擠擴支盤樁在輸電線路桿塔基礎設計中的應用

張文心，盧 彬，王朝輝，王 斌，劉艷斌

(1. 中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021；2. 遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽 110021；3. 國網吉林省電力有限公司建設分公司，吉林 長春 130000；4. 長春東電電力工程有限公司，吉林 長春 130021)

0 引言

擠擴支盤灌注樁基礎(以下簡稱“擠擴支盤樁基礎”)是由普通鉆孔灌注樁發展而來的一種變徑樁，是依據樹根的抗拔、抗壓原理，結合變截面鉆孔灌注樁的形狀進行構思、研究而發明的一種新型灌注樁基礎。其成孔工藝與普通鉆孔灌注樁相同，成孔后利用特制的支盤器沿樁身在不同部位設置支撐擠擴造支或造盤。

區別于常規建筑荷載，高壓輸電線路的桿塔基礎荷載具有上拔、下壓交變工況下的大荷載特點。擠擴支盤樁基礎伸出樁身的承力盤、分支不僅能增大樁的表面積，而且能夠利用各土層的端承力，從而提高樁自身的承載能力。樁身的成力盤、分支受土體的支撐作用，不僅改善了樁自身的剛度，提高了樁自身的抗壓、抗拔能力，而且增加了樁體的穩定性能，提高了樁抵抗水平荷載和地震荷載的能力。

該樁型1992 年以后在國內建筑工程試點應用，2000 年前后陸續在路橋、民用建筑等行業推廣應用，已經具有成熟的機械化使用程度和施工經驗，但在高壓輸電線路行業尚未普及應用。我國特高壓電網中的首次應用是2016 年投運的淮南―南京―上海1 000 kV 特高壓交流輸電線路工程(以下簡稱“淮上線”)。本文在此基礎上，研究輸電線路桿塔基礎設計中應用擠擴支盤樁型的可行性。

常規灌注樁與擠擴支盤樁樁型及成孔方式示意如圖1 所示。

圖1 擠擴支盤樁與常規灌注樁成孔示意圖

1 擠擴支盤樁適用條件

擠擴支盤樁理論上屬于對常規鉆孔灌注樁的一種優化樁型，因此，常規灌注樁適用的軟弱地基條件也適用于擠擴支盤樁，但如果要發揮擠擴支盤樁的技術經濟優勢，必須重點分析樁深范圍內是否具有可以適合設置分支及承力盤的優勢土層，即：可塑、硬塑的粘性土；中密、密實的粉土、砂土或卵石、礫石層；全風化巖石、強風化軟質巖石。

在地下水位以下成孔施工時(水下施工)，承力盤宜設置在力學性能相對較好、壓縮性能低的中密、密實的砂土、粉土、卵石等土層中；由于泥漿的作用，存在相對密實的水頭壓力，更加容易成盤，支盤的承載力可顯著提高。而在承載力較低的土層，例如流塑、軟塑等粘性土以及松散的砂土、粉土中，則不適宜設置承力盤，不易成型，且不能明顯提高樁的承載力，無法發揮擠擴支盤樁的技術優勢。

地下水位以上成孔時(干法施工)，在松散粉土、砂性土中成盤時容易塌孔，因此不宜設置承力盤或分支。

此外，根據樁型特點，擠擴支盤樁基礎不宜在可液化土層、流塑狀粘性土以及中等風化、微風化和未風化的巖石層中設置承力盤。

2 承載力計算方法

2.1 單樁抗壓承載力計算

本文采用中國工程建設標準化協會標準CECS 192：2005《擠擴支盤灌注樁技術規程》[1]推薦的支盤樁抗壓極限承載力標準值估算公式計算單樁抗壓承載力Qu，表示如下：

式中：u為主柱樁干周長，m；Li為當第i層土中設置承力盤時，樁穿越第i層土折減盤高的有效厚度；對于粘性土、粉土，Li=Hi-1.2h，其中Hi為第i層土的厚度，未設置承力盤時h=0；qsi為樁側第i層的極限阻力標準值，可按勘察報告提供的值采用，也可參照當地經驗或國家現行相關標準的規定取值；η為盤底土層極限端阻力標準值的修正系數，根據工程試驗情況，在規范給出的數值范圍基礎上再進行適當折減得到，針對粉質粘性土，建議取值范圍為0.60 ～0.85；Ap為單樁底盤面積，m2；Apj為第j層扣除樁身截面積的盤投影面積，m2；qp為底盤所在土層的極限端阻力標準值，kPa；qpj為第j個盤處土層的極限端阻力標準值，kPa。

2.2 單樁抗拔承載力計算

本文采用CECS 192：2005[1]推薦的公式估算擠擴支盤樁單樁豎向抗拔極限承載力標準值Uu：

式中：λi為樁周第i層土的側阻力折減系數。

根據試驗結果，針對粉質粘性土給出的λi建議值為0.7 ～0.8。

3 試點應用實例

在我國的輸電線路設計領域，首次在淮上線特高壓交流線路桿塔基礎設計中試點應用了擠擴支盤樁基礎，積累了一定設計經驗。該線路導線采用8×LJG-630/45 鋼芯鋁絞線，設計基準風速29 m/s(10 m 高)，設計覆冰厚度10 mm，同塔雙回路架設。

試點應用區段位于江蘇省寶應縣境內。應用區段地貌單元為平原，線路沿線以稻田地為主，跨越部分河流、魚塘。該區域地層巖性差異性較小，樁基礎應用條件具有典型性，主要為第四系沖湖積、沖海積層，地面以下30.0 m深度范圍內地層分布主體為粉質粘土，軟塑；粉質粘土(可塑)與粉土(軟塑)互層。

淮上線的6 基桿塔基礎試點應用了擠擴支盤樁，包含了SZ302、SZ303、SZ304、SZ305 和SZ306 這五種不同使用條件的直線塔型，作用力覆蓋全面。根據鐵塔基礎作用力情況，利用前述單樁抗壓承載力及單樁抗拔承載力公式進行計算，每個塔腿基礎均采用了“4 根群樁+承臺”的設計如圖2 所示，每根樁配置單承力盤或雙承力盤如圖3 所示，承力盤主要構造尺寸如表1 所示。擠擴支盤樁主要技術指標如表2 所示，各基桿塔的擠擴支盤樁都采用C30 混凝土，基礎鋼材主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。

圖2 擠擴支盤樁基礎平面圖

圖3 擠擴支盤樁基礎立面圖

表1 擠擴支盤樁承力盤構造尺寸 mm

表2 擠擴支盤樁主要技術指標

在相同地質條件、相同基礎作用力情況下，普通灌注樁設計需采用的主要技術指標如表3所示。

表3 普通灌注樁主要技術指標

經測算，在前述相同地質條件、相同作用力下，擠擴支盤樁基礎較普通灌注樁基礎混凝土用量減少23%～45%；隨著基礎作用力的增大，混凝土減少的用量有所下降；基礎鋼材用量減少12%～35%；綜合造價節省19%～35%，單個基礎費用比較如圖4 所示。與普通灌注樁基礎相比，試點應用的擠擴支盤樁基礎具有縮小樁徑、減少樁長和節省工程材料量等優勢，從而顯著降低了基礎工程造價。

圖4 試點應用單基礎造價柱形圖

4 在不同電壓等級輸電線路中的適用性

擠擴支盤樁在我國特高壓輸電線路桿塔基礎設計中已得到了成功應用。現對在不同電壓等級輸電線路采用擠擴支盤樁與常規灌注樁(以下簡稱“普通樁”)設計分別進行計算。

選取《國家電網公司輸變電工程通用設計輸電線路分冊》[2-5]桿塔模塊中不同導線、不同回路的典型鐵塔的經濟呼高，分析其在前述相同典型設計氣象條件(設計風速29 m/s，設計覆冰厚度10 mm)及地質條件下的基礎尺寸及混凝土用量，對比表如表4 和表5 所示。其中的地質條件為：主體為粉質粘土，粉質粘土(可塑)與粉土(軟塑)互層。

表4 直線塔混凝土用量(單腿)對比表

表5 轉角塔混凝土用量(單腿)對比表

為了分析擠擴支盤樁相對普通灌注樁混凝土用量降幅比例在不同塔型的變化情況，分別繪制直線塔和轉角塔混凝土用量降幅折線圖，如圖5 和圖6 所示。可以看出：直線塔能夠平均降低混凝土用量24%，2×300 mm2導線220 kV 雙回路及4×400 mm2導線雙回路的混凝土用量降幅最高可達34%、32%；轉角塔能夠平均降低混凝土用量28%，其中，2×400 mm2導線220 kV單回路及4×400 mm2導線500 kV 單回路的混凝土用量降幅高達46%和36%。隨著電壓等級的提高，基礎作用力不斷增大，混凝土用量降幅呈非線性的波狀分布，直線塔的降幅折線總體變化趨勢較平緩，轉角塔的降幅折線總體呈下降趨勢。

圖5 直線塔擠擴支盤樁相對普通樁混凝土用量降幅

圖6 轉角塔擠擴支盤樁相對普通樁混凝土用量降幅

5 結論

本文對《國家電網公司輸變電工程通用設計輸電線路分冊》中選取的220 kV 以上各電壓等級下典型單雙回路高壓輸電線路桿塔模塊在相同典型設計氣象條件(設計基準風速29 m/s，設計覆冰厚度10 mm)及地質條件下的基礎尺寸分別進行計算。經過對比分析可以看出：

1)與常規灌注樁基礎相比，擠擴支盤樁能夠有效降低混凝土用量12%～46%(不考慮1 000 kV 雙回路轉角塔)；

2)在1 000 kV 淮上線雙回路直線塔試點應用中的實際混凝土用量節省范圍為23%～45%；

3)隨著電壓等級及基礎作用力的升高，混凝土降幅呈波狀分布，直線塔降幅總體趨勢平緩，轉角塔降幅總體趨勢向下；

4)1 000 kV、750 kV、±800 kV 輸電線路塔型基礎作用力較大，單樁基礎不能滿足設計需要，需采用群樁設計，但1 000 kV 雙回路轉角塔基礎作用力過大，一般受到擠擴支盤機樁徑不超過1.2 m，盤徑不超過1.9 m 的制約，已不能體現出擠擴支盤樁的優勢。

擠擴支盤樁相對普通灌注樁基礎能夠顯著節省工程造價、縮短工期，優勢明顯，在高壓輸電線路設計領域具有推廣應用價值。