輸電線路有覆蓋土層嵌巖樁水平位移計算

楊卓帥

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

隨著我國電網工程建設的快速發展，輸電線路途經的山地地形占比越來越多，輸電線路基礎承受的桿塔荷載也越來越大，當山區中遇到各類風化巖石地基時常采用挖孔基礎。因山區巖石層上部覆蓋土層厚度的差異，造成挖孔基礎豎向承載力和樁土側向力產生的影響較大。對于基巖直接出露和基巖上覆一定厚度土層2 種賦存形態的山區巖石地基，將巖石挖孔基礎分為巖石嵌固基礎和嵌巖樁2 類。

輸電線路嵌巖樁是指無覆蓋土層或者有覆蓋土層且樁端嵌入一定深度基巖的挖孔基礎，宜采用等直徑直柱型式且埋深一般較大。嵌巖樁基的開挖主要利用機械（人工）在天然原狀巖土體中鉆（挖）出基礎設計形狀的基坑，在基坑內設置筋骨架、預埋地腳螺栓或其他類型的連接件，以天然巖土體代模在基坑內直接澆筑混凝土，形成鋼筋混凝土基礎體。基坑沒有支模、地基巖土體回填等作業工序，可有效避免施工過程的大開挖，因而具有工程施工進度快、基礎材料省、工程造價低等優點，具有較好經濟和環境保護效益，屬于環保型基礎型式之一。

本文綜合建筑、港口、公路、鐵路等行業嵌巖樁工程設計方法和寶貴經驗，結合山區輸電線路基礎特點，對比各方式的計算結果，分析現行輸電線路有覆蓋土層的嵌巖樁基礎水平位移公式的適用范圍，研究成果可為我國山區輸電線路嵌巖樁基礎設計提供借鑒。

1 嵌巖樁水平位移的計算理論

輸電線路基礎在承受較大豎向力荷載外，往往還需承受一定的水平荷載。樁基的水平承載力不僅與樁本身材料強度和截面有關，且很大程度取決于樁側土的水平抗力。現行的《輸電線路巖石地基挖孔基礎工程技術規范》（DL/T 5845—2021）（以下簡稱電力巖規）的嵌巖樁基礎在水平荷載作用下基頂水平位移的解析計算方式依據地基覆土情況劃分為無覆蓋層嵌巖樁和有覆蓋層嵌巖樁2 種情況。

1.1 有覆蓋土層嵌巖樁水平位移計算

參照國外學者Carter 和Kulhawy 研究成果，將有覆蓋層嵌巖樁在土巖界面處分解成覆蓋土層中懸臂段樁身和基巖中嵌巖段，相應的水平承載力計算模型參照圖1。嵌巖樁基頂水平位移按土巖界面分段計算后疊加，如式（1）。

圖1 嵌巖樁水平承載力計算模型

式中：樁身變位uao為覆蓋土層引起的樁基設計地面處水平位移值；u 和θ 分別為基巖中嵌巖段在土巖界面處的水平位移和轉角。

1.2 電力巖規中嵌巖樁的uao、u 和θ 取值

考慮覆蓋層土作用的嵌巖單樁水平位移計算，將上部覆蓋土層懸臂段樁身假定樁側向土處于極限平衡狀態，地基反力按直線分布，樁側壓力由土的粘結作用和摩擦作用兩部分組成，參照圖2 所示計算模型分析。懸臂段樁身水平位移uao按式（2），土巖界面處樁身內力則截取懸臂段樁身單獨分析。將樁基嵌巖端作為固接約束條件考慮，則土巖界面處樁身水平力及彎矩標準值的計算公式分別為式（3）和式（4）。

圖2 覆蓋土層樁側土壓力分布與計算模型

式中：Hk為嵌巖單樁土巖界面處樁身截面水平力標準值；Mk為嵌巖單樁土巖界面處樁身截面彎矩標準值；（EI）p為嵌巖段樁身計算抗彎剛度；Hok為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂水平力值；Mok為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂截面彎矩值；cu為覆蓋土層樁側土體不排水剪切試驗的黏聚強度；γs為覆蓋土層土體容重；Kp為覆蓋土層樁側土體側向土壓力系數，Kp=（1+sinφ）/（1-sinφ）；hs為樁覆蓋土層厚度。

下部嵌巖段水平承載性能計算模型參照圖3。樁體在土巖界面處的水平位移和轉角，引用電力巖規5.3.1、5.3.2 條文說明表13，依據嵌巖單樁的深徑比hr/d 對樁身水平承載性能狀態按式（5）進行劃分，存在柔性、剛性、中間狀態3 種情形。對柔性和剛性承載性能狀態的土巖界面處u、θ 值分別按照式（6）和式（7）進行計算，介于兩者之間的中間狀態取2 種結果中較大值的1.25 倍。

表1 基礎荷載設計值 單位：kN

圖3 巖層段單樁水平承載性能計算模型

式中：G*為樁周巖體等效剪切模量；Ee為樁身等效彈性模量；hr為樁嵌入基巖深度。

1.3 建筑、港口、公路、鐵路等行業規范中嵌巖樁uao、u 和θ 取值

上部覆蓋土層懸臂段水平荷載作用下基樁的受力，在建筑、港口、公路、鐵路等行業規范中，通常根據樁-土相對剛度將樁劃分為剛性樁和彈性樁。當樁身無量綱入土深度時，樁身剛度較大，可不考慮水平荷載下樁身的撓度變形，劃為剛性樁；當時，樁的相對剛度較小，樁身撓曲變形較大，劃為彈性樁，其水平承載力取決于樁材抗彎剛度和樁側土強度。對應的基頂位移uao分別采用剛性樁和彈性樁計算原理進行對比分析。

根據樁身無量綱入土深度αh 劃分：

（1）αh≤2.5 的剛性樁，采用極限地基反力法。對支承在巖石上的剛性樁位移及作用效應進行分析。將地基土為彈性變形介質體，假定不考慮樁土與土體的粘聚力和摩阻力，以及樁-土剛度視為無限大2 種狀態，推導覆蓋土層段的受力情況如圖4。覆蓋土層水平位移uao如式（8），u、θ 值則采用式（9）和式（10）計算土巖界面處樁身水平力及彎矩值，代入上述式（5）～（7）得出。

圖4 支承在巖石上的剛性樁的計算圖示

式中：m 為地基抗力系數的比例系數；ω 為覆蓋土層懸臂段基礎轉角；D0為規范中表內系數。

（2）αh＞2.5 的彈性樁，采用彈性地基反力法。假定地基為服從虎克定律的彈性體，地基反力與樁上任一點的位移成正比，引用我國目前應用最多的m 法計算。將土體假定為彈性體，用梁的彎曲理論求解樁的水平抗力。含覆蓋土層水平位移uao按式（11），土巖界面樁身內力采用式（12）和式（13），并代入上述式（5）～（7）得出u、θ 值。

式中：A4、B4、C4、D4為規范中表內系數。

下部嵌巖段土巖界面處的基樁變位，在基巖中的嵌巖樁長符合最小嵌巖深度內，巖層段內的樁身變位極小，直接引用電力巖規中無覆蓋土層的嵌巖單樁水平位移計算模型進行對比分析。公式中涉及的樁身土巖界面水平力、彎矩等內力值則依據剛性樁、彈性樁的計算理論獲得。

2 嵌巖樁水平位移算例分析

某特高壓工程實際荷載條件，基礎荷載設計值如表1。

假設塔位地形為平地條件，地層分布及巖土體設計參數如表2～4 所示。

表2 覆蓋土層地質參數－黏性土

表3 巖層地質參數－凝灰巖

表4 樁身及過程參數

根據表1～4 所列的設計參數，并取覆蓋土層0.5～12 m，按0.5 m 極差遞增。在滿足承載力及最小嵌巖深度的要求內，采用上述3 種水平位移的設計原則，計算出嵌巖樁基頂水平位移與樁身無量綱入土深度αh 間的對比關系圖，如圖5（a）所示。

圖5 水平位移對比圖

從圖5 可以看出，在工程實例中，樁身無量綱入土深度αh＜2.0 范圍內，采用支承在巖石上的剛性樁理論計算出的嵌巖樁基頂水平位移與電力巖規的計算結果比較接近。當αh＞2.0 之后，電力巖規的嵌巖樁基頂水平位移與剛性樁和彈性樁的水平位移數值出現了過度偏差，同樣土巖界面處的樁身內力也出現較大差異，且αh 值越大，偏差值越大。為進一步分析樁基水平位移設計方式的適用性，各選取110、220、500 kV 通用設計中某塔型，依據表2～4 的地質參數進行分析，各桿塔的基礎荷載設計值見表5。

表5 基礎荷載設計值 單位：kN

圖5（b）～（d）分析得出桿塔荷載的變化對電力巖規中嵌巖樁的水平位移設計原則適用性無較大影響。電力巖規中假定嵌巖樁側土體處于極限平衡狀態，不考慮樁身與地基的變形特性的方式。采用直線型地基反力分布方法所推求的樁身受力情況以及水平位移計算公式具有一定的局限性。若按樁的無量綱入土深度αh 來劃分，較適用于αh＜2.0 的剛性短樁。當αh＞2.0 時，與建筑、港口、公路、鐵路等行業規范中剛性樁、彈性樁的設計原則對比，含覆土土層的基頂水平位移計算結果出現差異較大，且土巖界面處樁身內力也存在此類情況。當土巖界面的樁身彎矩起主要控制作用時，進而會影響樁身截面受彎、受剪承載力及配筋等設計。

3 結語

本文主要論述針對我國山區輸電線路應用巖石地基挖孔基礎中嵌巖樁的水平位移計算方法。結合建筑、港口、公路、鐵路等行業的經驗和規范，對電力巖規中含覆蓋土層嵌巖樁的水平位移計算結果進行了對比分析。利用各計算理論適用范圍的不同，可更好地服務于輸電線路嵌巖樁基礎在水平位移計算中的性能要求。

基于本文提出的對比結果表明，電力巖規中含覆蓋土層的嵌巖樁基頂水平位移設計原理及計算公式較適用于αh＜2.0范圍內的剛性短樁。但當αh＞2.0 時，建議根據實際情況采用建筑、港口、公路、鐵路等行業規范中剛性樁或彈性樁的水平位移及作用效應作為補充計算，提高基礎設計的合理性。