輸電線路鋼管樁基礎試驗研究

鄭衛鋒，馮自霞，魯先龍

(中國電力科學研究院，北京市，100055)

0 引言

在農網改造特別是城鎮電網改造工程中，電力鋼管塔代替水泥桿在輸電線路中已越來越被廣泛應用。鋼管塔通常采用獨立式鋼筋混凝土基礎，但此基礎占地面積大、基槽開挖尺寸大、混凝土用量多，對城市道路、地下市政設施及附近建筑物影響較大［1-6］。

為方便農網或城鎮電網輸配電線路的改造，解決城區輸電線路基礎施工的矛盾，確保線路安裝便捷，提出采用鋼管樁基礎代替獨立式鋼筋混凝土基礎。鋼管樁基礎的優點在于:在水泥桿原位換桿打樁不影響原線路布局;占地少，不受地形限制，對附近建筑物沒有影響;停電時間短，當天施工當天送電;打樁機不用外接電源，不受野外施工沒有電源的影響。

然而，埋置于土體中的輸電線路鋼管樁基礎的承載特性能否滿足設計要求，目前尚未有明確的定論，因此需要進行現場真型試驗，以獲得鋼管樁基礎的水平承載力、抗拔承載力、抗壓承載力值，為其在農網改造中的應用提供第一手技術資料。

1 試驗概況

1.1 工程地質條件

現場真型試驗選擇在河北霸州某設備制造廠院內，廠區場地屬河流沖擊平原區，地勢平坦，地貌單一，廠區相對高程為－0.3～－0.45 m。勘探深度范圍內揭露天然地層屬第四紀全新統河流沖積夾湖積地層，土質以粉土、粉質粘土和細砂為主，表層有耕植土。廠區地層特征及其分布規律自上而下分別如下。

①粉質粘土夾薄層粉土:層厚2.7～5.7 m，黃灰色，不均勻，可塑，包含銹斑。上部粉土較多，層底部有灰黑色粘性土，含有少量貝殼。粘性土具有高壓縮性，光澤反應稍有光滑，無搖振反應，中等強度，中等韌性。

②粉土:層厚0～2.6 m，灰黃色，均勻，中密，濕～稍濕。無光澤反應，中等搖振反應，低強度，低韌性。該層土僅在西部區域鉆孔有揭露。

③細砂:層厚0.1 ～18.7 m，黃灰色、灰色，均勻，中密～密實。上部有粉砂，多為細砂，級配良好，土性較好。

以上各層土的物理力學性質指標見表1。

廠區內地下水為季節性孔隙潛水型，水位受季節、降水等因素影響會有所升降，試驗期間地下水穩定水位高程為－12.6～－12.76 m。廠區地下水對混凝土結構無腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋無腐蝕性。冬季期間場地標準凍深0.7 m。

表1 土體物理力學性質指標Tab.1 Main parameters of soils

1.2 基礎設計尺寸

現場分別進行了3根鋼管樁的水平試驗、3根鋼管樁的下壓試驗、3根鋼管樁的抗拔試驗，共計9基試驗。其中水平試驗采用φ920 mm埋深5 m的鋼管樁，抗拔、抗壓試驗采用φ720 mm埋深5 m的鋼管樁，壁厚均為5 mm。

1.3 基礎施工

鋼管樁基礎現場施工選擇在冬季進行，施工機械設備采用上海工程機械廠生產的D-18、D-25筒式導桿式機械燃油打樁機，現場主要施工流程與施工工藝如下。

(1)技術員在施工前按圖紙設計要求，對樁基礎和配套的法蘭尺寸、螺栓、螺母等各項技術要求進行復核是否符合設計要求，然后檢查樁位的準確位置和方向樁的角度是否正確，確認無誤后安排機械設備到場進行開工準備。

(2)機械設備到現場指定位置后，對車輛的穩定進行機械加固，確認穩定后按以下工藝進行操作:升起降工作架;提錘;吊樁，錘到達一定高度后，由吊車將樁基礎放入錘的下方，對樁基礎準確樁位的線路方向、垂直度進行校核，確認后由登高人員拔插板放錘壓樁;壓樁后檢查打樁機、燃油開關及操作掛繩等是否正常;樁基礎打平后，提錘放升降架收車，將樁管內填滿土。

1.4 試驗加載方案

抗壓試驗采用錨樁法，如圖1所示;抗拔試驗時利用原始地面做抗壓承載力，如圖2所示;水平試驗時利用試驗完畢的抗拔樁、抗壓樁提供試驗反力。

試驗采用慢速荷載維持法，試驗加荷等級由RSJYC型樁基靜載荷測試分析系統自動控制，但在現場試驗過程中，可根據以往類似試驗經驗對加載初期的低荷載采用快速荷載法。

水平試驗終止加載的標準為:樁身折斷、水平位移超過30 mm、水平位移達到設計要求的水平位移允許值。

圖1 抗壓試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of compression loading device

圖2 抗拔試驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of uplift loading device

抗壓與抗拔試驗終止加載的標準為:某級荷載作用下，樁頂位移量大于前一級荷載作用下位移量的5倍;某級荷載作用下，樁頂位移量大于前一級荷載作用下位移量的2倍，且經24 h尚未達到相對穩定標準;當荷載-位移曲線呈緩變型時，可加載至樁頂總沉降量60～80 mm，上拔位移以40 mm控制。

具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見相關規范［7-10］。

試驗極限承載力統計值的確定應符合下列規定:參加統計的試樁結果，當滿足其級差不超過平均值的30%時，取其平均值;當級差超過平均值的30%時，應分析級差過大的原因，結合工程具體情況綜合確定，必要時可增加試樁數量;對樁數為3根或3根以下的柱下承臺，或工程樁抽檢數量少于3根時，應取低值。

2 試驗結果分析

2.1 鋼管樁基礎的荷載位移曲線

圖3為3根鋼管樁基礎的水平試驗時的水平位移和荷載關系曲線。取水平位移10 mm對應的荷載為水平極限荷載。鋼管樁基礎水平極限承載力統計值為254 kN，如表2所示。

圖3 鋼管樁基礎水平試驗荷載位移曲線Fig.3 Curves of lateral load versus displacement for steel pile foundation

圖4為3根鋼管樁基礎的抗壓試驗荷載和位移關系曲線。取曲線尾部出現明顯向下彎曲的前一級荷載值為抗壓極限承載力。鋼管樁基礎的單樁抗壓極限承載力統計值為867 kN，如表3所示。

圖4 鋼管樁基礎下壓試驗荷載和位移關系曲線Fig.4 Curves of compression load versus displacement for steel pile foundation

表3 鋼管樁基礎下壓承載力統計表Tab.3 Compression bearing capacity of steel pile foundation

圖5為3根鋼管樁基礎的上拔試驗荷載和位移關系曲線。若本級荷載的上拔位移為5倍于前1級位移時，取本級荷載為抗拔極限承載力。鋼管樁基礎的單樁抗拔極限承載力統計值為317 kN，如表4所示。

圖5 鋼管樁基礎上拔試驗荷載和位移關系曲線Fig.5 Curves of uplift load versus displacement for steel pile foundation

表4 鋼管樁基礎上拔承載力統計表Tab.4 Uplift bearing capacity of steel pile foundation

2.2 鋼管樁基礎的極限承載力

通過鋼管樁的荷載位移關系曲線可得，對于φ920 mm埋深5 m的鋼管樁，其水平極限承載力為254 kN。由于施工與試驗均在冬季進行，場地表層土有凍結現象，試驗得到的水平極限承載力可能部分偏大，在具體設計時應折減取值。

對于φ720 mm埋深5 m的鋼管樁，其抗壓極限承載力為867 kN，其抗拔極限承載力為317 kN。在抗壓與抗拔試驗過程中，鋼管樁周圍的表層土體位移變化量很小，可忽略不計，因此鋼管樁的抗拔承載力主要與樁周土體的極限側阻力有關，而鋼管樁的抗壓承載力主要與樁周土體的極限側阻力、樁底土體的極限端阻力值有關。

3 結語

目前，鋼管樁基礎主要應用在10 kV以上的農網改造工程中。鋼管樁與上部鋼管塔之間的連接方式往往采用法蘭盤連接，同時增加混凝土基座，進一步增加鋼管樁的抗傾覆能力，減少桿塔傾斜，可用于受荷較大的轉角塔、終端塔。

鋼管樁基礎的現場真型試驗為其在城鎮電網建設和改造中廣泛、安全應用提供了第一手技術資料，為今后類似工程提供參考。

［1］章曉明.鋼管樁基礎的應用及施工方法［J］.供用電，2003，20(5):35-36.

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［6］俞振全.鋼管樁的設計與施工［M］.北京:地震出版社，1993.

［7］DL/T 5219—2005架空送電線路基礎設計技術規定［S］.北京:中國電力出版社，2005.

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［9］JGJ 94—1994建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，1995.

［10］中國電力科學研究院.輸電線路鋼管樁基礎試驗報告［R］.北京:中國電力科學研究院，2011.