強腐蝕地區地震液化地基輸電線路基礎選型及地基處理

蒲 凡，劉洪昌，姜雅辛，楊 洋

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

750 kV南疆巴楚—喀什輸電線路工程沿線地區屬標準的大陸性氣候特點，氣候干燥、降水量小、蒸發量大，屬我國新疆典型的鹽漬土分布地帶，工程區普遍發育鹽漬土，鹽漬土類型主要為中硫酸鹽漬土、中亞硫酸鹽漬土，根據其對混凝土結構的腐蝕性按Ⅲ類環境類型考慮。

地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.3 g，規程規定［1］，8度及以上地區220 kV及以上耐張型桿塔的基礎，當場地為飽和砂土或飽和粉土時，應考慮地基液化的可能性，并應采取必要的穩定和抗震措施。

選取該工程中既有強腐蝕又有地震液化現象的地基，設計中考慮對基礎的防腐，根據地基液化程度采取消除或者部分消除地基液化措施。

1 強腐蝕地基對基礎混凝土結構的影響

表1 地基土巖溶性評價

表2 地基液化等級判別

鈣礬石結合了大量結晶水，使固相體積增大，形態主要為針狀結晶，四向放射，只是混凝土結構破壞，形成裂紋，使得地基土中的Cl-離子進入混凝土結構中，腐蝕鋼筋。

《工業建筑防腐蝕設計規范》［3］規定以離子腐蝕為主的地基，混凝土強度等級≥C40，提高混凝土的抗裂性能，同時對基礎表面進行防護。

基礎防腐蝕主要措施包括控制混凝土標號和水膠比、增加基礎保護層厚度、摻入抗硫酸鹽外加劑、基礎外表面涂刷防腐涂料、采用防腐土工布等措施。

2 地質條件及液化判別

該工程存在嚴重液化的塔位，抗震設防烈度為8度，地震加速度為0.3 g，設計地震分組為第3組，地質條件為粉土粉砂，標貫試驗液化判別見表2。

表2中地基經標貫試驗，根據《建筑抗震設計規范》［4］4.3.5 條判別 IlE=22.4＞18 為嚴重液化。此類地基在地震作用下地基土中孔隙水壓力驟然上升，孔隙水壓力來不及消散，使得原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的有效壓力減小，當有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣的狀態，地基承載力迅速下降，造成基礎沉降，將會對該工程造成不可估量的損失。

《電力設施抗震設計規范》［5］規定：對位于地震烈度8度及以上的地區，且場地為飽和砂土和飽和粉土時，應考慮地基液化的可能性，地基和基礎設計時考慮適當的抗液化或消除液化措施。抗液化措施按照處理對象可分為兩大類：一類是地基處理，消除或者部分消除液化影響，輸電線路常用的有換填法、加密法；另一類是穿透液化層，允許發生液化，主要采用樁基礎法［6－7］。

3 強腐蝕地區地震液化地基的基礎選型及地基處理措施

3.1 地震作用基礎作用力計算

根據上述分析，選取巴楚—喀什終端塔JD-33對其進行地震作用下的基礎作用力計算和基礎設計。水平地震動峰值加速度為0.3 g，對應地震基本烈度為8度，設計地震分組為2組，Ⅲ類場地類別，阻尼比0.04，根據工程重要性，考慮為丙類建筑。在X和Y兩個主軸方向的水平地震作用力，通過振型分解反應譜法進行計算。先考慮地震波對桿塔的影響，然后和其他外荷載產生的影響進行荷載效應組合的方式，公式如下：

式中：F為地震組合作用力；SGE為重力荷載代表值；SEHK為水平地震作用；SEQK為豎向地震作用；SWK為風荷載；γG、γEHK、γEQK、γWK分別為相對應荷載分項系數。

通過ANSYS時程分析計算得到多遇地震和設防地震下該塔型的SEHK，再與通用軟件計算的SGE、SEQK和SWK進行匯總，得到多遇地震和設防地震下基礎作用力。

表3 多遇地震作用下基礎作用力 kN

表4 設防地震作用下基礎作用力 kN

從表3~4可以看出，多遇地震作用下基礎作用力約為最大基礎作用力的40%，設防地震作用下基礎作用力約為最大基礎作用力的60%，基礎承載力計算時可不考慮地震作用。

3.2 基礎設計方案

該工程有嚴重地震液化的塔位同時具有強腐蝕性，基礎設計時要考慮基礎的防腐蝕性，同時需要消除地震液化的影響。考慮“裹體灌注樁”、“聯合板式基礎”和“大板基礎+碎石樁”3種方案。

方案一。“裹體灌注樁”為高強防腐布袋裹體灌注樁。混凝土裹體樁的包裹材料采用“二布一膜”復合土工布方案，復合土工布可提高土工布與土相互作用摩擦阻力，同時提高土工布與混凝土粘合力；中間土工膜起到隔水和阻水作用。此方案優點為工程量小、耐腐蝕、防滲透性強，缺點為復合材料施工時易損壞、檢測復雜。

方案二。“聯合板式基礎”亦可在基礎表面涂刷HCPE等防腐涂料，基礎為一個整體，降低了對不均勻沉降的敏感性，可減輕液化的影響。此方案優點是施工方便、受力清晰，缺點是基礎工程量大，造價高。

方案三。“大板基礎+振沖碎石樁”，采用振沖碎石擠密消除地基液化影響，增強地基承載力，板式基礎充分利用底板上土體的自重及粘聚力，滿足上拔和下壓承載力，對基礎表面涂刷HCPE等防腐涂料，增強基礎的耐腐蝕性。此方案的優點是工藝成熟、施工便利，缺點是地基處理面積較大。

對3個方案進行經濟技術分析比較見表5。采用“大板基礎+碎石樁”經濟性最優，同時此方案為基礎采用大開挖方式，對于粉土粉砂地基可以降低施工安全風險。

表5 不同地基液化處理方案比較

4 碎石擠密地基液化設計方案

4.1 碎石樁復合地基參數設計

擠密范圍。地基處理范圍考慮該工程的重要性和場地條件，在基礎外邊緣擴大3~4排樁。

樁徑。根據南疆地區常用擠密樁施工設備調查，該工程采用沉管法成樁，選取0.4 m樁徑，易成樁，同時具有較好的施工經驗。

樁位布置。設計基礎底板為6.2 m×6.2 m，可采用等邊三角形布置，根據對已處理樁間土的試驗，處理后的孔隙比e1取0.65，《勘測報告》取土的天然孔隙比e0為0.8。本工程樁徑取400 mm，樁間距不宜大于樁直徑的4.5倍。三角形布置樁間距為

式中：ε為修正系數，當考慮振動下沉密實作用，取1.1~1.2；d為碎石樁樁徑；S為樁間距。

根據式 （2），可得三角形布置的樁間距S為1.45m，為保證效果，取S為1.4 m，樁徑與樁間距比值為3.5，可以起到有效的加固效果。

樁長的確定。該工程相對硬層埋藏深度較大，鐵塔基礎需要控制變形和沉降，樁長設計需要滿足抗液化要求。

根據地基處理范圍、樁徑、樁位布置、樁長的確定，該基礎地基處理碎石擠密樁有效樁長9 m，樁總數538根，布置見圖1。

圖1 振沖碎石樁布置

4.2 地基處理效果評價

當地基處理后液化指數IlE≤6，則判別為輕微液化，可以不考慮對基礎的影響。原土層液化指數為22.4，判別為嚴重液化，地基處理后液化指數如表6所示。處理后IlE=5.39＜6，根據規范規定判別其液化等級從嚴重液化降為輕微液化，已經不具液化危害，可見其處理效果較好。

表6 地基處理后液化指數

5 結語

通過對該地基腐蝕特性研究，提出采用開挖式基礎，施工方便，對基礎表面進行防腐蝕處理，減少甚至消除SO42-離子進入混凝土結構的通道，增強基礎的抗腐蝕性。

對比“裹體灌注樁”、“聯合板式基礎”和“大板基礎+碎石樁”3種基礎型式及地基處理方式，“大板基礎+碎石樁”經濟性最優，同時此方案為基礎采用大開挖方式，對于粉土粉砂地基可以降低施工安全風險。

碎石擠密樁擠壓和置換作用，降低地基的孔隙率，形成滲透性良好的人工豎井減壓，可在地震作用時，及時排除孔隙水，降低液化影響，經地基處理后，該地基液化指數IlE=5.39＜6，從嚴重液化降為輕微液化，不具液化危害。

［1］國家能源局.架空輸電線路基礎設計技術規程：DL／T 5219—2014［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［2］黃新，胡同安.水泥-廢石膏加固軟土的試驗研究［J］.巖土工程學報，1998，20（5）：75-79.

［3］中華人民共和國建設部.工業建筑防腐蝕設計規范：GB 50046—2008［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［4］中華人民共和國建設部.建筑抗震設計規范：GB 50011—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［5］中華人民共和國住房和城鄉建設部.電力設施抗震設計規范：GB50260—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［6］王文濤.用碎石樁防止粉土地基液化的設計方法［J］.工業建筑，1996，26（4）：41-44.

［7］黃茂松，吳世明，趙竹占.振動擠密砂樁與振沖碎石樁抗液化分析［J］.浙江大學學報（自然科學版），1992，26（2）：165-171.