新疆戈壁地區輸電線路鐵塔掏挖基礎的設計與應用

王運華，丁士君，劉智超，童瑞銘，董天元

(1.新疆電力設計院，烏魯木齊市 830001;2.中國電力科學研究院輸變電工程研究所，北京市 100192)

0 引言

隨著西部大開發及“西電東送”發展戰略的實施，新疆地區輸電線路建設的規模持續擴大，桿塔基礎的作用力也隨輸電線路電壓等級的提高而增大［1］。開挖回填式基礎作為戈壁地區基礎的主要設計形式，是在開挖形成的基坑內現澆或裝配基礎結構，利用回填巖土體形成的地基，主要依靠基礎與土體的自重力來抵抗上拔力。隨著桿塔基礎建設經濟性要求的提高，形成了利用回填土的抗拔作用、埋深的經濟性、混凝土擴展基礎替代混凝土剛性基礎等優化設計思路［2］，但該形基礎不能充分利用戈壁地區原狀碎石土良好的抗剪性能，材料消耗量偏大。因此，需要設計更科學、更適用的基礎形式來滿足工程建設的要求。

文獻［3］在理論及工程實踐方面對掏挖基礎的設計及施工工藝進行了探討，提出了理論計算上的修正及可行的施工工藝，總結了掏挖基礎在戈壁地區的推廣使用經驗。文獻［4］通過對新疆和甘肅地區戈壁碎石土地基現場分層直剪試驗，提出了抗剪特性和強度參數的取值，為我國戈壁地區掏挖基礎的工程應用及其設計優化提供了參考。文獻［5-6］表明，戈壁碎石土地基掏挖基礎具有良好的抗拔承載性能，施工安全性高、經濟環保，能夠滿足常規輸電線路桿塔基礎荷載要求，適用于戈壁碎石土地基。文獻［7］針對新疆戈壁地區進行了輸電線路桿塔掏挖基礎的選型與研究，針對典型地質條件，通過現場直剪、輸電桿塔載荷等試驗，提出了碎石土地基掏挖基礎的承載力計算方法和計算參數。

本文將分析掏挖基礎在新疆戈壁地區的適用性，根據相關試驗結果，對掏挖基礎在220 kV小草湖變—托克遜工業園區變送電線路工程中的設計應用進行分析討論，為掏挖基礎在戈壁地區中的推廣應用提供參考。

1 碎石土掏挖基礎的適用性分析

1.1 碎石土地基的優點

現場直剪試驗表明，天然戈壁碎石土具有良好的膠結力，土體自立性較強。但是，盡管新疆戈壁碎石土具有良好的抗剪力學性能，經過開挖破壞后戈壁碎石土的凝聚力指標仍接近0。因此，雖然碎石土地基具有適用掏挖基礎的力學性能，但采用開挖回填式基礎未充分發揮其承載優勢。

1.2 戈壁地區常用的基礎形式

根據以往的設計經驗，新疆戈壁地區的輸電線路工程鐵塔基礎一般采用大開挖柔性板式鋼筋混凝土基礎或大開挖臺階式剛性混凝土基礎［3］。

(1)臺階式剛性混凝土基礎:適用于各類地質、塔型，其特點是施工工藝簡單，易于保證質量。基礎底板剛性抗壓、不配鋼筋，主要利用混凝土的質量抵抗上拔荷載的作用。由于該型基礎混凝土用量較大，目前應用較少。

(2)柔性板式鋼筋混凝土基礎:該基礎是目前新疆戈壁地區應用最為廣泛的型式，相對剛性基礎，其底板大且較薄、混凝土量較少，但由于底板雙向配筋，鋼筋量增加較多。

以上2種基礎均屬于開挖回填式基礎，依靠基礎質量及底板上拔一定角度內的土體質量抵抗上拔力，無法利用原狀碎石土地基良好的抗剪性能。

1.3 掏挖基礎的優點

掏挖式基礎是將基礎的鋼筋骨架和混凝土直接澆入人工掏挖成型的土胎內，以天然土構成的抗撥土體與基礎自重相互作用而保持基礎的上撥穩定［8］，該型基礎充分利用了天然原狀土的強度，不僅具有良好的抗撥性能，而且具有較大的水平承載力。此外，其基礎結構簡單，既能節省混凝土和鋼筋的用量，又能減少基礎的土石方開挖工程量，“以土代模”，節省了模板，免除了回填土的工序，施工方便。

掏挖基礎可以減少對原狀土結構、地表植被的破壞，有利于減少水土流失和環境保護。新疆戈壁碎石土場地的基礎坑壁自立穩定，淺部一般無地下水，具有掏挖基礎的適用條件。

2 掏挖基礎的載荷試驗結果

2.1 試驗概況

試驗選擇3處具有代表性的碎石土地基試驗場地，分別為:烏魯木齊市達坂城區(地場1)、烏魯木齊市達坂城區二十里店(場地2)、烏魯木齊市野生動物園(場地3)。場地基本概況見表1。

表1 試驗場地條件Tab.1 Conditions of test site

試驗中所用掏挖基礎的基本結構如圖1所示。

圖1 基礎結構Fig.1 Foundation's structure

圖1中，d為掏挖基礎的立柱直徑;D為掏挖基礎的擴底直徑;θ為基底展開角;H為基礎埋深;h0為基礎主柱露頭高度;h1為基礎立柱高度;h2為底板圓臺高度;h3為底板圓柱高度。

根據戈壁地區輸電線路掏挖基礎的特性與試驗研究目標，應用正交試驗方法，對不同規格基礎的抗拔承載特性進行了系統研究，各參數取值見表2。

表2 試驗基礎關鍵參數配置Tab.2 Key parameter of test foundation

對不同規格的基礎分別進行了上拔試驗、不同露頭基礎的水平試驗和上拔與水平共同作用試驗。

2.2 試驗基礎的承載力

2.2.1 上拔極限承載力

根據現場輸電桿塔載荷試驗的測試結果，繪制的不同基礎埋深和擴底直徑條件下的上拔極限承載力分布如圖2所示。

(1)場地1:當掏挖基礎擴底直徑不小于1.4 m、埋深不小于3.5 m時抗拔承載力大于1 000 kN;當擴底直徑不小于1.6 m、埋深不小于4.5 m時抗拔承載力大于1 600 kN。

(2)場地2:當掏挖基礎擴底直徑不小于1.4 m、埋深不小于4.0 m時抗拔承載力大于2 250 kN;當擴底直徑不小于1.8 m、埋深不小于5.0 m時抗拔承載力大于3 875 kN。

(3)場地3:當掏挖基礎擴底直徑不小于1.4 m、埋深不小于3.0 m時抗拔承載力大于1 175 kN;當擴底直徑不小于1.6 m、埋深不小于4.0 m時抗拔承載力大于2 000 kN。

2.2.2 水平極限承載力

根據水平荷載與位移關系曲線，得到不同場地、立柱直徑和埋深條件下水平極限承載力與基礎露頭關系，如圖3所示。圖3中Ⅰ和Ⅱ為場地編號，1.0和0.8為基礎立柱直徑(單位為m)，2.34和4.76為基礎埋深(單位為m)。

由圖3可知:

(1)相同基礎尺寸條件下，場地Ⅱ比場地Ⅰ的試驗基礎水平承載力大，這表明戈壁碎石土地基物理力學性質對基礎水平承載能力的影響較大;

(2)試驗基礎埋深越大則水平承載力越大，試驗基礎立柱及擴底直徑對水平承載力的影響較小;

(3)總體趨勢分析，水平承載力隨基礎露頭高度的增大而減小，露頭高度是其主要影響因素之一。

2.2.3 試驗結果適用性分析

典型桿塔對基礎的作用力如表3所示。

表3 典型桿塔對基礎的作用力Tab.3 Forces on foundations of typical towers

由表3可以發現，此次試驗條件下的戈壁碎石土地基掏挖基礎能夠滿足新疆地區750 kV及其以下電壓等級［9］輸電線路桿塔基礎的設計要求，具有良好的承載性能。

2.3 承載性能分析

(1)抗拔穩定性。根據對戈壁灘碎石土地基進行的大量現場靜荷載試驗結果及有關設計規范的內容［7-8，10］，戈壁灘碎石土掏挖基礎抗拔穩定性需滿足式(1)。

式中:γf為分項系數;γE為水平力影響系數;TE為掏挖基礎抗拔承載力極限值;A1、A2為無因次計算常數，可按文獻［10］中提出的方法得到;c為碎石土粘聚力;γ為碎石土摩擦角;H為基礎埋深;Qf為基礎自重;Qs為上拔失穩時圓弧剪切曲面范圍內的土質量。

(2)抗傾覆穩定性。依據文獻［8］及戈壁灘碎石土地基掏挖基礎的特點［3，11］，鐵塔單腿掏挖基礎傾覆穩定及水平作用力需滿足式(2)。

式中:TH為基礎頂部水平向作用力;m為碎石土地基水平抗力系數;d為掏挖基礎立柱直徑;H為基礎埋深;D為掏挖基礎擴底直徑;yu為地表處水平極限位移，一般為10 mm;W為基底抵抗矩;h0為基礎露頭高度。

(3)抗壓穩定性及其他。在分析抗壓穩定性時應考慮碎石土地基的水平抗力作用，同時基底地基與基礎相互作用按彈性進行分析。

(4)基礎結構的強度計算。在基礎結構計算中推薦采用數值模擬方法對基礎的混凝土結構強度進行驗算。

3 實際工程應用

3.1 工程概況

新疆戈壁碎石土地基掏挖基礎是2010年國家電網公司批準立項的基建新技術研究項目之一，220 kV小草湖變—托克遜工業園變送電線工程是該項目的依托應用工程，線路全長約為47.5 km，其中同塔雙回架設線路段長約為47 km，途經托克遜地區，場地土層主要為新疆碎石土，工程已于2010年底竣工，戈壁碎石土地基掏挖基礎作為主要桿塔基礎形式已成功應用。

3.2 沿線巖土層及基礎設計作用力

工程沿線的主要地形地貌如圖4所示，上部地層為戈壁碎石土。

圖4 工程沿線戈壁地貌Fig.4 Gobi landforms along the transmission line project

沿線可劃分為5個工程地質段，如表4所示。

表4 各地質段地基巖土構成Tab.4 Rock and soil composition of ground in different geological sections

第Ⅰ、Ⅱ工程地質段地下水位較深，碎石土地基的物理力學性質與試驗場地接近，具備掏挖基礎應用的場地條件。

該工程的電壓等級為 220 kV，設計風速為38 m/s，主要塔型為適用于大風區的SZ238型直線塔、SJS1(0°～20°)型轉角塔、SJS2(20°～35°)型轉角塔、SDJ1(0°～40°)型終端塔等雙回路鼓型鐵塔，基礎作用力見表5。

表5不僅表明該工程具有碎石土地基掏挖基礎的應用條件，而且為工程桿塔基礎設計提供了技術依據。

表5 基礎作用力Tab.5 Forces on foundations

3.3 碎石土地基掏挖基礎的應用情況

根據施工計劃，本階段工程鐵塔共采用掏挖基礎79基，其中直線塔67基，耐張轉角塔11基，終端塔1基。掏挖深度為:直線塔不超過3.6 m;耐張、終端塔不超過5 m。

掏挖成形的基礎坑如圖5所示，工程施工中無垮塌、掏挖不成形等現象，施工安全、質量可控。

圖5 人工掏挖成型的基坑Fig.5 Artificial digged foundation pit

4 經濟效益分析

4.1 不同基礎型式的材料用量

工程中應用較多鐵塔為SZ238型直線塔和SJS1型耐張塔，其塔基基礎型式主要為斜柱開挖式和掏挖式，基礎材料如表6所示。

表6 基礎材料Tab.6 Foundation materials

由表6可知:運用試驗數據設計出的掏挖基礎與傳統斜柱大開挖基礎相比，鋼筋用量占斜柱開挖基礎鋼筋用量的23%左右;混凝土用量占88%左右。

4.2 抗拔承載力

選取依托工程中具有代表性的SZ238-27型直線塔和SJS1-24型耐張塔進行比較，相應的鐵塔基礎作用力如表7所示。

表7 鐵塔基礎荷載Tab.7 Loads of tower foundations

當場地為圓礫碎石土時，地質參數的取值為:φ =43°;λ =12 kPa;fak=400 kPa。進行了抗拔、抗傾覆和抗壓穩定分析及基礎結構強度和配筋計算后，確定實際工程應用基礎的尺寸見表8，按式(1)計算得到其可能承受的上部結構荷載作用力見表9。

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由表8、9可以看出，基礎滿足工程鐵塔上部結構荷載的承載要求。

根據文獻［8］利用Tfod 2006軟件對表8所示的基礎進行設計驗算，得到A基礎條件下A1和A2分別為0和3.7，而B基礎對應的A1和A2分別為0和3.3，該驗算結果與相關理論計算結果明顯不符，此外，在驗算過程中基礎A和B的混凝土均強度不足導致其無法滿足設計要求。利用Tfod 2006軟件對SZ238-27型直線塔和SJS1-24型耐張塔的基礎進行優化設計時，得到基礎尺寸見表10。

表10 優化設計結果Tab.10 Results of optimized design

表10所示的優化計算結果與工程基礎實際應用情況相比，前者基礎材料量增加，且計算結果不合理，不僅無因次系數計算取值與“剪切法”的理論計算結果不符，而且基礎擴大端的圓臺高寬比較小，在碎石土地區存在安全隱患。

依托工程的經濟效益分析顯示，戈壁灘碎石土地基掏挖基礎的成功應用共節約基礎費用118.5萬元。雖然新疆戈壁地區近2年惡劣天氣頻次增多、災害程度增高，但該輸電線路已正常運行1年多，情況良好、掏挖基礎穩定。

由此可見，戈壁碎石土地基掏挖基礎既節約了基礎的工程造價、減少了開挖量，又具有良好的承載性能，可充分發揮碎石土地基的力學特性。

5 結論

(1)新疆戈壁碎石土地基具有良好的抗剪力學性能，適用于輸電線路掏挖基礎。

(2)載荷試驗表明，新疆戈壁碎石土地基掏挖基礎具有良好的承載性能，能滿足新疆地區750 kV及以下電壓等級輸電線路桿塔基礎的設計要求。

(3)碎石土地基掏挖基礎需進行上拔、下壓工況下的抗拔、抗傾覆和抗壓穩定性分析，基礎結構的強度計算中可以采用數值模擬。

(4)碎石土屬于特殊土地基，當前輸電線路掏挖基礎設計的技術標準存在一定不足，本文提出的相關基礎設計技術可以為工程應用提供依據。

(5)掏挖基礎在依托工程中的成功應用表明，基礎安全、質量可控、經濟和社會效益良好，符合輸電線路工程建設的要求和發展趨勢。

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