三管塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案探討

田 畾，梁 俊，黃佑能

（1.中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院，北京 100045；2.廣西廣播電視技術(shù)中心，廣西 南寧 530000）

0 引言

近年來，隨著無線數(shù)字化覆蓋工程的推進(jìn)，各省、市、自治區(qū)均開展了鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的建設(shè)，為切實(shí)保障城鄉(xiāng)居民聽好廣播、看好電視的重要舉措，有效解決無線模擬技術(shù)條件下傳輸節(jié)目較少、質(zhì)量有待提高等問題，進(jìn)一步提升廣播電視公共服務(wù)水平和質(zhì)量。鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺站的建設(shè)內(nèi)容主要包括發(fā)射機(jī)房和發(fā)射塔，發(fā)射塔作為無線傳輸設(shè)備的載體，承擔(dān)著發(fā)射任務(wù)，然而，發(fā)射塔的建設(shè)難點(diǎn)往往在于塔的基礎(chǔ)施工，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式為方形獨(dú)立基礎(chǔ)，現(xiàn)場施工周期長、基坑開挖面積大、巖石地質(zhì)難以開挖等問題突出。

基于以上的問題，本文主要從改變基礎(chǔ)形式和埋深等角度思考，提出了幾種三管塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，并給出技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比。

1 三管塔基礎(chǔ)形式

三管塔常用的基礎(chǔ)主要有獨(dú)立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和錨桿基礎(chǔ)等形式，獨(dú)立基礎(chǔ)主要以方形基礎(chǔ)形式居多，樁基礎(chǔ)主要是以剛性短樁基礎(chǔ)為主，錨桿基礎(chǔ)主要用于巖石地基。

方形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，主要由①基礎(chǔ)墊層、②方形底板、③基礎(chǔ)柱，三部分構(gòu)成（見圖 1），底部基礎(chǔ)筏板與地基接觸面積較大，可以減少單位面積地基土層的荷載，基礎(chǔ)混凝土用量相對較少，適用于軟土地基和上部荷載比較大的塔型。

圖1 方形基礎(chǔ)

圖2 剛性短樁基礎(chǔ)

圖3 圓形筏板基礎(chǔ)

剛性短樁基礎(chǔ)形式比較簡單，如圖 2 所示，基礎(chǔ)占地面積小，直徑超過 800 mm 可進(jìn)行人工開挖，圓形截面慣性矩I和樁身直徑D成 4 次方比例關(guān)系，增加樁徑可有效提高抗彎能力和抵抗水平變形能力，剛性短樁直徑增加一倍，基礎(chǔ)的混凝土用量增加 4 倍，經(jīng)濟(jì)性較差。

三管塔圓形筏板基礎(chǔ)方案，如圖 3 所示，本方案是一種新型的基礎(chǔ)形式，以往工程案例應(yīng)用較少，主要由①基礎(chǔ)墊層、②圓形底板、③基礎(chǔ)反梁、④基礎(chǔ)柱和⑤基礎(chǔ)連系梁等部分組成，該基礎(chǔ)底板被反梁和連系梁分割成幾個(gè)小區(qū)域，底板剛度較大，抗彎能力較強(qiáng)，整個(gè)基礎(chǔ)剛性較強(qiáng)，可以有效抵抗水平力和傾覆彎矩，同時(shí)還可以減小基礎(chǔ)柱頭尺寸，減少混凝土用量。

2 基礎(chǔ)選型影響因素

影響三管塔基礎(chǔ)選型的因素，主要可歸納為建設(shè)地點(diǎn)的風(fēng)壓和離地高度（荷載因素）、工程地質(zhì)情況、結(jié)構(gòu)形式等。

2.1 風(fēng)壓和離地高度影響

圖4 基底傾覆彎矩與風(fēng)壓、離地高度變化趨勢

圖5 基底剪力與風(fēng)壓、離地高度變化趨勢

對于鋼塔桅結(jié)構(gòu)來說，風(fēng)荷載一般設(shè)計(jì)的是主要控制荷載，不同風(fēng)壓、不同離地高度（相對于設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓取值的參考高度），基礎(chǔ)所受到的傾覆彎矩不同，圖 4、圖 5 分別列出了三種不同風(fēng)壓下基底傾覆彎矩和基底剪力的變化趨勢，傾覆彎矩和基底剪力與離地高度呈現(xiàn)出大致的線性遞增趨勢，風(fēng)壓越大的地區(qū)，傾覆彎矩越大，基礎(chǔ)所需埋深越大，對于大風(fēng)壓區(qū)，采用剛性短樁基礎(chǔ)方案，短樁直徑和埋深相應(yīng)會增加很多，混凝土用量遞增，越不經(jīng)濟(jì)。

2.2 工程地質(zhì)情況影響

工程地質(zhì)情況對基礎(chǔ)選型影響較大，地基持力層承載力特征值的大小、不利地質(zhì)情況（如土洞、溶洞、軟弱土、地下水情況）、基礎(chǔ)開挖難易程度均影響基礎(chǔ)的埋深。

對于較易開挖的地質(zhì)可以選擇圖 1～圖 3 三種方案中的任何一種，然而對于我國云南、廣西等地區(qū)高山臺站，這些臺站分布基本位于東南沿海風(fēng)壓較大的區(qū)域且海拔較高，塔身受到風(fēng)荷載較大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也較為困難，經(jīng)過相關(guān)工程現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)大多數(shù)地層以硬質(zhì)黏土、砂巖、礫巖、泥巖為主，一般開挖地下 0.5～1.5 m 范圍即可見巖石地層，巖石地基承載力高，均勻性好，厚度較大，是塔基良好的天然持力層，對于巖石地基開挖基礎(chǔ)往往需要借助于風(fēng)鎬或爆破的方法，實(shí)施起來較為困難，當(dāng)遇到這種地質(zhì)情況時(shí)，一般只能將基礎(chǔ)開挖至所見巖石深度，基礎(chǔ)形式選用圖 1～圖 3 均很難滿足基礎(chǔ)的抗傾覆要求，此時(shí)需要對基礎(chǔ)方案進(jìn)行改進(jìn)，通過基礎(chǔ)回填的（輔以回填土、碎石或素混凝土等）形式，可以選用圖 6、圖 7 的基礎(chǔ)回填方案，通過增加配重來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的抗傾覆設(shè)計(jì)，周邊回填材料取材困難時(shí)，一般可用素混凝土回填。對于巖石錨桿基礎(chǔ)雖然基礎(chǔ)混凝土用量較少，但對于承受一定水平荷載的塔桅結(jié)構(gòu)來說，并不太適用，本文暫不討論。

剛性短樁基礎(chǔ)不太合適再回填，圖 6 為方形筏板基礎(chǔ)回填方案，圖 7 為設(shè)置擋墻的回填形式，在基礎(chǔ)底板上砌筑回填擋墻，根據(jù)受力的大小計(jì)算擋墻內(nèi)部進(jìn)行素混凝土回填高度。

圖6 方形筏板基礎(chǔ)回填

圖7 圓形筏板基礎(chǔ)回填

2.3 結(jié)構(gòu)形式影響

三管塔一般主要有鋼管塔、鋼管－角鋼組合塔、角鋼塔等結(jié)構(gòu)形式。角鋼塔塔身自重較輕，連接簡單，角鋼方便采購，生產(chǎn)工藝簡單，效率高，但角鋼塔缺點(diǎn)是風(fēng)阻大，構(gòu)件穩(wěn)定性較差；鋼管塔一般采用無縫鋼管或直縫管，鋼管風(fēng)荷載體形系數(shù)小，抗風(fēng)能力強(qiáng)，截面呈雙軸對稱，回轉(zhuǎn)半徑大，穩(wěn)定性較好，鋼管塔塔柱連接一般采用外法蘭盤連接，塔底根開小。對于荷載不大，地基土質(zhì)較好時(shí)，可采用剛性短樁基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗^差且較均勻時(shí)，宜采用筏板基礎(chǔ)。

3 不同基礎(chǔ)類型受力機(jī)理分析

3.1 方形基礎(chǔ)

對于圖 1 所述的三柱基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)，基底的脫開面積應(yīng)滿足 GB 50135－2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第 7.1.2.5 條，基底脫開面積不大于底部全面積的 1/4。圖 8、9 為偏心荷載（e≤b/6）和（e＞b/6）下基底壓力計(jì)算示意圖，Pkmax、Pkmin［4］按照式（1）～（3）計(jì)算。圖 10 為三柱筏板基礎(chǔ)最不利破壞模式，基礎(chǔ)底板彎矩可參照倒置的三樁承臺按照代表性的破壞模式 I-I 破壞屈服線開展，利用鋼筋混凝土板的屈服線理論，計(jì)算底板的最大彎矩Mmax按照式（4）、式（5）計(jì)算，此外，基底Pkmax需滿足式（6）要求。

圖8 偏心荷載（e≤b/6）下基底壓力

圖9 偏心荷載（e＞b/6）下基底壓力

圖10 三柱筏板基礎(chǔ)最不利破壞模式

偏心荷載作用時(shí)（e≤b/6）：

式中：Pkmax、Pkmin分別為相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大、最小壓力值，kPa；Mmax為基礎(chǔ)底板計(jì)算彎矩，kN·m；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；Nmax為單柱柱頂豎向作用力最大值，kN；N為作用于三柱頂豎向合作用力，kN；M為作用于三柱頂合作用彎矩，kN·m；S為塔底根開，m。

3.2 剛性短樁基礎(chǔ)

對于圖 2 所述的剛性短樁基礎(chǔ)主要適用于h/D0＜10 的情況，圖 11 為剛性短樁計(jì)算示意圖，其設(shè)計(jì)承載力主要由樁側(cè)土的強(qiáng)度及穩(wěn)定性控制，主要需滿足以下條件［5］：

抗傾覆力矩極限值Mu按照式（7）、（8）計(jì)算：

式中：Mu為抗傾覆力矩極限值，kN·m；M0為傾覆力矩值，kN·m；Mk為短樁頂部彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m；Vk為短樁頂部剪力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；h為短樁地面以下總長度，m；h0為短樁露出地面高度；E為總的土側(cè)向抗力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；μ為土與樁之間的摩擦系數(shù)；D0為短樁直徑，m；e為短樁豎向反力偏心距，m；β為無量綱的中間系數(shù)。

圖11 剛性短樁計(jì)算示意圖

3.3 圓形筏板基礎(chǔ)

圓筏形基礎(chǔ)受力機(jī)理與矩形有所不同［6］，圖 12 為偏心荷載下圓筏形基礎(chǔ)基底脫開壓力示意圖，基礎(chǔ)底面脫開面積按照式（15）計(jì)算，需要滿足不大于底部全部面積的 1/4，脫開面積為圖 12 非陰影部分面積所示，基底的最大壓力值Pkmax按照式（13）、（14）計(jì)算，基底Pkmax也需滿足式（6）要求。

式中：r1為基礎(chǔ)底板半徑，m；ac為基礎(chǔ)底板受壓面積寬度，m；ξ、τ為系數(shù)，與e/r1的比值有關(guān)；AT為脫開面積，m2，如圖 13 所示，非陰影部分面積。

圖12 偏心荷載下圓筏形基礎(chǔ)基底脫開壓力示意圖

圖13 基底脫開壓力三維示意圖

表1 不同基礎(chǔ)形式混凝土用量比較

表2 回填方案混凝土用量比較

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比

4.1 不同基礎(chǔ)形式混凝土用量比較

基礎(chǔ)混凝土用量直接影響工程的總投資，表 1 列出了在三種不同風(fēng)壓作用下，方形基礎(chǔ)、剛性短樁基礎(chǔ)、圓形筏板基礎(chǔ)三種形式在離地高度為 50 m，基礎(chǔ)柱頭邊寬為 0.4 m 的情況下基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)參數(shù)與基礎(chǔ)所用混凝土量的比較。

由表 1 可知，相同風(fēng)壓下，剛性短樁基礎(chǔ)所用混凝土量最多，其次是方形基礎(chǔ)，圓筏基礎(chǔ)最少；方形基礎(chǔ)和圓筏基礎(chǔ)在相同邊寬或直徑，基礎(chǔ)埋深一致的情況下，方形筏板厚度大，圓筏基礎(chǔ)混凝土用量較方形筏板基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)；風(fēng)壓較大的地方采用剛性短樁基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)性最差。

4.2 不同回填方案混凝土用量比較

表 2 為方形和圓筏形基礎(chǔ)回填方案在 0.75 kN/m2風(fēng)壓下的混凝土用量的比較，在相同的基底三向力、相同基礎(chǔ)埋深和底板厚度情況下，方形基礎(chǔ)混凝土總用量比圓筏基礎(chǔ)混凝土總用量多。

由表 2 可知：風(fēng)壓在 0.75 kN/m2時(shí)，基礎(chǔ)埋深較深，對于淺層巖石地基，開挖困難，一般選擇回填方案，回填方案的優(yōu)點(diǎn)是土方開挖較小，開挖難度小，不需要基坑支護(hù)等施工措施，缺點(diǎn)是基礎(chǔ)回填混凝土量大，經(jīng)濟(jì)性較差，故該方案僅適用淺層巖石基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

基礎(chǔ)形式的選用是根據(jù)地質(zhì)情況和上部的結(jié)構(gòu)形式來綜合考慮。對于土層地質(zhì)情況良好的建設(shè)場地，應(yīng)優(yōu)先選擇埋深至天然地基持力層，對于淺層巖石地基，可以選用基礎(chǔ)回填的方案。相較于傳統(tǒng)的方形基礎(chǔ)和剛性短樁基礎(chǔ)，圓形筏板基礎(chǔ)混凝土用量較少，理論上最為經(jīng)濟(jì)，可優(yōu)先考慮。