本发明属于工程应用及计算土力学技术领域，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。
背景技术：
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的发明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；采用本发明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。该发明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，该发明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的发明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。该发明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，该发明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。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明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，本发明采用以下技术方案：
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非饱和膨胀土地基的相关物理参数包括内聚力、内摩擦角、土体密度、天然含水率、液塑限参数、膨胀特性参数和压缩特性参数。
优选地，所述步骤4具体包括以下步骤：
(1)选取合适的网格尺寸，并设置网格单元类型为三维八结点一次积分实体缩减积分单元c3d8r，对非饱和膨胀土地基模型和杆塔基础模型进行网格划分；
(2)设置非饱和膨胀土地基模型的边界条件：约束非饱和膨胀土地基模型底部三个方向的位移及四周四个面相对应的水平位移；
(3)在地应力平衡分析步中对非饱和膨胀土地基模型施加重力荷载，并保证其一直持续在后续分析步中；
(4)在静力荷载分析步一中对杆塔基础模型施加包括下压荷载、上拔荷载和组合荷载的上部荷载，上部荷载由实际的工程条件确定，并保证上部荷载持续至膨胀计算分析步中；
(5)从初始分析步开始对非饱和膨胀土地基模型施加预定义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，该预定义温度场根据实际工程所在地的非饱和膨胀土地基中的含水率分布情况确定，并保证该预定义温度场在膨胀计算分析步之前保持不变；
(6)在膨胀计算分析步中改变地表土体大气影响深度范围内的非饱和膨胀土地基中含水率的分布情况，计算由于非饱和膨胀土地基含水率的变化而引起的非饱和膨胀土地基模型的胀缩变形，从而得到杆塔基础模型的胀缩变形，以及由此产生的非饱和膨胀土地基模型中的应力分布情况，从而可以得到杆塔基础模型由于非饱和膨胀土地基模型中含水率分布变化而产生的位移情况；
(7)在静力计算分析步二中改变杆塔基础模型上部的荷载值，计算在新的湿度场分布条件下非饱和膨胀土地基模型的承载力，进而可以得到由于含水率变化而引起的非饱和膨胀土地基模型承载力的变化情况；
优选地，在所述步骤5中，对运算结果进行分析包括非饱和膨胀土地基模型中的湿度场、应力、应变和塑性区分布，以及杆塔基础模型承载力和非饱和膨胀土的胀缩效应产生的变形特性。
优选地，为尽量消除边界效应对于模型计算结果的影响，非饱和膨胀土地基模型的尺寸为杆塔基础模型尺寸的3.0～5.0倍。
优选地，地表土体大气影响深度范围为3.0～5.0m。
本发明的有益效果是：
本发明针对目前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造成杆塔基础稳定性的问题，而且目前还没有一种简单有效的分析非饱和膨胀土地基的承载力的方法，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，首先，建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型；之后，分别建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型的材料属性；之后，建立相关分析步，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。
通过本发明的计算方法，可以简单有效的得到由于含水率变化而引起的膨胀土地基上杆塔基础的位移变形情况，可以有效的分析出其上部结构会不会因为膨胀土的胀缩变形而发生倾斜甚至倾倒破坏，并且可以得到由于膨胀土的胀缩变形而引起的结构及地基土体内力分布图，可以针对应力集中区域进行相应的优化设计，从而节省工程造价，提高工程安全性。
另外，可以通过数值计算，简单高效的得到含水率变化后的膨胀土地基承载力，确保杆塔基础不会由于膨胀土强度变化(主要是指由于吸水后强度降低)而导致强度不足引起的基础失稳破坏，与复杂费时又消耗巨大的模型试验相比，具有极大的经济和效率优势。
本发明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，并得到含水率变化后的非饱和膨胀土地基的承载力，确保位于非饱和膨胀土地基上的杆塔基础不会由于强度不满足要求而失稳破坏。
附图说明
图1为本发明一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法的流程图；
图2为本发明实施例中杆塔基础模型的尺寸及网格划分图；
图3为本发明实施例中非饱和膨胀土地基模型的尺寸及网格划分图；
图4为本发明实施例中非饱和膨胀土地基模型的应力云图；
图5为本发明实施例中非饱和膨胀土地基模型的位移云图；
图6为本发明实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的湿度场分布示意图；
图7为本发明实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的应力分布云图；
图8为本发明实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的位移分布云图；
图9为本发明实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的等效塑性应变云图；
图10为本发明实施例中在膨胀计算分析步过程中杆塔基础顶部及非饱和膨胀土地基地表土体的位移时间曲线；
图11为本发明实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型中的应力分布云图；
图12为本发明实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型中的位移分布云图；
图13为本发明实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型中的等效塑性应变云图；
图14为本发明实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型达到极限承载力的荷载位移曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1至附图14，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例，如图1所示为本发明一种非饱和膨胀土地基上杆塔基础稳定性数值分析方法的流程图，下面以某一输电线路直线型塔的板式基础为例，分析其在上部荷载作用下，由于地基土体含水率变化而引起的位移变形情况及后续的地基承载力大小，具体步骤如下：
步骤1、建立杆塔基础模型和非饱和膨胀土地基模型：以某输电线路直线型塔板式基础为例，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，取杆塔基础模型的铁塔呼高为33m，则根据相关设计规范可得其基础跟开为10.069m，因此，取其杆塔基础模型的具体尺寸如图2所示，为尽量消除模型边界条件对于计算结果的影响，取非饱和膨胀土地基模型尺寸附图3所示。
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，具体包括以下步骤：
s1、对非饱和膨胀土进行包括土体密度试验、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的基础物理力学试验，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包括内聚力、内摩擦角、土体密度、天然含水率、液塑限参数、膨胀特性参数和压缩特性参数；
根据上述基础物理力学试验结果，得到非饱和膨胀土地基模型的材料属性如下表1所示；
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，具体杆塔基础模型的材料属性如下表2所示；
此外，根据对于非饱和膨胀土所进行的室内无荷载膨胀率试验，拟合出非饱和膨胀土的膨胀率与初始含水率之间的关系为：
从而可以得到不同初始含水率ω1和最终含水率ω2所对应的膨胀率δps1和δps2，则根据温度场等效湿度场相关理论，有湿度场变化引起的线膨胀率：
式中：ν为土体泊松比，进而可得abaqus有限元中输入的温度线膨胀参数：
β＝0.01α
由此，根据不同的工况计算不同含水率变化时的温度线膨胀系数，输入abaqus有限元软件中；
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。
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：对杆塔基础模型施加正常的运营荷载，计算在运营荷载条件下非饱和膨胀土地基模型的变形及应力场分布，得到如图4所示非饱和膨胀土地基模型的应力云图和如图5所示非饱和膨胀土地基模型的位移云图，同时保证在本分析步及其以前的分析步中非饱和膨胀土地基模型中的含水率数值取ω＝18％，呈均匀分布且保持不变；
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，本实施例中地表土体大气影响深度范围为5m，此范围内的土体含水率ω＝7.65％，也即由于干燥气候引起的地表土体失水收缩，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；具体包括以下步骤：
(1)选取合适的网格尺寸，并设置网格单元类型为三维八结点一次积分实体缩减积分单元c3d8r，对非饱和膨胀土地基模型和杆塔基础模型进行网格划分；
(2)设置非饱和膨胀土地基模型的边界条件：约束非饱和膨胀土地基模型底部三个方向的位移及四周四个面相对应的水平位移；
(3)在地应力平衡分析步中对非饱和膨胀土地基模型施加重力荷载，并保证其一直持续在后续分析步中；
(4)在静力荷载分析步一中对杆塔基础模型施加包括下压荷载、上拔荷载和组合荷载的上部荷载，上部荷载由实际的工程条件确定，本市实施例中上部荷载取值为240kpa，并保证上部荷载持续至膨胀计算分析步中；
(5)从初始分析步开始对非饱和膨胀土地基模型施加预定义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，该预定义温度场根据实际工程所在地的非饱和膨胀土地基中的含水率分布情况确定，并保证该预定义温度场在膨胀计算分析步之前保持不变；
(6)在膨胀计算分析步中改变地表土体大气影响深度范围内的非饱和膨胀土地基中含水率的分布情况，计算由于非饱和膨胀土地基含水率的变化而引起的非饱和膨胀土地基模型的胀缩变形，从而得到杆塔基础模型的胀缩变形，以及由此产生的非饱和膨胀土地基模型中的应力分布情况，从而可以得到杆塔基础模型由于非饱和膨胀土地基模型中含水率分布变化而产生的位移情况；
(7)在静力计算分析步二中改变杆塔基础模型上部的荷载值，计算在新的湿度场分布条件下非饱和膨胀土地基模型的承载力，进而可以得到由于含水率变化而引起的非饱和膨胀土地基模型承载力的变化情况。
步骤5、提交运算，并对运算结果进行分析，具体包括非饱和膨胀土地基模型中的湿度场、应力、应变和塑性区分布，以及杆塔基础模型承载力和非饱和膨胀土的胀缩效应产生的变形特性；具体运算结果分析内容如下：
(a)在上部荷载作用下非饱和膨胀土地基模型的应力及位移场分布
如图4和图5所示分别为本实施例中非饱和膨胀土地基模型的应力云图和位移云图，从中可以看出，非饱和膨胀土地基模型中的应力和应变分布主要集中在基础底部附近范围内，并且由于上部荷载不是特别大，故非饱和膨胀土地基并没有出现破坏现象；总体而言，通过本分析步可以得到非饱和膨胀土地基土体中的应力及应变(此处的应变也就是位移)的分布情况。
(b)由含水率变化而引起的膨胀过程导致非饱和膨胀土地基模型的应力、位移场重新分布
对于在杆塔基础模型的上部荷载作用下已经变形稳定的非饱和膨胀土地基，改变地表大气影响深度范围内(5m)的土体含水率，进而会引发非饱和膨胀土的胀缩效应，由于土体胀缩必然会引起杆塔基础的位移变形及非饱和膨胀土地基土体和杆塔基础中内力的变化；
如图6所示，为本实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的湿度场分布示意图；
如图7所示，为本实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的应力分布云图；
如图8所示，为本实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的位移分布云图；
如图9所示，为本实施例中膨胀计算分析步后非饱和膨胀土地基模型中的等效塑性应变云图；
根据图6至图9所示的计算结果可以明显看出，由于含水率的变化，使得非饱和膨胀土地基模型及杆塔基础模型中的应力发生了明显的变化，原本没有塑性应变的非饱和膨胀土地基的上部土体中，由于非饱和膨胀土的胀缩变形而产生了塑性区，由此可见非饱和膨胀土胀缩效应对于杆塔基础的影响程度；
此外，如图10所示为本实施例中膨胀计算分析步过程中杆塔基础顶部及非饱和膨胀土地基地表土体的位移时间曲线，从图10中可以看出，当非饱和膨胀土地基地表土体的含水率从18％变化为7.65％时，地表土体产生了明显的收缩沉降，并且由于杆塔基础埋深较深，造成杆塔基础沉降少，而非饱和膨胀土地基地表土体沉降多，从而造成非饱和膨胀土地基土体对杆塔基础附加有向下的作用力。
(c)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
经过膨胀计算分析步后，非饱和膨胀土地基模型及杆塔基础模型中均产生了由于非饱和膨胀土的胀缩效应而引起的内力，此外，由于非饱和膨胀土含水率的变化也会导致非饱和膨胀土强度的改变，因此有必要对于含水率变化后的非饱和膨胀土地基模型的地基承载力进行进一步的计算分析。
如图11所示，为本实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型中的应力分布云图；
如图12所示，为本实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型中的位移分布云图；
如图13所示，为本实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型中的等效塑性应变云图；
从图11至图13中可以看出，原来在非饱和膨胀土地基模型上部的塑性区，由于上部荷载的作用而发生在非饱和膨胀土地基模型的下部土体中，并且随着塑性区的发展，最后导致非饱和膨胀土地基的土体破坏，如图14所示，为本实施例中含水率重新分布后非饱和膨胀土地基模型达到极限承载力的荷载位移曲线。
本实施例中地表土体大气影响深度范围为5m，很显然根据不同地区土质及环境的不同也可以选用其他地表土体大气影响深度范围，比如3m或4m等。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。