鋼管樁基礎在軟土地基110kV鋼管桿輸電線路中的應用

鐘維軍，羅玉鶴

（寧波市電力設計院有限公司，浙江 寧波 315021）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，架空輸電線路的走廊日趨緊張，城區(qū)難有適合鐵塔架設的線路走廊。鋼管桿線路由于走廊窄，占地面積小，造價相對電纜線路低，適合在空間走廊緊張的城市和城鄉(xiāng)結(jié)合地帶采用。節(jié)約占地面積是鋼管桿設計的重要內(nèi)容，其中鋼管桿基礎的設計尤為關鍵。

1 不同基礎型式的技術(shù)經(jīng)濟比較

鋼管桿基礎可分為普通淺基礎、普通鉆孔樁基礎、鋼管樁基礎、樹根樁基礎等。本文基于寧波地區(qū)典型軟土地質(zhì)情況，以直線桿和30°轉(zhuǎn)角桿為例對不同基礎型式進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

1.1 地質(zhì)及基礎作用力情況

典型的軟土地質(zhì)，地下水位0.5 m，鋼管桿基礎作用力見表1，各層地質(zhì)情況見表2。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟比較

表1 鋼管桿基礎作用力

1.2.1 直線桿基礎型式

直線桿不同基礎型式的技術(shù)經(jīng)濟比較見表3。從表3中可以看出，在軟土地質(zhì)情況下，直線桿的不同基礎型式中，鋼管樁基礎占地面積最小，綜合造價最低；普通淺基礎占地面積最大，綜合造價較灌注樁基礎小；其他類型的樁基礎型式占地面積均較大，綜合造價也相對較高。

1.2.2 轉(zhuǎn)角桿基礎型式

轉(zhuǎn)角桿基礎型式的技術(shù)經(jīng)濟比較見表4。從表4不難看出，在軟土地質(zhì)情況下，30°轉(zhuǎn)角桿的不同基礎型式中，鋼管樁基礎占地面積最小，綜合造價最低；其他類型基礎型式占地面積均較大，綜合造價也相對較高。

表3 直線桿不同基礎型式的技術(shù)經(jīng)濟比較

表430°轉(zhuǎn)角桿不同基礎型式的技術(shù)經(jīng)濟比較

1.2.3 不同型式基礎的造價比較

綜合表3、表4，可以得到基礎型式與基礎造價的關系如圖1所示。

圖1 基礎型式與基礎造價的關系

從表3、表4和圖1可知：

（1）不管是直線桿還是30°轉(zhuǎn)角桿，鋼管樁基礎的占地面積明顯小于其他型式基礎的占地面積，樁基礎次之，普通淺基礎占地面積最大。

（2）在軟土地基上，鋼管樁基礎的造價最低，普通淺基礎造價次之，樁基礎最大。

1.3 本文采用的基礎型式

從以上比較分析可知，鋼管樁基礎能較好地滿足設計要求，且造價低、占地面積最小、施工周期短。鋼管桿線路都在道路兩側(cè)，也為運輸和吊裝提供了良好的外部條件，適合工程中的實際要求。因此，本文重點分析鋼管樁基礎。

2 鋼管樁的設計

2.1 鋼管樁基礎的特點

（1）占地小，約為普通基礎的4%，特別適用于城市輸電線路。

（2）強度大，承載力高，與上部桿塔結(jié)構(gòu)一致，便于施工安裝，工期短。

（3）對附近房屋、城市道路、市政設施及環(huán)保衛(wèi)生干擾較小，噪聲小，無污染。

（4）采用靜壓機械設備，避免了多人工、大挖方的原始施工，造價明顯降低。

2.2 鋼管樁基礎的傾覆穩(wěn)定計算

鋼管樁基礎與上部結(jié)構(gòu)采用法蘭連接或插接，連接有保障，當基礎埋深與基礎實際寬度之比不小于3時，可按電桿基礎的相關理論進行計算。鋼管樁基礎主要承受水平荷載和較大彎距，垂直荷載相對較小，因此在實際工程設計中一般都以傾覆穩(wěn)定作為鋼管樁基礎的控制條件。

一般的鋼管樁輸電線路設計都滿足電桿基礎的設計理論，因此本文按照電桿理論進行設計。鋼管樁基礎的極限傾覆力Sj和極限傾覆力矩Mj的計算都是假定土壤達到極限平衡狀態(tài)，通過土壓力的作用，使鋼管樁基礎保持受力平衡。

鋼管樁基礎除傾覆穩(wěn)定外，還必須滿足強度設計的要求，一般按壓彎構(gòu)件進行計算。

表2 地質(zhì)參數(shù)

2.3 鋼管樁的樁頂位移計算

由于寧波地區(qū)地質(zhì)情況較差，屬于典型的軟土地基，鋼管樁的樁頂位移成為鋼管樁基礎設計的控制條件之一。為了更好地控制樁頂?shù)乃轿灰疲阡摴軜痘A的樁體上部澆筑了1塊混凝土塊，增大了基礎與軟土的接觸面積，可以有效減小鋼管樁基礎的樁頂水平位移。鋼管樁基礎的水平位移比較見表5。

表5 鋼管樁基礎的樁頂水平位移比較

為了驗證混凝土塊的有效性，采用有限元軟件模擬直線桿鋼管樁基礎實際受力情況，以校核鋼管樁基礎的樁頂水平位移。

首先建立平面模型，通過單元擴展將平面模型擴展為實體模型，其下部和四周均采用固接，土壤采用半徑為5 m的圓模擬，土壤參數(shù)按實際情況輸入。鋼管樁采用梁單元模擬，樁與土壤用共用節(jié)點來實現(xiàn)共同變形。

樁周圍的土體為實體單元，有彈塑性，屬顆粒狀材料，受壓屈服強度遠遠大于受拉屈服強度，土體受剪時顆粒會膨脹。本次采用Drucker-Prager屈服準則，能得到較為精確的結(jié)果。

根據(jù)有限元軟件計算結(jié)果，直線桿鋼管樁基礎樁頂未設置混凝土塊的樁頂水平位移為9.04 mm，設置混凝土塊的樁頂水平位移為5.0 mm。該計算結(jié)果與鋼管樁基礎設計的結(jié)果9.15 mm和5.25 mm比較接近，誤差僅為1.2%和5%，從而驗證了本次設計的正確性。

2.4 鋼管桿的預偏設計

由于轉(zhuǎn)角桿的受力特點，鋼管桿桿身在實際運行中將產(chǎn)生較大變形，因此施工時常采用預偏方式。采用鋼管樁基礎時，由于鋼管桿根部直接插入鋼管樁內(nèi)，可以通過三角楔鐵調(diào)整至鋼管桿設計所需桿頂位移（長期荷載工況下的桿頂位移），然后灌漿固定，施工相對簡單、直觀。當采用灌注樁基礎時，鋼管桿根部采用法蘭連接，則需要把樁頂做成斜面以保證鋼管桿設計的預偏，施工較前者困難，且不直觀。

2.5 鋼管樁基礎材料的優(yōu)化

鋼管樁基礎的材料主要采用Q235，Q345，Q390等鋼材，不同材料的造價比較如表6所示。設計中，應在滿足鋼管樁樁身強度設計要求的同時，盡可能降低鋼材使用量。

表6 不同材料鋼管樁造價的比較

從表6可知，鋼管樁基礎采用Q345鋼材時的造價明顯優(yōu)于Q235，主要是因為在滿足鋼管樁樁身強度要求時，Q235的屈服強度明顯低于Q345，同樣的鋼管樁壁厚不能滿足鋼管樁設計荷載的要求，使Q235的鋼管樁壁厚大于Q345，而Q235和Q345的市場單價相差無幾，從而導致采用Q235的鋼管樁基礎造價較高。

考慮到鋼管桿根部壁厚和鋼管樁易腐蝕的關系，一般情況下，鋼管樁的壁厚除滿足強度要求外，還不宜小于鋼管桿根部的壁厚。在這種設計條件下，一般鋼管樁采用普通鋼材就能滿足最小壁厚的要求，從表6可以看出 ，采用Q390鋼材的鋼管樁基礎的造價不但沒有降低，反而大大增加，這主要是因為Q390的市場單價明顯高于Q235和 Q345。

3 鋼管樁的施工

3.1 施工方案比較

目前在鋼管樁基礎的各種施工方案中，最常用的是機械鉆孔植樁法和靜壓植樁法。

（1）機械鉆孔植樁法：首先用鉆機在地面上鉆孔，達到設計深度后，將鋼管樁放入鉆好的孔中，再在樁內(nèi)外注漿加固。由于鋼管樁的樁徑相對較大，成孔時要做好護壁工作，防止孔壁塌陷。該方法在鉆孔時噪音較大，施工周期較長，費用較高，但因其適用性較廣，一般的地質(zhì)情況均能采用，因此在目前的輸電線路灌注樁基礎施工中經(jīng)常采用。

（2）靜壓植樁法：只需將表層土挖開，直接用靜壓機壓至設計深度。由于受靜壓機械的限制，一般不適用于貫穿厚度大于2 m的中密以上砂土夾層或中密以上的砂土持力層。

靜壓法施工原理：一般來說，采用靜壓樁工藝時要求地基土含水量較高，孔隙比較大，樁身在受垂直靜壓過程中對周圍土體進行排擠，使地基土發(fā)生側(cè)剪破壞，或先發(fā)生沿樁身土體的直接剪切破壞，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，擾動土體結(jié)構(gòu)，使樁周約一倍樁徑的土體抗剪強度降低，發(fā)生嚴重軟化（粘性土）或稠化（粉土、砂土），出現(xiàn)土的重塑現(xiàn)象，從而可連續(xù)地將靜壓樁送入很深的地基土層中。若遇砂層，超孔隙水壓力消散，則摩阻力增加，壓樁困難。

靜壓法具有靜壓樁震動小、噪聲小、場地小等特點，適合在市區(qū)及建筑群中施工。施工速度快，工期短；施工工藝簡捷、方便。施工費用省，土石方開挖量幾乎為零，對原狀土擾動小。最適用于軟土地基，不適用于貫穿厚度大于2 m的中密以上的砂土夾層或中密以上的砂土持力層。

3.2 不同施工方案的造價比較

以上2種施工方案的造價比較見表7。從表7可知，靜壓法造價明顯低于鉆孔植樁法，直線桿基礎造價下降約25%，轉(zhuǎn)角桿基礎造價下降約17%，可有效降低基礎本身的造價。

表7 不同施工工藝鋼管樁基礎的費用比較

在典型的軟土地基中，鋼管樁基礎的施工采用靜壓法有較大優(yōu)勢。

4 鋼管樁的補強

鋼管樁基礎在實際施工過程中，往往受到地質(zhì)條件不確定的影響，導致鋼管樁還未壓到設計需要長度就已經(jīng)不能繼續(xù)向下壓入，因此，樁長不夠，產(chǎn)生傾覆彎距不能滿足設計要求，且鋼管樁的抗傾覆能力與鋼管樁實際樁長的立方成正比，這就產(chǎn)生了很大的彎距差，給結(jié)構(gòu)的補強造成了很大困難。

一般電桿基礎的補強都采用設置卡盤的方式，由于鋼管樁基礎所受的彎距較大、樁長較長，在施工過程中安裝下卡盤也不現(xiàn)實，且工程量會大大增加。僅僅安裝上卡盤時，對整個鋼管樁基礎能夠起到一定的抗傾覆作用，但如果設計彎距與實際彎距相差較多，僅僅依靠上卡盤會使卡盤增大很多，造成工程量大大增加。這時可以在鋼管樁頂部采用混凝土套筒來增加基礎與軟土的接觸面積，滿足鋼管樁基礎的傾覆彎距要求。

5 結(jié)語

對寧波地區(qū)典型軟土地質(zhì)條件下鋼管桿各種基礎型式進行分析比較，從占地面積和經(jīng)濟指標兩方面探討最經(jīng)濟合理的基礎型式，分析表明了鋼管樁基礎的優(yōu)點，并對鋼管樁基礎的設計、施工、補強等進行了綜合闡述，表明了鋼管樁基礎良好的應用前景。

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