輸電線路及電氣化鐵路新型傘形樁基礎應用研究

吳曉鋒，張 楷，趙貞欣，李志強

0 引言

隨著經濟社會的持續快速發展，電網建設成本大幅度提高，其中輸電線路桿塔基礎整體造價占項目本體投資約20%～25%[1]。近年，國網公司推進堅強智能電網建設，以進一步提升工程建設技術水平及效益效率，實現輸變電工程“兩型三新一化”（資源節約型、環境友好型，新技術、新材料、新工藝，工業化）建設技術要求[2]。軟土地基中，以往的鉆孔灌注樁基礎施工勞動強度大、經濟性較差，如何提高基礎施工中的資源利用率，減少勞動 力投入，降低現場安全風險，是當前基礎設計必須考慮的問題。文獻[3]提出樹根樁基礎，其在軟土地基中受力能力雖然稍有所提高，但造價成本沒有減少。文獻[4]提出的大直徑人工挖孔擴底灌注樁基礎因充分利用了原狀土良好的力學特性而具有較高的承載力，從受力分析來看，其橫向承載力和豎向承載力有所提高，但其使用大直徑樁，經濟性較差。國內外關于輸電線路以及電氣化鐵路電力線路新型基礎的研究也相對較少。

本文提出新型傘形樁基礎，該基礎布置形式為中間1根主樁（直徑＞300 mm），四周布置4根微型鋼管樁（從樁），通過預埋在主樁的地腳螺栓和基礎相連，節省了原微型管樁需要的承臺和主樁材料。新型裝配式傘形樁基礎具有如下優點：（1）4根微型管樁穩定性強，具有自平衡功能；（2）中間布置1根主樁承受支柱傳遞的直接荷載，通過伸長臂將荷載分配到微型管樁，即力的傳遞性好；（3）通過四周布置的從樁發揮其受拉側從樁抗拔、受壓側從樁抗壓等特點，進而實現主樁、從樁各自發揮自身作用；（4）通過節省承臺和主柱的用量，從而降低工程造價。

1 Abaqus有限元數值模擬分析

輸電線路及電氣化鐵路電力線路桿塔基礎與一般的建筑基礎不同，建筑基礎主要考慮受壓方向而產生的破壞，但對于桿塔基礎，由于受到高壓導線的不平衡張力的作用，水平方向受力作用是主要考慮的因素，防止水平方向受力產生的傾覆作用是必須考慮的重要因素之一。為分析新型傘形樁基礎受力情況，本次采用荷載為國家電網典型設計采用的2B7-J3-24（即2B7模塊，3型轉角塔，呼高24 m鐵塔）荷載，其中水平x方向受力Tx= 145 kN，水平y方向受力Ty= 132 kN，上拔力T= 868 kN。

1.1 水平力作用下有限元數值模擬

通過分析在水平力作用下新型傘形樁的水平方向位移情況（圖1）可以看出，主樁和從樁表現為明顯的彈性特征，其中頂部位移最大，最大頂部位移僅為2.067 mm，說明傘形樁基礎水平方向位移很小，抗傾覆能力較好，即傘形樁基礎的抗水平力較強。

圖1 傘形樁水平位移情況（單位：m）

圖2所示為主樁和4根從樁沿長度方向水平位移。由圖2可知，傘形樁的主樁和4根從樁水平位移均隨樁長沿深度方向逐漸減小，其中4根從樁的水平位移均為正向位移，而主樁在5.5 m處水平位移為0，繼續向下水平位移為負值。主樁和從樁的橫向水平位移接近，說明從樁對維持整體穩定性貢獻極大，從樁有效維持了傘形樁的穩定性。

圖2 主樁和4根從樁沿長度方向水平位移

1.2 水平力作用下傘形樁和普通鉆孔灌注樁對比分析

為分析比較傘形樁和普通鉆孔灌注樁在水平力作用下的位移情況，需將兩種樁基礎均進行有限元數值模擬分析。對普通鉆孔灌注樁的模型尺寸和模型參數進行合理選取，見表1，其中鉆孔灌注樁與傘形樁主樁材料參數相同，地質條件也相同，故土體參數不再重復敘述。

表1 普通鉆孔灌注樁的模型尺寸和模型參數

傘形樁和鉆孔灌注樁在水平力作用下橫向位移見圖3。

圖3 橫向位移（單位：m）

由圖3可知，傘形樁最大正向橫向位移為2.077 mm，鉆孔灌注樁為5.307 mm。傘形樁反向橫向擠壓位移為0.205 4 mm，鉆孔灌注樁為1.306 mm。且傘形樁最大正向位移在施加荷載的從樁，最大反向位移在施加荷載的對面從樁，兩者橫向區域均較小。對于鉆孔灌注樁，橫向位移最大處在樁端且面積較大。由以上數據分析可知，傘形樁在水平力作用下抗側移性能較好。

圖4所示為傘形樁和鉆孔灌注樁沿深度方向水平位移。由圖4可知，樁基相同深度，鉆孔灌注樁橫向位移均大于傘形樁，且傘形樁主樁在5.5 m處橫向位移為0，之后橫向位移為負值，而鉆孔灌注樁橫向位移沿樁深度均是正值。由此可以得出，雖然新型傘形樁主樁長度（8 m）小于鉆孔灌注樁深度（9 m），但傘形樁主樁橫向位移經歷了正負交替的過程，由此說明，由于從樁的作用，使得傘形樁的抗側移性能大大提高。

圖4 沿深度方向水平位移

1.3 上拔力作用下傘形樁和鉆孔灌注樁豎向位移分析比較

傘形樁和鉆孔灌注樁在上拔力作用下豎向位移如圖5所示。可以看出，上拔力作用下傘形樁最大上拔位移為13.48 mm，鉆孔灌注樁最大上拔位移為257.5 mm。故在上拔力作用下，傘形樁基礎抗上拔傾覆遠好于鉆孔灌注樁。

圖5 豎向位移（單位：m）

圖6所示為兩種樁基礎沿深度方向豎向位移。由圖6可知，在上拔力作用下，傘形樁主樁、從樁和鉆孔灌注樁均沿樁深度方向越深，樁的上拔位移越小，并且傘形樁的豎向位移明顯小于鉆孔灌注樁的豎向位移，傘形樁抵抗上拔位移效果明顯。但是傘形樁從樁在樁深3.2 m左右時，樁的上拔位移略微增大，說明此時從樁樁側發揮的作用增大而樁端發揮的作用減小。

圖6 沿深度方向豎向位移

2 傘形樁基礎試驗分析和數值模擬對比

2.1 試驗概況

試驗線路選取河北省滄州市東光縣境內河北雙樓—交河π入東光北變220 kV線路，本次試驗地質條件和數值與模擬試驗相同，傘形樁采用后注漿。通過試驗對傘形樁在2B7-J3-24塔型中的水平力和上拔力分別作用下的位移進行數據分析，結果對比如圖7、圖8所示。

2.2 試驗和數值模擬結果對比分析

由圖7可知，在水平力作用下，試驗結果和數值模擬結果相似，但試驗結果橫向位移略微偏小，這是因為采用后注漿的傘形樁注漿的摩擦力偏小，導致數值模擬橫向位移偏大，但總體與試驗吻合，驗證了數值模擬階段結論的可靠性。

圖7 水平力作用下橫向位移沿樁深度變化曲線

由圖8可知，在上拔力作用下，試驗上拔豎向位移和數值模擬結果相似，但試驗豎向位移小于數值模擬豎向位移，這是由于試驗時采用樁端注漿，而數值模擬中未考慮樁端注漿效應。但數值模擬和試驗結果的趨勢和大小總體吻合。

圖8 上拔力作用下豎向位移沿樁深度變化曲線

3 結論

提出新型傘形樁基礎，建立傘形樁基礎和鉆孔灌注樁基礎數值模擬簡化模型，并進行有限元數值模擬，得出傘形樁基礎具有更好的穩定性和經濟性。通過試驗對傘形樁基礎進行了分析，并對數值模擬和試驗結果進行比較，得出數值模擬的合理性。總結以下結論：

（1）不同于引用以往的建筑基礎作為輸電線路鐵塔及電氣化鐵路支柱基礎，新型傘形樁基礎符合輸電線路基礎的受力特性，即抗水平力和抗上拔力較好。

（2）新型傘形樁基礎可以有效提高抗傾覆能力，其抗傾覆能力較鉆孔灌注樁基礎提高了60.86%，傘形樁基礎的從樁有效提高了傘形樁基礎的橫向穩定性。

（3）新型傘形樁基礎上拔豎向位移較鉆孔灌注樁提高了近10倍（小范圍位移波動較大可能性也是存在的，具體仍需試驗驗證），由此可以看出，傘形樁基礎的抗拔能力遠遠大于鉆孔灌注樁基礎的抗拔能力，并且傘形樁基礎上拔貢獻率遠大于橫向位移貢獻率，新型傘形樁基礎極大地提高了基礎的抗沉降能力。

（4）依托實際工程進行了試驗與數值模擬對比，驗證了數值模擬結果的可靠性，對于后期推出新型傘形樁基礎提供理論依據。

（5）本次模型新型傘形樁基礎材料用量為9.309 4 m3，而鉆孔灌注樁基礎的材料用量為10.173 6 m3，傘形樁基礎材料節省8.495%，充分說明傘形樁具有良好的經濟性。