輸電線路新型復合式基礎試驗研究

丁士君，魯先龍，鄭衛鋒

（中國電力科學研究院，北京100192）

由于經濟和社會和諧發展的迫切要求，輸電線路工程建設中環境保護問題越來越受到重視[1]，我國相關法規和技術規程都對電力工程建設中的環保提出了明確要求[2-3]。從輸電線路基礎工程的角度來說，需因地制宜、合理選擇基礎型式對減少環境破壞、節約材料至關重要[4]。

對于地表由薄粘土層覆蓋，其下部為風化巖層，或者原狀粘土層-全風化-強風化-中風化巖層連續分布的場地，若輸電線路桿塔基礎還采用傳統的基礎型式，如大開挖基礎、原狀土掏挖基礎或巖石嵌固式基礎，均不符合經濟環保的要求。如采用大開挖基礎，易造成環境破壞面積廣，基礎工程耗材量大，且運輸等成本高；如采用原狀土掏挖基礎，一般原狀土層厚度不夠，無法滿足桿塔荷載要求；如采用巖石嵌固式基礎[2-5]，需將表層粘土換填，造成表層原狀土浪費，且開挖量增大，不利于環境保護。因此，對于表層由薄原狀土粘層覆蓋的風化巖體地基，選擇新型環保型復合式基礎型式，在上部原狀粘土層中進行掏挖，在下部巖體中進行巖石嵌固式基礎，不僅能有效滿足桿塔荷載的要求，且安全、經濟、環保，符合輸電線路“兩型三新”建設的目標。

1 試驗概況

1.1 場地條件

試驗場地的巖土層分布如下：

1）黏性土、殘積土構成的原狀土層，厚度為1.8耀2.5 m，通過現場直剪試驗[6-7]，得到其基本物理力學性質指標如表1所示，上部黏性土灰黑色，土質較均勻，弱凍脹；下部殘積土灰黃色，含風化成的細砂。

表1 原狀土層基本物理力學性質

2）原狀土層下部至7.0 m范圍內為強耀中風化硬質砂巖，灰黃色，夾泥巖，該巖層抗剪強度取為30 kPa[2]。

1.2 試驗基礎設計與施工

掏挖與嵌固復合式試驗基礎樣式如圖1所示，設計尺寸見表2。

圖1 掏挖與嵌固復合式基礎和掏挖基礎

表2 試驗基礎設計尺寸與數量

掏挖與嵌固復合式試驗基礎坑主要采用人工掏挖，并輔助小型機械的施工方式，先完成掏挖構件坑，再掏挖嵌固構件坑，成孔過程順利，坑壁穩定。

1.3 試驗加載和承載力確定方法

載荷試驗采用慢速荷載維持法，具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見相關規范[2,8]。

2 試驗結果

2.1 荷載位移曲線

圖2為復合式基礎荷載-位移關系曲線，其中，TW1、TQ3進行上拔荷載與水平荷載聯合加載，其余基礎單純進行上拔加載。

2.2 基礎極限承載力確定

根據圖2的試驗荷載與位移關系，及地基的裂縫開裂、基頂位移、最大穩定加載情況，得到基礎極限承載力，如表3所示。

圖2 載荷試驗荷載與位移關系曲線圖

表3 試驗基礎極限承載力及取值依據

2.3 基礎承載破壞形態

試驗基礎破壞時，主要表現如下。

1）原狀土掏挖基礎：破壞狀態表現形式主要以基頂位移過大為主，在上拔原水平作用工況下水平位移過大，伴隨地表裂縫出現。

2）復合式基礎：試驗未加載至地基與基礎破壞狀態，但水平位移達到極限位移狀態。

3 復合式基礎承載力計算方法

3.1 抗拔承載力計算

復合式基礎極限抗拔承載力理論計算如下：

式中，Tu、Tu1和Tu2分別為復合式基礎、全掏挖和嵌固構件的極限抗拔承載力，kN；kD和kQ分別為掏挖和嵌固構件的抗拔發揮程度系數；Qf為基礎自重，kN。

全掏挖構件抗拔承載力Tu1按“剪切法”[2，9]計算，嵌固構件Tu3由錐角為琢越90毅的倒錐體側壁破裂面剪切應力豎向分量計算[2]，即：

式中，γs為巖土體等代抗剪強度，kPa；D0為嵌固基礎構件基底直徑，m；h和h0分別為嵌固和掏挖構件抗拔承載力計算深度，m。

由于巖石嵌固基礎抗拔承載力計算不考慮巖體重量對抗剪強度的影響，即巖體剪切破裂面上抗剪強度為定值，掏挖與嵌固復合式基礎也同樣處理，另外，掏挖與嵌固構件破裂面不重疊（如圖3所示），因此，h=h0+h1，其中，h1為嵌固構件長度（如圖1所示），巖土體等代抗剪強度γs由土層與巖層的抗剪強度按厚度加權平均取值。

圖3 復合式基礎上拔破裂面

3.2 抗傾覆穩定分析計算

以掏挖構件和嵌固構件的交界處正截面為分析對象，則掏挖垣嵌固復合式基礎傾覆失穩的極限狀態彎矩平衡方程如下：

式中，Mh為掏挖基底作用彎矩，kN·m；Mt為掏挖基底土壓力引起的抵抗彎矩，kN·m；MQ為嵌固構件抵抗彎矩，kN·m。

1）Mh的計算。Mh是外荷載對掏挖構件基底彎矩作用減去基礎側壁水平抗力對掏挖構件基底彎矩作用，復合基礎中掏挖構件按剛性考慮，側壁土壓力計算采用“m法”[2,10]，基底彎矩Mh按下式計算：

式中，d為掏挖構件立柱計算直徑，m，當立柱實際直徑d0臆1 m時，取d=0.9（1.5d0+0.5）；當d0躍1 m時，取d=0.9（d0+1）[2]；H為基頂水平荷載，kN；h0為掏挖構件埋深，m；△h為水平荷載距地表高度，m；棕為基礎傾覆極限狀態時立柱旋轉角，rad；zA為基礎立柱豎向傾覆轉動中心，m；m為水平抗力地基系數，kN/m4。

TW1和TQ3基礎在上拔與水平荷載復合作用下，傾覆穩定極限狀態主要以水平極限位移為控制條件，TW1基礎側壁與地基土間壓力測試結果（見圖4）表明，轉動中心應位于擴大端埋深范圍內，這里取為zA=h0-0.2，代入式（4）變換如下：

式中，剛性基礎傾覆轉角為棕=s0/（h0-0.2）；s0為地表處基礎水平位移，m。

圖4 試驗基礎側壁土壓力計算值與實測值對比圖

2）Mt的計算。根據相關研究成果[2]，同一土層豎向抗壓地基系數是水平抗力地基系數的10倍，且按彈性地基考慮，則基底土抗力抵抗彎矩為：

式中，D為掏挖構件擴底直徑，m；W為擴底截面抵抗矩，m3。

3）MQ的計算。由于巖石嵌固基礎不計算巖體的抗傾覆作用，認為其抗傾覆能力滿足一般上部桿塔結構荷載要求，復合式基礎嵌固構件同樣如此，則其抗傾覆能力由基礎混凝土立柱正截面抗彎能力控制。因此，根據文獻2，考慮彎矩較小和截面處于彈性狀態，MQ由嵌固構件頂部截面抗彎承載能力計算如下：

式中，As為正截面全部縱向鋼筋面積，m2；rs為截面中心與縱向鋼筋截面中心距離，m；△滓y為鋼筋最大拉應力與中性軸鋼筋拉應力差值，MPa，即有△滓y=△著·Es，△著為對應應變差，Es為鋼筋彈性模量[11]。

當掏挖構件按剛性考慮，則嵌固構件頂面的轉角為棕（計算示意見圖5），構件彎曲半徑籽=h1/棕，根據材料力學相關知識[12]，得到△著=rg·棕/h1，即有：

圖5 嵌固構件彎曲示意圖

式中參數意義同前。

對于全掏挖基礎，傾覆平衡方程Mh=Mt，得：

對于復合式基礎，由式（3）和式（4）聯立變換得到：

4 理論計算與試驗對比分析

4.1 抗拔極限承載力對比

掏挖和嵌固構件承載力發揮程度系數均取1.0。參照巖土體物理力學指標和基礎尺寸參數，復合式基礎極限承載力計算參數見表4。其中，不考慮土重對嵌固構件破裂面原狀土層段抗剪強度的影響，其豎向分量為sin45毅·c=19.0 kPa，因此，嵌固構件計算深度內巖土體等代抗剪強度為24.0 kPa。

從抗拔承載力的實測值與計算值對比表明：

1）兩者較接近，考慮單向上拔荷載作用下試驗基礎未加載至破壞狀態，因此，關于掏挖垣嵌固復合式基礎抗拔承載力計算方法可行。

2）考慮加載中復合式基礎的表現情況，嵌固構件計算錨固深度可取為基底埋深，掏挖構件和嵌固構件發揮程度系數均可取為1.0。

表4 基礎抗拔極限承載力計算表

4.2 傾覆穩定實例分析

根據TW1全掏挖基礎和TQ3復合式基礎的載荷試驗結果，按式（9）和式（10）計算地基土彈性抗力系數值，如表5所示，其中，TQ3基礎主筋采用HRB 335，As為123.2 cm2，rg為0.433 m。

表5 “m”值計算表

根據計算結果，可得到地基巖土對基礎側壁水平土壓力沿深度的分布如下。

TW1基礎：pz=10.4伊1 000伊0.004 0伊（2.1z-z2）

TQ3基礎：pz=9.2伊1 000伊0.004 2伊（2.1z-z2）

試驗基礎側壁水平土壓力計算值與實測值對比見圖4。

由表5得該試驗場地原狀土地基土彈性抗力系數平均值為9.8 MN/m4，按水平極限位移取10 mm控制，其他參數取值同前，已知“m”值時由式（9）和式（10）變換計算TW1和TQ3基礎水平承載力值如表6所示。

傾覆穩定實例分析表明：

1）試驗場地地表原狀土層的彈性抗力系數值為9.8 MN/m4。

2）當掏挖基礎埋深較淺時，基礎傾覆轉動中心豎向位置可通過實測確定，一般位于其擴大端埋深范圍內。

3）復合式基礎采用“m法”分析傾覆穩定性是可行和可靠的，水平承載力理論計算值與實測值接近，滿足工程設計計算需要。

表6 基礎水平承載力理論計算表

5 結論

1）復合式基礎可充分發揮原狀土基礎和巖石基礎的承載能力，在上拔承載力計算分析時，可取掏挖基礎與巖石嵌固式基礎的承載力之和。

2）復合式基礎的傾覆穩定分析采用“m法”是合理可靠的，能體現地基原狀土與基礎間相互作用規律。

綜合上述，針對地表由薄粘土層覆蓋，其下為風化巖層的場地，采用掏挖與嵌固復合式基礎是較為安全可靠、經濟合理的新型環保型基礎，符合建設“兩型三新”輸電線路建設要求，可在輸電線路工程桿塔基礎設計中推廣應用。

[1]魯先龍,程永鋒.我國輸電線路基礎工程現狀與展望[J].電力建設，2005,26（11）:25-28.

[2]DL/T 5219-2005架空送電線路基礎設計技術規定[S].北京:中國電力出版社,2006.

[3]國家電網公司.國家電網公司環境保護管理辦法（試行）[S].北京：國家電網公司,2004.

[4]丁士君,魯先龍,滕軍林.原狀土掏挖式基礎自立穩定性分析[J].電力建設，2009,30（5）:39-41.

[5]鄭衛鋒,魯先龍,程永鋒,等.輸電線路巖石嵌固式基礎抗拔試驗研究 [J].巖石力學與工程學報,2009,28（1）:152-157.

[6]GB 50021原2001巖土工程勘察規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[7]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑工業出版社,2006.

[8]GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[9]魯先龍,程永鋒,張宇.輸電線路原狀土基礎抗拔極限承載力計算[J].電力建設,北京:2006,27（10）：28-32.

[10]丁士君,王虎長,胡建明,等.帶翼板掏挖基礎轉動中心位置的分析[J].電網與水力發電進展,2007，23（3）：40-44.

[11]GB 50010-2002混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[12]孫訓方,方孝淑,關來泰.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2000.