新型輸電線路復合基礎性能及設計方法研究★

孟 克 趙 戈 王文明 李榮帥

(1.中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司，山東 濟南 250102；2.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

我國總體還處于工業化中后期和城鎮化快速推進期，未來電力需求將持續較快增長，加快建設東部、西部同步電網，提升電網配置是未來較長一段時間內電網發展的主要任務，輸電線路工程將大規模建設[1]。輸電線路基礎工程建設存在的造價高、工期長和勞動力消耗大等問題，在大規模輸電線路建設中更為突出。因此，分析目前常見基礎型式的優缺點，深入研究新型基礎設計，對適應電網發展新環境、降低工程造價、縮短施工周期有重要意義。

不同于建筑基礎，輸電塔基礎除承受上部桿塔結構、導線和金具荷載外，還承受風、覆冰、脫冰及線路轉角等外力作用，且荷載的大小、方向、頻率會隨外界氣象環境因素改變，存在明顯的行業特點[2]。目前常見的基礎型式可分為開挖回填基礎、原狀地基掏挖基礎、樁基礎、巖石錨桿基礎、螺旋錨基礎和復合基礎等六類，前五類常規基礎得到大量工程應用，具有普遍的適用性，但也存在土方開挖量大、勞動力消耗量大、成本高、地質條件要求高等不可避免的缺點[3]。因此，為發揮各類基礎的優勢規避其缺點，復合基礎的設計研發受到了廣泛關注。

現階段隨著國內對于復合基礎研究的深入，可以根據其所適應的地質將其分為兩類，即地下水較淺的軟土地基類以及有一定覆蓋層的巖石類地基。軟土地基類主要有變截面樁—板復合基礎、板式中型樁基礎以及微型樁基礎，巖石地基類復合基礎主要有掏挖巖石錨桿復合基礎與短樁巖石錨桿復合基礎[4-6]。本文將主要針對復合錨桿基礎，從復合巖石錨桿基礎和復合螺旋錨基礎兩方面介紹幾種新型復合基礎設計。

1 復合巖石錨桿基礎

根據DL/T 5219—2014架空輸電線路基礎設計技術規程巖石錨桿基礎需要承臺嵌入巖石，因此適用于巖石直接裸露地表或基巖不深的情況。對于上覆2 m～5 m土層，土層以下為巖石地基的地區，難以應用巖石錨桿基礎，而目前普遍采用的挖孔基礎施工難度大，施工周期長，施工人員的安全存在隱患。針對這一情況，提出帶上部支護結構的鋼筋混凝土樁—錨桿復合基礎和鋼筋混凝土板式—錨桿復合基礎，二者均具有良好的抗拔和抗壓承載力，其主要優點如下：

1)適用于覆土較厚(2 m～5 m)，土層下為巖石基礎的地區，樁—錨、板—錨復合基礎通過土體、錨、樁(或板)的共同作用承擔基礎荷載，充分發揮淺、深基礎的優勢，避免了挖孔基礎存在的工期長、難度大等問題。

2)兩種基礎型式在樁長較短或基礎埋深較淺時，由于錨桿設置，基礎抵抗上拔力的能力大大提高，無需進行巖石開挖，顯著降低施工難度，提高施工效率。

1.1 帶上部支護結構的鋼筋混凝土樁—錨桿復合基礎

該基礎的結構型式為鋼筋混凝土樁、支護結構以及設于樁下部的錨桿組合，鋼筋混凝土樁和支護結構埋置于土中，錨桿埋置于巖石中，如圖1所示。基礎的上拔力由樁和錨桿共同抵抗；下壓力由樁抵抗；水平力主要由支護結構抵抗，部分由樁抵抗。支護結構包括鋼筋混凝土環板和立柱，該部分可以承受基礎所受的大部分水平力，有效減小樁發生側移。錨桿采用的錨筋為鋼筋混凝土樁的主筋，以保證樁與錨桿連接的可靠性，錨筋和錨孔壁之間有灌漿物。

該基礎型式避免采用大開挖基礎，保證環保要求，特別適用于環保監管嚴格的海外國家，尤其適用于國外特高壓或者超高壓輸電塔的拉線基礎。

1.2 鋼筋混凝土板式—錨桿復合基礎

該基礎的結構型式為鋼筋混凝土主柱、底板，以及設于底板下部的錨桿組合，鋼筋混凝土主柱及底板埋置于土中，錨桿埋置于巖石中，如圖2所示。基礎的上拔力由板式基礎部分和錨桿共同抵抗；下壓力和水平力由板式基礎部分抵抗。為了保證上部基礎與錨桿連接的可靠性，部分主柱主筋可向下延長，當作錨筋使用。

該基礎型式可以承受很大的上拔力，特別適用于上拔力控制基礎尺寸的情況，例如終端塔基礎等。同時，該基礎型式可實現100%機械化施工，提高施工效率。

2 復合螺旋錨基礎

螺旋錨基礎在海外工程的拉線基礎中得到了廣泛應用，該基礎型式被大量用于巴西美麗山特高壓工程[7]。該基礎型式可以顯著降低土方開挖量、施工難度和施工成本。螺旋錨桿為成品，機械化施工，質量容易控制，安全性和可靠性大大提高。但是螺旋錨基礎整體剛度偏低，抵抗水平力能力較弱的缺陷，限制其廣泛應用，因此設計研發復合螺旋錨基礎，充分發揮螺旋錨基礎優勢對輸電線路建設工程意義重大。

2.1 鋼筋混凝土板式—樁—螺旋錨基礎

該基礎的結構形式為板式基礎與樁、螺旋錨組合，將鋼筋混凝土主柱和底板淺埋于土體中，將螺旋錨和細樁打入下層土體，借助螺旋錨和樁，將周圍土體形成一個整體，提高基礎的穩定性，如圖3所示。樁設置在底板四角的正下方，起到維持整體基礎穩定和防止上部土體遇水后整體基礎發生沉降的作用。螺旋錨設置在主柱正下方以及底板下方，提供部分上拔承載力并能防止上部基礎周圍濕陷性黃土遇水后發生不均勻沉降。基礎設計上拔力主要由板式基礎部分和螺旋錨基礎部分共同承擔，下壓力主要由板式基礎部分承擔。

由于濕陷性黃土危害深度一般為6 m以內，板式基礎埋深一般在4.5 m左右，螺旋錨和樁基礎的設置使整體基礎埋深可達10 m以上。因此，螺旋錨和樁基礎在上部土體遇水的情況下可以起到維持整體基礎穩定的功能，阻止基礎沉降。同時螺旋錨的設置減少了主柱和底板的埋深，一方面減少了土方開挖量，另一方面避免了二八灰土的大量使用，提高了施工效率、降低了工程造價。該基礎型式特別適用于上拔力控制基礎尺寸的情況及濕陷性等級較高的黃土地區。

2.2 鋼筋混凝土墻—螺旋錨復合基礎

該基礎的結構形式為鋼筋混凝土短柱、墻以及設于墻下部的螺旋錨組合，如圖4所示。鋼筋混凝土墻埋置于土中，方向與拉線在地面的投影垂直，承受拉線的水平分力。墻兩側的土體可有效限制墻發生位移，顯著提高整體基礎沿拉線方向的剛度。鋼筋混凝土墻的設置可以大大減小基礎頂部的位移，提高整體基礎的抗變形能力和可靠度。短柱位于墻上部中心位置，頂部的鋼板通過套環與拉線連接，將拉線的水平分力和豎向分力向下傳遞。螺旋錨通過專用器具擰入土中，上部埋置于鋼筋混凝土墻。

該基礎將鋼筋混凝土墻應用于螺旋錨基礎，大大提高了基礎抵抗拉線水平力的能力，能夠有效減小基礎水平變形，確保拉線有效張力，從而提高拉線塔安全性。與板式基礎和挖孔基礎相比，該基礎型式土方開挖量小，具有造價低、施工方便和環境友好的特點。對地質條件為土體的拉線基礎，具有極高的應用價值，尤其適用于國外特高壓或者超高壓輸電塔的拉線基礎。

2.3 鋼筋混凝土短樁—懸臂梁—螺旋錨基礎

該基礎的結構型式為鋼筋混凝土短樁、懸臂梁以及設于短樁下部的螺旋錨組合，如圖5所示。鋼筋混凝土結構部分埋置于土中，可承受拉線的水平分力，也可承受部分上拔力。鋼筋混凝土懸臂梁周圍的土體可有效限制整體基礎發生水平位移，顯著提高整體基礎水平方向的剛度。螺旋錨通過專用器具擰入土中，上部埋置于鋼筋混凝土短樁，可承擔很大上拔力。短柱上部中心設有拉線連接器可以便于拉線和基礎連接，并能夠方便未來運維和檢修。拉線連接器和錨筋焊接，通過錨筋與基礎有效連接。錨筋下方焊有鋼板，可以大大提高錨固力，降低錨固長度。針對土壤腐蝕問題，螺旋錨基礎部分和鋼筋混凝土懸臂梁以上部分外刷改性高氯化聚乙烯防腐蝕涂層。中、強腐蝕地區基礎混凝土中加入粉煤灰、磨細礦渣、硅灰等礦物摻合料。

該基礎可有效解決拉線基礎腐蝕問題和水平位移不易控制問題，與板式基礎和挖孔基礎相比，具有造價低、施工方便和環境友好的特點。對地質條件為鹽漬土土體的拉線基礎，具有極高的應用價值，尤其適用于國外特高壓或者超高壓輸電塔的拉線基礎。

2.4 多樁承臺螺旋錨復合基礎

該基礎的結構形式為主柱、承臺、鋼筋混凝土樁和螺旋錨組合，如圖6所示。主柱根據鐵塔與基礎的連接方式選擇垂直柱或斜柱。鋼筋混凝土樁埋置于土中，螺旋錨打入土體。承臺可完全埋于土中，也可部分埋于土中。樁底部可設置擴大頭，以增大端部承壓面積從而提高其抵抗下壓力的承載能力。螺旋錨通過專用器具擰入土中，上部埋置于鋼筋混凝土短樁，可承擔很大上拔力。基礎的上拔力由多樁承臺基礎和螺旋錨共同抵抗；下壓力和水平力由多樁承臺基礎抵抗。

與多樁承臺基礎相比，該基礎型式可以有效減少樁數量、減小樁徑和承臺尺寸，避免巖體的開挖，抵抗上抗力的能力大大提高，從而降低基礎造價，減少土方開挖，有效縮短工期，具有良好地經濟效益和社會效益。對于土層以下為巖石且土層較淺地區的大荷載輸電塔基礎具有較高的應用價值，特別適用于大轉角、大跨越輸電塔基礎。

3 結語

復合基礎可將不同常規基礎進行組合，充分發揮不同基礎的優勢，降低常規基礎型式的缺點，以達到節約工程量、縮短工期、保護環境、降低工程造價的目的。目前國內關于復合基礎的研究還處于前期和試點使用驗證階段，離大規模推廣尚有一定距離。本文提出的幾類新型復合基礎設計較目前采用的基礎型式有一定突破，期許為未來復合基礎的研發設計提供參考。