中國與美國輸電線路原狀土基礎設計方法對比

劉萬群，曾根生

(廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663)

1 概述

隨著輸電線路電壓等級和輸送容量的提高，輸電塔基礎力越來越大，如何合理的選用經濟適用的基礎型式，以及按原計算方法是否合理值得深入研究。掏挖基礎、挖孔樁基礎是在輸電線路中應用最為廣泛的基礎型式，具有經濟、環保的優點。而掏挖基礎和帶擴大頭的挖孔樁基礎外形近似，但計算模型完全不同，當基礎力較大、基礎埋深較深時，如何合理的選擇計算模型是設計人員應當關注的問題，美國標準中此類基礎統稱為“Drilled shaft foundation”，在IEEE Std 691-2001中有比較詳細的介紹，并進行了大量的試驗驗證，值得借鑒。下文對中國的掏挖基礎、帶擴大頭的挖孔樁基礎和美國Drilled shaft基礎的設計方法進行介紹和對比，為輸電工程設計人員提供參考。

2 基本公式

2.1 中國規范掏挖基礎設計方法

2.2.1 上拔承載力

掏挖基礎上拔穩定一般采用剪切法，按下式計算：

當ht≤hc時

當ht＞hc時

式中：γf為基礎附加分項系數。直線桿塔取1.1，懸垂轉角塔取1.3，轉角、終端、大跨越塔取1.6；TE為基礎上拔力設計值；γE為水平力影響系數；A1、A2為無因次系數；ht為基礎的埋置深度；γs為基礎底面以上土的加權平均重度；D為圓形底板直徑；ΔV為(ht-hc)范圍內的基礎體積；hc為基礎上拔臨界深度；Qf為基礎自重力；γθ為基底展開角影響系數，當坡角θ0>45度時取1.2，否則取1.0；cw為計算凝聚力；c為按飽和不排水剪或相當于飽和不排水剪方法確定的凝聚力；Sr為地基土的實際飽和度。

2.1.2 下壓承載力

當軸心荷載作用時：

當偏心荷載作用時：

式中：P為基礎底面處的平均壓力設計值；fa修正后的地基承載力特征值；γef為地基承載力調整系數；Pmax為基礎底面邊緣最大壓力設計值。

另外，底板在下壓荷載作用時，其基底壓力不得大于表1。

表1 基底壓力限值

底板剪切承載力應滿足下式要求：

式中：V為計算截面上的剪力設計值；hx為計算截面高度。

2.2 中國規范挖孔樁基礎設計方法

由以上計算方法可以看出，美國沒有土體剪切模型的計算方法，而是推薦采用圓柱體剪切模型，此計算方法與我國的挖孔樁基礎類似，以下是我國的挖孔樁計算方法。

2.2.1 下壓樁基礎的承載力計算

當根據土的物理指標與承載力參數之間的經驗關系確定單樁下壓極限承載力標準值時，單樁下壓極限承載力宜按下式計算：

式中：qsik、qpk為第i層土的極限側阻力標準值和極限端阻力標準值；u為樁的截面周長。

2.2.2 上拔樁基礎的承載力計算

單樁的上拔極限承載力標準值可按下式計算：

式中：Uk為單樁的上拔極限承載力標準值；Gp為單樁(土)或基樁(土)自重設計值，地下水位以下取浮重度，對于擴底樁應按下表確定樁、土柱體周長，計算樁、土自重設計值。

表2 擴底樁、土柱體周長

單樁、群樁基礎及其基樁的上拔極限承載力標準值應按下列規定確定：

(1)對于一級桿塔樁基，有條件時單樁或基樁的上拔極限承載力標準值應通過現場單樁上拔靜載荷試驗確定。

(2)對于二、三級桿塔樁基。如無當地經驗時，單樁的上拔極限承載力標準值可按下式計算：

式中：γi為抗拔系數。

2.3 美國規范Drilled shaft基礎設計方法

Drilled shaft基礎施工流程為：掏挖一個圓形基坑，放置鋼筋籠和地腳螺栓或插入角鋼，澆筑混凝土。圓形基坑的直徑在0.6m～3.0m之間變化，埋深在3m～23m之間變化，如需要人工掏挖時建議最小直徑為0.8m。施工方法取決于地質情況和施工單位，當地質條件比較好時基坑開挖不需要設置支撐，當地質條件較差時基坑開挖需要套管或泥漿護壁以維持基坑穩定。高地下水位的無粘性土或砂土一般都需要開挖支護。因為施工細節對掏挖基礎承載力影響較大，所以應詳細評估地質情況與施工方法的關系，并在基礎設計時考慮這一要素。圖1為Drilled shaft基礎示意圖。

圖1 Drilled shaft基礎示意圖

2.3.1 上拔承載力計算

上拔力作用下的承載力主要為基礎自重和基礎底面與側面抗力之和，常有的上拔承載力計算模型主要有斜截錐模型、傳統圓柱體剪切模型和摩擦圓柱體法，這三種方法都是建立在一系列直掏挖基礎足尺試驗的基礎上的。

⑴ 斜截錐模型

圖2為斜截錐模型示意圖。其上拔承載力含基礎自重和錐體內土的重量兩項，當基礎位于地下水位以下時需要用有效重度來考慮基礎和土的重量，不考慮基底吸力。對于均質土，極限上拔承載力Qu可按下式計算：

圖2 斜截錐模型示意圖

⑵ 傳統圓柱體剪切模型

對于直掏挖基礎，模型假定破壞面為基礎與土的接觸面，對于擴底掏挖基礎，模型假定破壞面

為基礎與土的接觸面或以擴底為直徑的圓柱面，見圖3。

圖3 圓柱體剪切模型示意圖

① 直掏挖基礎

不排水剪地基土其上拔承載力含基礎自重和基礎側面抗力Qsu兩項，不考慮基底吸力。對于均質土，極限上拔承載力Qu可按下式計算：

式中：α為粘性系數；su為土的不排水剪切強度。

排水剪地基土對于均質土，極限上拔承載力Qu可按下式計算：

式中：K為水平土應力系數；δ為基礎與土接觸面處的摩擦角。

② 掏挖擴底基礎

掏挖擴底基礎的極限上拔承載力Qu，其計算方法含三項擴底以上沿基礎表面的抗力Qsu(與不擴底基礎相同)、擴底部分剪切抗力Qb和基礎自重。

不排水剪地基土計算如下：

排水剪地基土計算如下：

式中：Bb為擴底直徑；B為掏挖主柱直徑；v為擴底部分中點位置處的有效豎向應力；ω為由擴底引起的剪切強度衰減因子。

⑶ 摩擦圓柱體法

擴底掏挖基礎上拔承載力還有一個計算方法叫摩擦圓柱體法，它假定地基土的剪切破壞面為一圓柱體，圓柱體直徑為擴底直徑。

不排水剪地基土計算如下：

式中：Ws為破壞面內土重。

排水剪地基土計算如下：

(2)下壓承載力計算

掏挖基礎的下壓承載力由側面和基底抗力組成，試驗表明，掏挖基礎在下壓荷載作用下其側面抗力和上拔荷載作用下側面抗力沒有明顯的區別。但是，一系列理論認為掏挖基礎下壓承載力主要來自基底抗力。

掏挖基礎的受壓承載力按下式計算：

式中：Qc為極限受壓承載力；Qtc為下壓力作用下基底抗力；Qsc為下壓力作用下側向抗力；W為基礎自重。

試驗數據表明，除了埋深較淺的掏挖基礎發生錐體破壞時側向抗力較小外，掏挖基礎的側向抗力在上拔和下壓力作用下沒有明顯的區別。故式中的Qsc計算方法同上拔基礎。

下壓荷載基底抗力Qtc按下式計算：

式中：qult為基底最大承載力；Ab為基底面積。

2.4 設計方法對比

美國標準中給出了幾種“drilled shaft”基礎的計算模型，傳統圓柱體剪切模型的計算結果與試驗結果最為接近。下文采用傳統圓柱體剪切模型進行對比。

我國掏挖基礎是以土體剪切作為基礎抗拔承載力，以基礎底面地基承載力作為下壓承載力；而美國的傳統圓柱體剪切模型和我國挖孔樁基礎類似，都是以端阻力、側面摩阻力和基礎自重作為抗力，不同之處主要在于擴大頭的計算模式。

3 算例

現取一典型的基礎設計條件用掏挖基礎、挖孔樁基礎、美國drilled shaft基礎分別進行優化設計。設計條件如下：

基礎上拔力為1600kN，相應水平力為280kN；下壓力為1800kN, 相應水平力為300kN。

地基為粉質粘土，硬塑，內摩擦角15°，凝聚力30kN/m2，地基承載力250kPa。

優化設計后的基礎主要參數見表3。

表3 基礎尺寸和材料量

由以上結果可以看出掏挖基礎材料量最大，主要原因是其計算模型為剛性樁，其下壓力和大部分的彎矩主要由底板承擔，而底板是素混凝土，底板尺寸較大才能滿足受彎和剪切的作用。而挖孔樁基礎和Drilled shaft基礎為彈性樁，考慮了樁側的摩阻力和樁側土的抗彎作用，因此底板受力較小。因此在增加基礎埋深的施工難度不大情況下，優先采用更細長的彈性樁基礎更為經濟。

挖孔樁基礎材料量最小，比Drilled shaft基礎材料量少得較多的原因主要在于擴大頭的作用計算方法不同，挖孔樁基礎擴大頭部分計算側向摩阻力時在不大于5倍直徑的范圍內周長取πD，但具體取多少最為合適沒有給出說明，以上算例是按5倍直徑計算的結果；而Drilled shaft基礎擴大頭部分按土的正應力乘以其水平投影面積作為抗拔承載力。挖孔樁基礎一般埋深較淺，5倍直徑內放大摩阻力過于冒進，建議在實際設計過程中參考Drilled shaft基礎的計算方法適當降低。

4 結論

(1)我國掏挖基礎是以土體剪切、土體重量和基礎自重作為基礎抗拔承載力，以基礎底面地基承載力作為下壓承載力；而美國的傳統圓柱體剪切模型和我國挖孔樁基礎類似，都是以端阻力、側面摩阻力和基礎自重作為抗力，不同之處主要在于擴大頭的計算模式。我國挖空樁基礎在樁長徑比較小的情況下高估了擴大頭的作用，需要根據具體情況適當降低。

(2)掏挖基礎計算模型下壓力和大部分的彎矩主要由底板承擔，忽略了下壓時樁側摩擦力的有利作用，造成材料量較大。因此在增加基礎埋深的施工難度不大情況下，優先采用更細長的彈性樁基礎更為經濟。

[1]DL/T5219-2005，架空送電線路基礎設計技術規定[S].

[2]IEEE Std 691-2001.IEEE Guide for Transmission Structure Foundation Design and Testing.