掏挖基礎保護范圍優化研究

王強（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410000）

掏挖基礎保護范圍優化研究

王強（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410000）

隨著我國經濟形勢的迅速發展，人們對電能的需求日益增加，輸電線路作為整個電網系統中的重要一環，受到了越來越多的重視。桿塔基礎方案的優劣直接關系到線路的安全性和經濟性，對桿塔基礎開展設計優化等方面的研究，對保障線路的安全穩定運行和經濟環保都具有重要的現實意義。隨著人們對自然環境保護意識的加強，對輸電線路基礎的優化設計顯得日益重要，因此，線路基礎在優化設計時，在考慮基礎本體優化的前提下，應在最大限度減少土石方量、維持塔位上下邊坡及基礎自身的穩定性、施工余土的合理堆放等方面進行。掏挖基礎是將基礎的鋼筋骨架和混凝土直接澆入人工掏挖成型的土胎內，利用天然土組成的抗撥土體和基礎自身重量之間的相互作用，從而使基礎的上撥穩定得以保持，它利用自然原狀土自身的土體強度，不但具有較好的抗撥性能．同時能承受一定的水平力。掏挖基礎結構簡單，既能降低基礎自身的鋼筋重量和混凝土的方量，還能減少基坑開挖的土石方量。基坑開挖過程中保證了自然土體的完成性，澆筑時不需要模板進行固定，施工方便。此外，掏挖基礎還可減少對自然環境的破壞，有利于減少水土流失和環境保護。

經濟合理；掏挖基礎；環境保護

1 研究背景及意義

隨著近年來環境保護要求越來越高，山區輸電線路廣泛采用了全方位高低塔腿配合不等高基礎設計。而對于加高基礎來說，基礎的加高值是由基礎保護范圍與地形來決定的，如果基礎保護范圍取值偏保守，則會進一步造成基礎加高值增加，從而增加了工程造價。因此，確定合理的基礎保護范圍是使輸電線路工程造價合理的關鍵因素。

掏挖式基礎作為國內推廣較早的基礎型式，是一種利用原狀土工程特性抵抗上拔力的基礎型式，但其抗拔承載能力的計算公式為半經驗半理論公式，因此規范未直接給出掏挖基礎的保護范圍概念。這就使得工程設計人員對掏挖基礎的保護范圍難以定奪，通常為工程安全考慮偏保守取值，從而造成了浪費。

另一方面，在我院開展其他省市地區輸電線路工程設計時發現很多省份甚至不考慮保護范圍的概念，對加高值統一取基礎自然外露值，并在設計審查中多次提出我院設計的掏挖基礎埋深太深，而我設計人員對此沒有反駁的依據，因為缺乏相關的專題研究，有時不得不被迫更改設計方案，造成了人力的浪費。

輸電線路所經區域各式各樣，地形也千差萬別，當鐵塔處于有斜度的山坡或梯田等有臺階的地方，鐵塔的各塔腿就會出現高差，通常我們會用長短腿來平衡此高差，長短腿在鐵塔的任何方向都可以隨意連接。目前我們設計的塔腿級差為1.0m。我們一方面可以采用主柱露出地面，另一方面塔腿級差可縮短為1.0m，長短腿的鼉太差值也可以擴大，來平衡地面不等級的高差，做到不開方或少開方。設計桿塔時，應考慮在桿塔位于陡峭山頂控制鐵塔的正側面根開，減少施工基面開方量．對于坡度較大的地形，塔腿長短腿已用到最大高差，仍不能平衡地面高差時，可采用長腿對應基礎主柱升高的辦法來平衡過多的高差，必要時可做特殊基礎，在基礎設計無法滿足或其他具體因素主柱不宜升高時，可對短腿所在基面做適當開方。綜上，進行掏挖基礎的保護范圍優化研究工作對降低工程造價和提高設計質量具有積極意義。

2 剪切法計算參數A1和A2理論研究

由于輸電線路的特殊性，在進行桿塔基礎設計時，最重要的一項內容就是抗拔穩定計算。一般而言，主要有“剪切法”和“土重法”，其中“剪切法”的抗拔承載力由兩部分組成，一部分是基礎自重，另一部分是土體的破裂面產生的剪切阻力的豎向分量組成。“剪切法”因為考慮了土壤自身的承載力而比“土重法”合理。

但在具體實踐中，遇到土質情況較好，基礎作用力大（大荷載），我們按照《架空送電線路基礎設計技術規定》中“剪切法”計算掏挖基礎時，其計算出來的基礎尺寸比按“土重法”計算出來的還要大，造成這種不正常現象出現的主要原因就是剪切法計算無因次系數A1和A2的取值問題。

圖1 土微元體的應力

圖2 土微元體的應力狀態和滑移線

2.1 計算參數A1和A2的理論公式

2.1.1 極限平衡狀態滑裂面應力基本方程

假設極限平衡狀態下抗拔土體滑動面為一旋轉曲面，滑動面上微分六面體的應力關系可近似簡化為如上圖所示的二維應力狀態。按照彈性力學理論，當只考慮土體重力時，土微元體靜力平衡基本方程為：

式中：σx、σy和τxy為微單元體相應面上的正應力和剪應力，γ為土體容重。

按Mohr-Coulomb屈服準則，土體滑動面上任意一點應力可用圖所示極限Mohr圓表示（見圖3～4）。

通過計算得到：

上式是輸電線路原狀土基礎上拔極限平衡狀態時滑動面應力分布基本方程式。

圖3 土體極限平衡狀態Mohr圓表示法

圖4 抗拔土體“計算剪切面”

2.1.2 土體破裂面方程確定

《架空送電線路基礎設計技術規定》認為，由于基礎底板上方土體的“推擠”作用，抗拔土體處于被動朗肯土壓力狀態，并建立了土體極限抗拔承載力“計算剪切面”。

《架空送電線路基礎設計技術規定》認為該“計算剪切面”是圖中沿滑移線Sβ的連續滑動微面形成，形狀為一向外彎曲的半徑為r隨H/D增大而減小的圓弧曲面，其形狀由下列參數確定：

式中：r為圓弧曲面半徑，α表示半徑r隨H/D而變化的特征；n為隨土體的物理特性而異的系數，對砂土n=2、粘性土n=3～4、粉土n=1.5，為建立計算公式時簡化起見，均取n=2；α1為圓弧曲面在水平地面處與水平面夾角；α2為圓弧曲面在底板處與水平面夾角。

2.1.3 滑裂面極限抗拔承載力計算

根據Mohr-Coulomb屈服準則和極限應力Mohr圓，土體處于極限平衡時滑動面上的有效剪應力可表示為：

τn=（σm+c·cotφ）·cosφ·sinφ

通過計算及《架空送電線路基礎設計技術規定》通用公式確定的A1和A2《架空送電線路基礎設計技術規定》關于“剪切法”的條文說明中給出了由剪切阻力構成的基礎土體極限抗拔承載力通用計算公式，將式代入并化簡后得到對應的A1和A2的表達式：

2.2 不同計算方法的A1和A2的對比分析

雖然本專題報告的抗拔土體的極限承載的理論公式和無因次計算參數A1和A2的表達式與DL/T5219-2005中確定的通用公式中A1和A2的表現形式不同。但以相同情況（例如：土壤情況、基礎大小、埋深）設計參數為依據，以本文所得出的理論公式與DL/T5219-2005中通用公式采用特定的計算軟件和手算進行計算，得出以下結論：φ和H/D相同時，無因次系數A1和A2的理論值和DL/T5219-2005中通用計算公式所確定的A1和A2計算值是相同的。

我們拿理論值同曲線圖值進行對比，從中可以得出：

（1）無因次系數A1理論值和DL/T5219-2005查曲線圖所確定的值相差很大，理論值大于查曲線圖得到的結果。當H/D一定時，A1隨φ增大而增大，與DL/T5219-2005中查曲線圖中曲線變化趨勢相反。

（2）當φ≤20°時，無因次系數A2理論值和查曲線圖所得結果接近，考慮到制圖及查圖誤差，可近似認為兩者相等。但當φ＞20°時，理論值和查圖值存在很大的差異，查圖值大于理論值。

3 理論結果與試驗值對比

在驗證理論公式時，我們采用其他經過論證過的文獻中有關掏挖基礎的試驗值來進行對比。從對比出來的結果可以看出，本論文計算出來的原狀土抗拔承載力與試驗結果的統一性比較合適，在工程設計中完全可以采用。

表1 無因次系數A1和A2理論值與規范曲線圖值對比分析

圖5 計算算例的計算結果

表2 基礎極限承載力的理論值和試驗值對比

4 結論

通過以上內容可以看出，掏挖基礎是現今國內送電線路基礎中普遍采用的基礎型式，由其基本直掏挖基礎衍生而來的各類掏挖基礎也多種多樣，適應于不同類型的地質條件。

掏挖式基礎與傳統的大開挖柔性板式基礎比較，土石方開挖工程量、混凝土填筑工程量和鋼筋用量均可節省許多。掏挖基礎具有減小基礎變形、降低工程造價、減少對原地貌及植被的破壞、便于施工等優點。

由此可見，掏挖基礎是一種及經濟又環保的基礎。致力于掏挖基礎的創新性研究，并將大量研究成果應用于工程中，將會取得了良好的經濟和社會效益。

［1］《架空送電線路基礎設計技術規定》（DL/T5219-2005）.

TM769

A

2095-2066（2016）30-0043-03

2016-10-10

王強（1982-），男，工程師，本科，主要從事輸變電設計工作。