750 kV輸電線路戈壁碎石土地基直柱掏挖基礎試驗

李永祥，張 西，周吉安

（1.甘肅省電力設計院，蘭州市，730050；2.甘肅省電力公司，蘭州市，730050）

0 引言

桿塔基礎作為輸變電工程的重要組成部分，對造價、工期具有重要的影響，是電網長期安全運行的重要保障，也是輸電線路工程建設中環境保護的重要方面[1-3]。近年來，我國西北地區的輸電線路建設步伐加快，覆蓋陜、甘、青、寧、新5省（區）的750 kV骨干網架正得到規劃與建設，戈壁碎石土地基是該地區的典型地質條件。因此，戈壁碎石土地基輸電線路桿塔基礎的選型和設計是該地區750 kV骨干網架建設的重要研究課題。

1 戈壁碎石土地基直柱掏挖基礎應用

戈壁碎石土地基的膠結性強，與普通碎石土相比，原狀戈壁碎石土地基具有較強的膠結性能，抗剪強度高，而當其大開挖擾動后原有的膠結性能將會完全喪失。過去，在該類地基條件下的輸電線路建設中，桿塔基礎多采用開挖回填式的鋼筋混凝土板式基礎，其缺陷主要包括2方面：（1）不能充分利用戈壁地區原狀碎石土良好的膠結性能和抗剪強度；（2）其開挖與回填施工土石方量大，且回填土體質量難以控制，地表環境嚴重破壞，基礎存在安全隱患。

為充分利用原狀碎石土的膠結性能和抗剪強度，掏挖原狀土基礎將是該工程的首選。掏挖基礎是指以混凝土和鋼筋骨架灌注于機械或人工掏挖成型的土胎內的基礎，既充分利用了原狀土的承載能力，又避免了施工過程的大開挖，具有較好的經濟和環保效益[4-7]。

當前，輸電線路工程中常用的掏挖擴底基礎和直柱基礎結構如圖1所示。我國已經對戈壁灘碎石土地基開展了如圖1（a）所示的常規掏挖擴底基礎現場試驗研究工作，提出了掏挖基礎在該地質條件下的適用性及其承載力計算方法[4-7]。但是，工程應用中發現，圖1（a）所示的常規掏挖擴底基礎的掏挖擴底部分既是施工危險部位，又明顯增加了基礎混凝土用量。為此，提出了在戈壁碎石土原狀土地基應用如圖1（b）所示的直柱式掏挖基礎型式，并通過現場施工和試驗研究其承載性能，分析其在河西戈壁地區750 kV輸電線路工程中應用的可行性，提出相應的設計計算方法和參數，從而為其在戈壁碎石土地基輸電線路中的工程應用提供依據。

2 試驗場地條件

根據河西地區750 kV輸電線路工程沿線戈壁灘碎石土地基的分布情況，選擇具有典型代表性的3個試驗場地[8]。

Ⅰ號試驗場地位于甘肅省張掖市的高臺縣境內，已建成投運的330 kV張嘉Ⅰ回線路173號塔位附近。該試驗點地貌單元屬山前沖洪積扇，地層結構為單層結構，主要為碎石。

Ⅱ號試驗場地位于甘肅省張掖市的山丹縣境內，已建成投運的330 kV金山Ⅰ回線路193號塔位附近。該試驗點地貌單元屬山前沖洪積平原，地層結構為2層結構，上覆黃土狀粉土，下覆卵石。

Ⅲ號試驗場地位于甘肅省金昌市的金川區境內，正在建設的750 kV金昌變電站附近的戈壁荒灘。該試驗點地貌單元屬山前沖洪積平原，地層結構為單層結構，主要為卵石。

3個場地碎石與卵石均為青灰色，稍密—中密，粒徑一般為2～20 cm；顆粒級配一般，充填中粗砂、角礫占20%～35%，混零星塊石和少量粘性土，主要成分為砂巖、花崗巖和變質巖顆粒，厚度大于10 m，水平層理明顯。

3 試驗方案

3.1 基礎設計與施工

3個試驗場地共進行了12個直柱式掏挖基礎的試驗，基礎編號與尺寸如表1所示，其中基礎編號中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表試驗場地編號。

表1 試驗基礎尺寸Tab.1 Size of testing foundation

現場掏挖施工過程表明，直柱掏挖基礎的成孔過程順利，坑壁穩定，施工安全性高。

3.2 試驗方法

根據試驗場地特征與加載要求，設計上拔加載系統采用錨樁法，如圖2所示，且試驗反力支座位于基礎上拔影響土體范圍以外。

試驗加載采用慢速維持荷載法[9]，試驗前以基礎預計極限抗拔承載力的1/10為增量進行荷載分級。試驗中等量加載，第1次施加的荷載值為分級荷載的2倍，試驗過程中實現荷載的自動恒載與補載。試驗過程中，通過儀器測取上拔荷載、上拔位移、基礎主筋應變等數據。

4 試驗結果與分析

4.1 荷載-位移特性

不同試驗基礎荷載-位移曲線如圖3所示?，F場試驗表明，當基礎埋深較淺時，試驗基礎的荷載-位移曲線為突變型，而當基礎埋深較大時，試驗基礎的荷載-位移曲線為緩變型。

4.2 極限荷載

根據試驗測試數據和相關規范要求[9-11]，得到各基礎極限荷載如表2所示。

表2 極限荷載與位移Tab.2 Ultimate load and displacement

由表2可見，試驗基礎抗拔承載力高，滿足750 kV輸電線路鐵塔基礎上拔要求。

4.3 破壞模式與計算方法

在基礎鋼筋混凝土結構強度足夠的情況下，直柱掏挖基礎破壞的可能模式通常有2種：基礎從碎石土中抽出的抽出型破壞和基礎帶動周圍碎石土呈倒錐形拔起破壞，如圖4所示。根據現場試驗現象與測試結果，戈壁灘直柱式掏挖基礎的破壞模式均為倒錐形拔起破壞。

目前掏挖式直柱基礎的設計計算參照樁基的設計規范[10]進行，以基礎極限側阻力乘以基礎側面積得到。盡管本次戈壁碎石土地基中直柱掏挖基礎試驗的破壞模式為基礎帶動周圍碎石土呈倒錐形拔起，未發生基礎側阻力不足的抽出破壞，但是為考慮工程的安全性和設計的適用性，根據基礎的極限抗拔承載力，反算得到基礎的平均等效極限側阻力，作為設計取值依據。平均等效極限側阻力按（1）式計算：

式中：q為平均等效極限側阻力，kPa；TE為極限抗拔承載力，kN；G為基礎自重，kN；U為基礎周長，m；h為基礎深度，m。根據式（1）求得各基礎平均等效極限側阻力，如表3所示。

表3 試驗基礎平均側阻力Tab.3 Average shaft resistance of testing foundations

由表3可見，埋深較淺的基礎，側阻力發揮不足，基礎埋深達到3 m以上，側阻力則得到較充分發揮；因此，為充分發揮碎石土地基的側阻力，建議直柱掏挖基礎埋深大于3 m。

將不同試驗場地等尺寸平行試驗基礎的平均等效極限側阻力進行比較可以看出，戈壁灘典型碎石土的側阻力相近。不同基礎尺寸所對應等效極限側阻力可作為工程設計參考。

根據Ⅲ號場地Ⅲ-3、Ⅲ-4與Ⅲ-5基礎的比較可以看出，小直徑基礎更有利于側阻力的充分發揮，最大平均等效極限側阻力可達到365 kPa。

5 結論

根據河西地區750 kV輸電線路建設現狀，對戈壁碎石土地基中直柱掏挖基礎進行現場靜載荷試驗研究。研究結果表明，戈壁灘碎石土中的直柱式掏挖基礎具有優越的抗拔承載性能，滿足750 kV輸電線路鐵塔基礎上拔要求。根據試驗結果反算得到的平均等效極限側阻力顯示，不同試驗場地戈壁灘典型碎石土的側阻力相近，不同基礎尺寸所對應等效極限側阻力可作為工程設計參考。埋深大于3 m的基礎側阻力發揮較為充分，建議戈壁灘碎石土地基直柱式掏挖基礎埋深大于3 m。小直徑基礎更有利于側阻力的充分發揮，最大平均等效極限側阻力可達到365 kPa。

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