城區(qū)輸電線路自立桿“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)研究

朱江峰，馮　炳，謝　芳

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江　紹興　312000；2．紹興文理學院　土木工程學院，浙江　紹興　312000）

0　引言

中國的經(jīng)濟和科技發(fā)展迅猛，城市對電力的需求也在快速增長，各種電壓等級的城區(qū)輸電線路建設(shè)正如火如荼的展開[1-2]。自立桿是輸電線路桿塔的常見型式，由于其具有占地小、外形美觀等優(yōu)點，越來越多的應用在寸土寸金的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)中[3-6]。輸電線路自立桿基礎(chǔ)相比常規(guī)鐵塔有以下特點：

（1）自立桿基礎(chǔ)受力不同于常規(guī)鐵塔基礎(chǔ)只承受豎向荷載作用，主要是彎矩作用，如圖1箭頭所示。

（2）自立桿基礎(chǔ)受力相比常規(guī)鐵塔要大的多，是相同使用條件鐵塔基礎(chǔ)作用力的2倍以上。

基礎(chǔ)工程是輸電線路工程建設(shè)的重要組成部分，它的造價、工期和勞動力消耗量在整個線路工程中占很大比重[7-11]。同時，輸電線路基礎(chǔ)工程關(guān)系整條線路的運行安全，一旦某個塔位基礎(chǔ)出現(xiàn)安全事故，整條線路運行將面臨癱瘓。因此，選擇合理的基礎(chǔ)型式并進行優(yōu)化研究，對降低輸電線路工程投資、保障線路安全運行至關(guān)重要。

圖1　輸電線路自立桿與鐵塔基礎(chǔ)受力對比

1　城區(qū)輸電線路自立桿常用基礎(chǔ)型式及其特點

1.1　大開挖回填基礎(chǔ)

城區(qū)輸電線路的大開挖回填基礎(chǔ)主要有板式基礎(chǔ)與臺階基礎(chǔ)，如圖2所示。此類基礎(chǔ)技術(shù)成熟、施工簡單，在常規(guī)輸電線路中應用最廣。板式基礎(chǔ)的底板配置受力鋼筋，以充分發(fā)揮混凝土和鋼筋的承載性能，且一般控制基礎(chǔ)底板的寬高比不大于2.5，以滿足底板剛度要求。剛性基礎(chǔ)往往底板不配筋，通過同步增加臺階數(shù)量和高度來增加底板寬度。大開挖回填基礎(chǔ)依靠基礎(chǔ)自重及地基反力來抵抗桿塔傾覆彎矩，因此其底板寬度與混凝土方量均較大。

圖2　城區(qū)輸電線路常見大開挖回填基礎(chǔ)型式

1.2　灌注樁基礎(chǔ)

灌注樁基礎(chǔ)指在工程現(xiàn)場通過機械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中形成樁孔，并在其內(nèi)放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁基礎(chǔ)，可分為單樁與多樁承臺，如圖3所示。單樁基礎(chǔ)主要靠側(cè)向土壓力抵抗傾覆彎矩，而多樁承臺則主要靠樁身下壓或上拔力來抵抗傾覆彎矩。灌注樁基礎(chǔ)是一種深基礎(chǔ)型式，其具有適應性強、后期質(zhì)量穩(wěn)定和承載力大等優(yōu)點，因此，近年來在城區(qū)電網(wǎng)建設(shè)中得到了廣泛應用。但該基礎(chǔ)施工費用較高，且施工時產(chǎn)生的泥漿會對城區(qū)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

圖3　城區(qū)輸電線路灌注樁基礎(chǔ)

1.3　鋼管樁基礎(chǔ)

鋼管樁基礎(chǔ)是將上部鋼管桿進行延伸，直接打入土中，用少量混凝土注漿填滿空隙的一種深基礎(chǔ)型式，如圖4所示。鋼管樁基礎(chǔ)的受力特點與單樁基礎(chǔ)類似，依靠側(cè)向土壓力抵抗傾覆彎矩。其質(zhì)量穩(wěn)定、承載力大，而且施工方式簡單環(huán)保。但鋼管樁基礎(chǔ)的施工對地質(zhì)情況要求較高，在土質(zhì)較硬或者有碎石的情況下，鋼管樁要被打入到指定深度有一定的困難。

圖4　城區(qū)輸電線路自立桿鋼管樁基礎(chǔ)

2　新型“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)

2.1　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)特點

“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)是在鋼管樁基礎(chǔ)上的一種改進型。當鋼管樁無法直接打入地基中時，采用旋挖鉆機機械成孔，放入底部帶圓形鋼板的鋼管樁，再像加砝碼一樣逐個加裝預制混凝土重塊，然后在基坑與混凝土重塊縫隙處注漿，保證基礎(chǔ)與土體的粘結(jié)作用。同時，可根據(jù)實際需要加裝上部預制混凝土承臺，如圖5所示。

圖5　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)示意

由圖5可知，該基礎(chǔ)型式各個部件均是預制構(gòu)件，既保證了施工質(zhì)量，同時也加快了施工進度，滿足全過程機械化施工的要求。在基礎(chǔ)受力上，混凝土砝碼有效的加大了單樁基礎(chǔ)與土體的接觸面，增加了側(cè)向土壓力，從而大幅增加基礎(chǔ)的抗傾覆性能。鋼管樁基礎(chǔ)采用內(nèi)部反向法蘭與上部鋼管桿連接，保證了混凝土砝碼的順利安裝，如圖6所示。

圖6　砝碼式鋼管樁基礎(chǔ)上部內(nèi)法蘭

“砝碼式”鋼管樁在性能上綜合了鋼管樁和裝配式基礎(chǔ)的優(yōu)點，具有以下特點和優(yōu)勢：

（1）基礎(chǔ)所有構(gòu)件均采用預制，保證了構(gòu)件質(zhì)量，有效縮短施工工期，節(jié)約施工成本。

（2）內(nèi)部鋼管可視為基礎(chǔ)配鋼筋，承受基礎(chǔ)絕大部分彎矩，外部預制混凝土可不配鋼筋或少配鋼筋，同時設(shè)計上不受構(gòu)件含鋼率限制，構(gòu)件承載力較鋼筋混凝土基礎(chǔ)可提高30%以上。

（3）混凝土砝碼有效加大了單樁基礎(chǔ)與土體的接觸面，增加了側(cè)向土壓力，從而大幅增加基礎(chǔ)的抗傾覆性能。

（4）該結(jié)構(gòu)延性遠高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有更高的變形能力和抗震性能。

（5）該基礎(chǔ)直接通過鋼管內(nèi)法蘭與上部鋼管桿連接，無需地腳螺栓。

（6）基礎(chǔ)下壓荷載直接通過內(nèi)部鋼管傳遞給底部鋼板。

2.2　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的抗傾覆承載力計算

“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的抗傾覆承載力計算仍然可以按照《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中電桿基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定公式計算[8-14]，計算簡圖見圖7。

式中：X為土壓力；m為土壓力參數(shù)；β為等代內(nèi)摩阻角，按表1確定；y為自設(shè)計地面起算的深度；γs為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，按表1確定。

圖7　電桿基礎(chǔ)計算簡圖

表1　加權(quán)平均重度、等代內(nèi)摩阻角參數(shù)

2.3　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)有限元計算

2.3.1數(shù)值建模及參數(shù)選擇

本次數(shù)值分析采用MIDAS-GTS巖土工程專業(yè)有限元軟件。該軟件能模擬復雜的工程地質(zhì)條件和實際工程的加、卸載工序，通過合理的本構(gòu)模型來模擬巖土體材料的非線性和時間相關(guān)性，可用于分析基礎(chǔ)承載力、軟基處理、樁基礎(chǔ)和隧道等多種巖土工程的變形和穩(wěn)定問題。

為模擬“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)在承受彎矩荷載后土體和基礎(chǔ)的應力和位移發(fā)展情況，本次分析按實體建模。土體本構(gòu)關(guān)系選擇為莫爾庫倫模型，基礎(chǔ)本身按線彈性材料考慮，其彈性模量分別按混凝土和鋼的模量取值。

另外，為模擬土體、基礎(chǔ)界面上及鋼管、混凝土塊界面上的滑動，在基礎(chǔ)土體接觸面、鋼管、混凝土塊接觸面上添加界面單元[15]。其中鋼管、混凝土塊之間采用線性界面單元，混凝土塊、土體之間采用莫爾庫侖接觸單元。界面單元屬性如表2所示。

表2　界面單元參數(shù)

以某220 kV直線鋼管桿為基本分析對象，其基礎(chǔ)作用力設(shè)計值為：N=150 kN，Qx=85 kN，Qy=85 kN，M=1 500 kN·m。鋼管直徑取1 200 mm，埋深取6 m，外部混凝土塊直徑取2.4 m。

土體底部水平向和豎向均固定，兩側(cè)邊界水平向固定，豎向可移動。在柱頂施加桿塔荷載，迭代計算時通過增加荷載因子控制施加桿塔荷載，當土體位移過大破壞時終止計算。網(wǎng)格劃分如圖8所示。土體和基礎(chǔ)的計算參數(shù)分別如表3—表4所示。

圖8　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)計算模型網(wǎng)格劃分

2.3.2“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的有限元計算

采用MIDAS GTS軟件對該基礎(chǔ)型式進行非線性分析。圖9為整體變形示意圖；圖10為“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的內(nèi)力與位移云圖；圖11為聯(lián)合沉井基礎(chǔ)土體等效應力示意圖。

表3　地基土體計算參數(shù)

表4　基礎(chǔ)材料計算參數(shù)

圖9　整體變形示意

圖10　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)內(nèi)力云圖

由圖9—圖11可知，“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)在上部鋼管桿荷載作用下，其地面最大位移為10 mm，滿足規(guī)范要求。同時，基礎(chǔ)各部件的應力值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力合理，整體性和穩(wěn)定性較好。

表5　不同基礎(chǔ)型式技術(shù)經(jīng)濟比較

圖11　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)土體塑性區(qū)分布示意

3　“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟比較分析

3.1　基本設(shè)計條件

以某城區(qū)220 kV雙回路輸電線路自立桿為例，導線采用2×LGJ-630/40，地線采用JLB20A-120。導地線安全系數(shù)分別取4.5和6.0，設(shè)計氣象條件為：基本風速27.0 m/s、覆冰5 mm。設(shè)計水平檔距250 m，垂直檔距300 m。地基土類型為粉質(zhì)粘土并考慮0.5 m覆蓋層厚度。

3.2　技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果

該自立桿分別采用灌注樁基礎(chǔ)、鋼管樁基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)以及“砝碼式”鋼管樁的技術(shù)經(jīng)濟指標進行了對比分析，如表5所示。

計算結(jié)果表明，在地質(zhì)條件相同的情況下，采用“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)，其指標優(yōu)于普通板式基礎(chǔ)與鋼管樁基礎(chǔ)，與灌注樁基礎(chǔ)相當，且施工工藝更為簡潔，更好的滿足機械化、模塊化施工的要求，經(jīng)濟與社會效益顯著。

4　結(jié)論與展望

目前城區(qū)輸電線路自立桿常規(guī)基礎(chǔ)型式主要有：大開挖回填基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)和鋼管樁基礎(chǔ)，這些基礎(chǔ)各有特點和不足。“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)是一種新型基礎(chǔ)型式，是在鋼管樁基礎(chǔ)上的一種改進型，具有預制化、模塊化和機械化的特點。有限元分析和技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果表明，該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力合理，其在自立桿荷載下作用下整體性和穩(wěn)定性較好，變形、內(nèi)力均能滿足規(guī)范要求。在地質(zhì)條件相同的情況下，采用“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)，其指標優(yōu)于普通板式基礎(chǔ)與鋼管樁基礎(chǔ)，與灌注樁基礎(chǔ)相當，且施工工藝簡潔、施工周期短，能更好地滿足預制化、模塊化、機械化施工的要求，在城區(qū)輸電線路中具有一定的推廣價值。

以上對于砝碼式鋼管樁基礎(chǔ)的設(shè)計作了初步研究，僅涉及到基本理論和數(shù)值模擬，要將該基礎(chǔ)型式運用于實踐，還需采用試驗手段對其受力性能、承載力計算公式、構(gòu)件設(shè)計方法等進行深入研究，同時對具體的施工機械、施工技術(shù)、施工流程也需進行進一步的研究。