換土墊層法在架空配電線路臺階式基礎(chǔ)中的應用

林子元，陳維忠，施純聰，李 勤，高 克

（1.國網(wǎng)浙江玉環(huán)縣供電公司，浙江 臺州 317600；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

在桿塔基礎(chǔ)施工中，一些特殊地質(zhì)條件（如地下夾層為淤泥土質(zhì)、濕陷性黃土等）地基承載力較差，混凝土臺階式基礎(chǔ)施工存在作業(yè)面大、塌方引起的施工難度大等問題。為提高基礎(chǔ)承載能力，減小開挖面積，需要采取適當有效的方法對地基進行處理。目前基礎(chǔ)處理的主要方法有碾壓及夯實、換土墊層、排水固結(jié)等方法[1]。對于軟弱土地基，換土墊層法是較為有效和應用廣泛的方法[2]。

除施工因素外，在造價方面，配電網(wǎng)線路桿塔基礎(chǔ)的費用約占整個工程本體造價的25%～35%，在某些特殊條件下的工程，甚至占比更多。在滿足工程設(shè)計要求的情況下減小基礎(chǔ)尺寸對節(jié)約工程成本具有重要意義。

本文討論了換土墊層法在配電網(wǎng)桿塔現(xiàn)澆臺階式基礎(chǔ)設(shè)計中的應用。在理論上分析了采用換土墊層法對減小基礎(chǔ)尺寸和開挖面積的作用；并以玉環(huán)縣供電公司某工程中的30°耐張轉(zhuǎn)角鋼管桿現(xiàn)澆臺階式基礎(chǔ)作為實例進行了分析驗算，分析了采用換土墊層法對節(jié)約工程造價的作用。

1 換土墊層法介紹

換土墊層法是一種地基淺層處理方法。當軟弱地基的承載力或變形不能滿足桿塔承受的荷載要求，可將基礎(chǔ)下一定深度內(nèi)的軟弱土層挖除，然后換填強度較高、壓縮性較低且無侵蝕性的散體材料，并夯實或振壓至要求的密實度。提高地基的承載力，消除地基的濕陷性和脹縮性，減小基礎(chǔ)沉降量。常用于下列土組成的地基情況：淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、膨脹土、素填土以及暗溝、暗塘等。

2 設(shè)計要求及換土墊層法對減小基礎(chǔ)尺寸的作用

混凝土臺階式基礎(chǔ)的設(shè)計需滿足《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程DL/T5219-2014》的要求。下面根據(jù)混凝土臺階式基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定、基礎(chǔ)下壓、傾覆穩(wěn)定的設(shè)計要求，分析換土墊層法對減小基礎(chǔ)尺寸的作用。

2.1 上拔穩(wěn)定

依據(jù)《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程DL/T5219-2014》，對于一般單獨的混凝土臺階式基礎(chǔ)，上拔穩(wěn)定需要滿足下式要求

式中：γθ1為基礎(chǔ)底板上平面坡角影響系數(shù)，當基礎(chǔ)底板上平面坡角θ1≥45°時取γθ1=1.0，當坡角θ1＜45°時取γθ1=0.8 ；γf為基礎(chǔ)附加分項系數(shù)；γE為水平力影響系數(shù)（見表1）；γS為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度（kN/m3）；Vt為ht深度內(nèi)土和基礎(chǔ)的體積（m3）；V0為ht深度內(nèi)基礎(chǔ)的體積（m3）；TE為基礎(chǔ)上拔力設(shè)計值（kN）；ht為基礎(chǔ)上拔埋置深度（m）；hc為基礎(chǔ)上拔臨界深度（m）；Gf為基礎(chǔ)自重力（kN）；B為基礎(chǔ)底面寬度（m）；α為上拔角。土重法計算上拔穩(wěn)定參數(shù)如圖1所示。

圖1 土重法計算上拔穩(wěn)定Fig.1 Pull-up stable by soil weight method

表1 水平力影響系數(shù)γETab.1 Impact factor of horizontal force

式(1)中桿塔基礎(chǔ)上拔力設(shè)計值與基礎(chǔ)附加分項系數(shù)的乘積γfTE是定值，水平力影響系數(shù)γE也是定值。因此，土質(zhì)的重度γS和上拔角α對同樣深度ht內(nèi)有效的土重力起著決定性作用。不同土質(zhì)的重度和上拔角如表2所示。

通過換土墊層法，將軟土層置換為更高重度的土質(zhì)并壓實，上拔角會隨之增大，當基礎(chǔ)底面寬度B不變時，Vt會顯著增大。這樣，在保證滿足式(1)的條件下，可以在一定范圍內(nèi)縮減基礎(chǔ)底面寬度B，基礎(chǔ)體積V0隨之縮減，就可以在一定程度上減小基礎(chǔ)尺寸，從而減小開挖面積。在一些特殊區(qū)域，開挖范圍受限又無法采用其他基礎(chǔ)類型的情況下，有著非常重要的作用。

表2 土的重度和上拔角Tab.2 Soil weight and pull-up angle

2.2 基礎(chǔ)下壓

對于耐張桿塔，混凝土臺階式基礎(chǔ)底面的壓力應滿足以下要求：

式中：γγf為地基承載力調(diào)整系數(shù)；Pmax為基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力設(shè)計值（kPa）；F為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)底面的豎向壓力設(shè)計值（kN）；G為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重（kN）；A為基礎(chǔ)底面面積（m2）；γG為永久荷載分項系數(shù)，對基礎(chǔ)有利時，取γG=1.0，對基礎(chǔ)不利時，取γG=1.2；Mx、My為作用于基礎(chǔ)底面的x和y方向的力矩設(shè)計值（kN·m）；fa為修正后的地基承載力特征值（kPa）。

式（2）中上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)底面的豎向壓力設(shè)計值F為定值。通過換土墊層，提高地基承載力特征值 fa，就可以在一定程度上縮小基礎(chǔ)底面面積A，減小基礎(chǔ)尺寸。

2.3 傾覆穩(wěn)定

混凝土臺階式基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定應滿足以下條件：

式中：m為土壓力參數(shù)（kN/m3）；β為等代內(nèi)摩擦角（°）；E為被動土壓力（kN）；S0為上部結(jié)構(gòu)水平作用力（kN）；H0為S0作用點至設(shè)計地面處的距離（m）；K0為空間增大系數(shù)；a為基礎(chǔ)底板側(cè)面寬度（m）；a0為基礎(chǔ)底板側(cè)面的計算寬度（m）；b為基礎(chǔ)主柱側(cè)面寬度（m）；b0為基礎(chǔ)主柱側(cè)面的計算寬度（m）。

當基礎(chǔ)埋深一定時，式（3）中上部結(jié)構(gòu)水平作用力與作用點至設(shè)計地面處的距離和基礎(chǔ)附加分項系數(shù)的乘積γfS0H0為定值，若基礎(chǔ)尺寸a和b不變，那么對混凝土臺階式基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定起決定性作用的就是回填土的特性。土壓力參數(shù)m與被動土壓力E成正比，等代內(nèi)摩擦角β對抗傾覆起著較大的作用。換填為土壓力參數(shù)m和等代內(nèi)摩擦角β更大的土質(zhì)，有利于抗傾覆，當抗傾覆要求滿足式，就可以適當縮小基礎(chǔ)的尺寸。

3 換土墊層的設(shè)計與分析

3.1 提高承載力的換土材料

土的承載力特征值隨著土質(zhì)的內(nèi)摩擦角增大而增大[3]。各種換土材料的承載力如表3所示。

換土材料一般采用砂石墊層，包括中粗砂墊層和碎石墊層。有足夠的厚度以置換可能受到剪切破壞的軟弱土層，要有足夠的寬度以防止墊層向兩側(cè)擠出從而增加沉降量，并做到經(jīng)濟合理。

3.2 換土墊層厚度確定

依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范JGJ 79-2012》，換土墊層厚度應該根據(jù)需置換軟土的深度或下臥土層的承載力確定，需要符合下式要求

表3 各種換土墊層的承載力Tab.3 Bearing capacity of replacement underlayer

式中：pz為相應于作用的標準組合時，墊層底面處的附加壓力值（kPa）；pcz為墊層底面處土的自重壓力值（kPa）；faz為墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值（kPa）。

混凝土臺階式基礎(chǔ)按照矩形基礎(chǔ)計算，墊層底面處的附加壓力值為

當基礎(chǔ)底面為正方形時，公式（8）可以簡化為

式中：b為矩形基礎(chǔ)底面的寬度（m）；l為矩形基礎(chǔ)底面的長度（m）；B為正方形基礎(chǔ)底面的寬度（m）；pk為相應于作用的標準組合時，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值（kPa）；pc為墊層底面處土的自重壓力值（kPa）；Z為基礎(chǔ)底面下墊層的厚度（m）；θ為換土墊層（材料）的壓力擴散角（°），宜通過試驗確定。無試驗資料時，可參考表4。

換土墊層底面的寬度應滿足基礎(chǔ)底面應力擴散的要求，符合下式要求

式中：Bz為換土墊層底面的寬度（m）；墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊緣不應小于300 mm。

表4 土和砂石材料壓力擴散角 單位：（°）Tab.4 Soil and gravel expansion angle of pressur

換土墊層一般采用砂石墊層，包括中粗砂墊層和碎石墊層，壓實系數(shù)應滿足承載力要求，見圖2～3。

圖2 換土墊層示意圖Fig.2 Replacement underlayer

圖3 換土墊層壓力擴散角Fig.3 Replacement underlayer expansion angle of pressure

綜上，換土墊層的厚度Z與寬度Bz，與換填土的材料性質(zhì)有關(guān)，換填提高地基承載力特征值faz后，可以適當縮小基礎(chǔ)寬度B。經(jīng)過計算分析，可以達到基礎(chǔ)尺寸和換填土厚度的最佳、最經(jīng)濟的數(shù)值。

3.3 換土墊層沉降計算

沉降量等于換土墊層自身的變形量與下臥層的變形量之和

式中：s為基礎(chǔ)沉降（mm）；s1為墊層自身的豎向壓縮量（mm）；s2為墊層底面以下各壓縮層壓縮變形之和（mm）；Es為墊層的壓縮模量；a為基地有效壓力擴散系數(shù)；p0為基地平均有效應力（kPa）；

墊層的壓縮模量應由荷載試驗確定。當無試驗資料時，砂墊層的壓縮模量可以選用24～30 MPa,其它墊層的壓縮模量可以查閱相關(guān)規(guī)范。

4 濕陷性黃土的換土墊層分析

4.1 濕陷性黃土的特性

濕陷性黃土指在一定壓力下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉的黃土。濕陷系數(shù)δs值按下式計算，

式中：hp為保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的試樣，加至一定壓力時，下沉穩(wěn)定后的高度（mm）；為上述加壓穩(wěn)定后的試樣，在浸水飽和作用下，附加下沉穩(wěn)定后的高度（mm）；h0為試樣的原始高度（mm）。

取7個150mL錐形瓶，分別加入0、0.25、0.50、1.00、3.00、5.00和7.00mL硫酸根標準溶液，各加水至50mL，顯色和測定步驟同1.3.3。標準溶液系列中硫酸根的質(zhì)量濃度分別為0、5.0、10.0、20.0、60.0、100.0、140.0μg/mL。以硫酸根的質(zhì)量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制校準曲線。

濕陷性黃土的濕陷程度，可根據(jù)濕陷系數(shù)δs值的大小分為下列三種：

（1）當0.015≤δs≤0.03時，濕陷性輕微；

（2）當0.03≤δs≤0.07時，濕陷性中等；

（3）當δs＞0.07時，濕陷性強烈。

4.2 含水率對濕陷變形的影響

當黃土的天然含水量低于塑限時，水分變化對強度影響最大，含水量由7.8%增加到18.2%時，內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力都降低1/4左右。當黃土的天然含水量超過塑限時，抗剪強度降低幅度小。黃土的濕陷變形特點是變形量大，常常超過正常壓縮變形的幾倍甚至幾十倍，發(fā)生快，受水浸濕約1～3 h就開始濕陷。這種量、速率快而又不均勻的變形往往使建筑物發(fā)生嚴重變形甚至破壞。濕陷的出現(xiàn)完全取決于受水浸濕的概率。黃土的濕陷變形量會隨著浸水量的增加而增大。國內(nèi)許多研究資料都發(fā)現(xiàn)，含水量對黃土的濕陷變形有著顯著影響。黃土在遭受水體入滲前，土的穩(wěn)定性較高，可以承受較大的上部荷載。在水體入滲后，結(jié)構(gòu)迅速破壞，導致地基不均勻沉降，在土體浸水飽和后，力學性能和水理特性發(fā)生了巨大變化。

當黃土發(fā)生濕陷變形時，在土體上部施加附加壓力后，不僅會引起豎向的濕陷變形，還會產(chǎn)生橫向的水平位移。使黃土在濕陷過程中發(fā)生明顯的橫向擠出效應，濕陷量也隨之變大[4]。

4.3 濕陷性黃土的換土墊層處理

根據(jù)規(guī)范，甲類建筑濕陷性黃土的地基處理采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性黃土層（表5），一般桿塔的混凝土臺階式基礎(chǔ)、板柱基礎(chǔ)，若遇上較厚的黃土層，成本巨大，不宜采用。體積和范圍較小的基礎(chǔ)，采用換土墊層法處理，是成本較低且行之有效的處理方法。換填成透水性差，承載力受含水量影響小的土質(zhì)材料，保障桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性。

表5 濕陷性黃土地基常用的處理方法Tab.5 Common methods to deal with collapsible loess foundation

5 計算實例

5.1 換土換填前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

下面以玉環(huán)縣供電公司某工程中的30°耐張轉(zhuǎn)角鋼管桿現(xiàn)澆臺階式基礎(chǔ)作為實例。經(jīng)計算，鋼管桿基礎(chǔ)計算荷載為：Fx=76.68 kN，F(xiàn)y=0 kN，F(xiàn)z=-53 kN，Mx=600 kN·m，My=0 kN·m。土壤參數(shù)如表6所示。

表6 土壤參數(shù)Table.6 Soil parameters

圖4 換土換填前計算結(jié)果Fig.4 Calculations of initial datas

5.2 采用換土墊層法處理后的計算參數(shù)

采用換土墊層法進行處理，換為砂土夾石墊層，回填砂夾粉質(zhì)黏土，取換填土層厚度z=0.7 m，并適當縮小基礎(chǔ)尺寸，參數(shù)如圖5所示。

圖5 計算條件Fig.5 Calculations

5.3 驗算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)JGJ 79-2012》和《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程DL/T5219-2014》，采用換土墊層法處理后，應滿足以下條件

對于耐張桿塔，混凝土臺階式基礎(chǔ)換填后應滿足以下條件

根據(jù)前述基礎(chǔ)參數(shù)和計算條件，在換填土層厚度z=0.7 m的條件下進行計算，可得換填土處理后墊層底面以上土的加權(quán)平均重度

墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值

基礎(chǔ)底面面積

墊層底面處土的自重壓力值

地基承載力調(diào)整系數(shù)

永久荷載分項系數(shù)

1）根據(jù)規(guī)范，基礎(chǔ)下壓應滿足式(13)的不等式關(guān)系，代入數(shù)據(jù)進行驗算：

可知基礎(chǔ)下壓滿足式(13)的設(shè)計要求。

2）基礎(chǔ)底面邊緣最小壓力設(shè)計值

滿足設(shè)計要求。

3）根據(jù)規(guī)范，傾覆穩(wěn)定應滿足式(3)和式(4)的不等式關(guān)系，代入數(shù)據(jù)進行驗算：

滿足式（3）的設(shè)計要求；滿足式（4）的設(shè)計要求。

通過以上驗算可知，采用換土墊層法，在換土墊層厚度z=0.7 m的條件下，換土后各項指標符合《建筑地基處理技術(shù)規(guī)JGJ 79-2012》和《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程DL/T5219-2014》要求。

5.4 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)規(guī)范要求，z/B<0.25時，其他材料均取θ=0°，需滿足Bz≥B+2Ztanθ。按要求，墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊緣不應小于300 mm。根據(jù)以上條件，換土墊層底面的寬度Bz=5.5 m。

按Bz=5.5 m的條件，對采用換土換填法后的造價變化進行分析，計算結(jié)果如表7所示。

表7 采用換土換填法后造價的變化Tab.7 Cost changes caused by replacement method

根據(jù)表7可知，采用換土換填法后，按照市場價計算，換土墊層增加造價1 400元。由于基礎(chǔ)尺寸縮小，混凝土和鋼筋減少造價分別為4 000元和1 100元，總計造價材料費節(jié)約3 700元。可以看出，采用換土墊層法后，能夠有效降低工程造價。

6 結(jié)語

通過分析和計算可以發(fā)現(xiàn)，淤泥土質(zhì)等地基承載力較差區(qū)域，通過換土墊層和換填法處理，可以有效提高地基承載力和抗傾覆能力，一定程度上減小配電網(wǎng)桿塔混凝土臺階式基礎(chǔ)的尺寸。一方面，可以在一定程度上節(jié)約基礎(chǔ)總造價；另一方面，可以滿足基礎(chǔ)尺寸受限制等特殊區(qū)域下基礎(chǔ)的實施，如與附近建筑物、地下管線等安全距離不足等情況，采用換土換填的方式，可以減小開挖尺寸，減小施工難度。對于濕陷性黃土區(qū)域的桿塔基礎(chǔ)，采用換土墊層和換填法處理，是行之有效且相對經(jīng)濟的方案。

本文的計算和分析是參照相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，換土墊層和換填法是完全可以在架空配電線路臺階式基礎(chǔ)中運用和實施。在此需要指出的是，考慮到換土墊層自身的變形量與下臥層的變形量，實際開挖深度需綜合考慮沉降量和變形量，充分發(fā)揮經(jīng)濟效益。

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