函数的高速钢在主应力空间模型可以表示如下: 在哪里是累积塑性剪切应变;渐近线的力量;sec强度对应于50%强度;和装卸(反弹)模量的土壤。
高速钢模型采用非伴生流动规则,及其塑性势函数如下: 在哪里是膨胀角,它与塑性体积应变的增量和塑料剪切应变增量 。的关系可以表示如下:
高速钢模型考虑的与压力相关的特征模量和模量,可以表示如下: 在哪里和是模量和模量对应参考压力 。米是一个参数与土壤特性有关。
高速钢的帽屈服面模型表示如下: 平均主应力在哪里 ; 的比例是拦截的帽屈服面吗p和问轴的p- - - - - -问飞机;是初始固结压力;和是偏应力,它可以计算吗 ,在这 。
高速钢模型采用著名的Hardin-Drnevich模型(31日)来描述双曲剪切刚度和应变之间的关系在小应变区域,可以描述如下: 在哪里土壤的初始剪切模量,的剪切应变吗 。 初始剪切模量和参考满足由以下关系:
高速钢模型包括11 HS模型参数( , , , ,米, , , , , ,和 )和2小应变参数(和 )。这些参数的意义和它们的值在这个数值模拟如表所示3。参数 , , , ,和米可以由指现有研究成果(32- - - - - -34]: ;沙子,淤泥, 如果 ,其他的 ,对于粘性土 ; 通常是100 kPa;通常是0.2;沙子,淤泥,米通常是0.5,对于粘性土,米通常是0.5 - 1;和米= 0.8在这项研究。其他的模型参数可以由执行实验室土壤测试: , , ,和可以通过执行常规三轴固结排水剪切试验;可以确定通过执行三轴固结排水装卸测试;和和可以通过执行共振柱试验。为了确保材料参数的准确性,参数的平均值通常需要三个代表性土样作为最后一个参数值。应该注意的是,土壤地基处理后的强度显著提高,可以确认的参数改善土壤。然而,确定模型参数的方法,以改善土壤是一样的,未被利用的土壤。
4.4。数值模拟结果的分析
数值之间的比较和测量结果的结算时间110千伏和220千伏配电建筑图所示14和15,分别。如图表所示,两个建筑,预计值与测量值在良好的协议在整个趋势,和解决每个监测点随着时间不断增加。110 - kv配电建筑图14沉降观测的初始阶段,预测结果比测量结果相对较高,这可能与变电站周围的建筑环境,即。,道路负载两端的变电站和土壤改良的不均匀性。然而,这些因素不能被认为是在数值模拟。在整个趋势,数值模拟结果与测量结果一致,可以提供参考的基础沉降预测后续工作。
根据监测数据的发展规律和数值分析数据,变电站地基的沉降速率随时间,但结算300天后仍不稳定。因此,观察时间延长至900天,以及监测和预测预报的数据点在中间的变电站大型定居点如图16。的解决变电站基础大约700天后终于趋于稳定。最后的最大定居点110千伏和220千伏配电建筑大约22.4毫米和40.7毫米,分别。虽然项目的总沉降和沉降差在允许范围内的代码,建议不要连接密封设备在设备安装期间由于沉降要求较高配电电气设备的建筑物。此外,图17显示了所有的沉降预测结果和拟合曲线监测的110千伏和220千伏配电建筑。发现解决配电建筑可以预测的经验公式: 在哪里年代是结算(毫米),t时间(天),一个和b两个经验常数。在这个项目中,的值一个-20.728和-38.385的110千伏和220千伏配电建筑,分别和b是0.991。
(一)
(b)
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基础和结构的变形云图如图所示18。数据(18日)和18 (b)显示变形云图后一周完成建设220千伏和110千伏配电建筑,分别。图18 (c)显示变形云图当两栋建筑的解决往往是稳定的。基础的解决和建筑随时间显著增加,并最终趋于稳定。此外,两栋建筑的中间结算部分大于那些两边,和这一趋势同意在变电站实测沉降结果,证明了数值模拟方法的合理性。
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5。结论
在这项研究中,沉降观测的变电站进行软粘土地基,进行数值模拟来预测解决变电站基础ZSOIL.PC使用三维地质工程软件。基础沉降的规律进行了分析,得到了以下主要结论如下:(1)两个配电建筑,采用水泥土深层搅拌法改善软土地基严格按照相关的规范。然而,仍然有一定程度的累积沉降和不均匀沉降在配电变电站的建筑,但结算是在规范的要求,和项目仍然是安全的。控制不均匀沉降的关键是确保地基处理的一致性。(2)基于三维地质工程软件ZSOIL。电脑,软土的三维有限元模型和变电站建筑建立了基础。的数值分析方法预测软土基础的沉降在变电站使用适当的元素类型,提出了材料本构模型和计算参数。然后,验证了该方法的合理性与实测资料进行比较。提出了一个经验公式预测配电建筑物的沉降。(3)软土的沉降地面变电所的随着时间的增加,但增长率逐渐下降并最终趋于稳定一段时间后。沉降的主要原因是,虽然软土地基的承载力在治疗后显著增加,土壤尚未完全统一建设完成后,将进一步巩固附加应力的作用下引起的上层建筑。研究结果可以为后续的安装和建设提供参考电气设备和变电站的设计工程的软土地基。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家电网公司科技项目(5200 - 202055134 - 0 - 0 - 00和SGTYHT / 19 - js - 215)。