輸電線路軟土地基基礎方案研究

王麗歡,任亞寧,柴林杰,郭計元

(國網河北省電力公司經濟技術研究院,石家莊 050021)

輸電線路軟土地基基礎方案研究

王麗歡,任亞寧,柴林杰,郭計元

(國網河北省電力公司經濟技術研究院,石家莊 050021)

針對軟土地基具有高含水量、高壓縮性、結構性顯著等特點,結合桿塔基礎所承受的荷載特性復雜的受力特點、工程造價及環境保護等要求,在常規桿塔基礎型式上加以優化,提出了螺旋錨復合基礎、新型CFG復合基礎2種輸電桿塔基礎型式,通過計算分析,這2種基礎型式具有較好的經濟效益。

輸電線路;軟土地基;桿塔基礎;經濟分析

1 概述

近年來,我國特高壓輸電事業迅猛發展,架空線路越來越長,其費用越來越大,并且在輸電線路的工程建設中,不可避免地要通過淤泥質土等軟弱地質區。針對這種情況,以往多采用柔性大板基礎、鉆孔灌注樁基礎、基礎深埋或重力式基礎等。雖能保證輸電線路的運行安全,但開挖回填式基礎具有材料用量較多,基坑開挖量大且開挖困難、土體擾動較大、投資較大、工期較長、植被破壞導致水土流失嚴重等缺點;而灌注樁適于有洪水沖刷的粘性土和砂土地基,其缺點是施工占地面積較大、施工工藝要求較高、且需要大型機具、進場費用昂貴,從而導致工程造價較高[1]。

科研設計人員根據桿塔基礎的受力特點,并將“資源節約型、環境友好型”的設計理念貫穿于桿塔基礎設計過程中。同時,在河北省南部電網印發的電網工程綠色建設導則下,提出適于軟土地基中的少開挖甚至是零開挖的螺旋錨復合基礎、新型CFG樁 板復合基礎兩種基礎型式。因此,這2種基礎型式具有較好的經濟效益。

2 螺旋錨復合基礎

螺旋錨基礎是一種利用深層土體抗力的錨固結構,由一片或多片螺旋板等間距焊接在長螺桿或鋼桿上,如圖1所示。

圖1 螺旋錨基礎結構

在施工現場,通過機械方式在螺桿頂部施加一定扭矩使之旋入土層中,使螺旋錨基礎具有良好的雙向抗壓和抗拉性能[2]。常用的有玻璃鋼螺旋錨復合基礎和金屬螺旋錨復合基礎。

2.1 螺旋錨復合基礎及其特點

螺旋錨復合基礎(如圖2所示)是一種新型基礎形式,它是在螺旋錨基礎上進行改進所得,是由剛性基礎承臺與復合材料螺旋錨組成的輸電線路桿塔的基礎。通過承臺和螺旋錨共同承擔豎向荷載和水平作用,同時提高基礎的抵抗豎向、水平變形能力。該種新型基礎通過兩種基礎的復合作用,荷載小時可以采用承臺柱基礎和雙錨型式,甚至只采用螺旋錨基礎,荷載較大時可以采用承臺柱基礎和群錨的型式。

圖2 螺旋錨復合基礎示意

在軟土地基中,玻璃鋼螺旋錨復合基礎以其輕質高強、占地少、對原狀土破壞小的特點更加適用,并且其承載力較高、基礎工程量較小、施工簡單、操作方便、質量可靠易于控制,從而降低基礎綜合成本。同時,玻璃鋼螺旋錨群作為整體抵抗上拔、下壓、水平力,沉降小于普通基礎;不易產生電腐蝕和化學腐蝕,后期維護費用低,且不易老化,能用于永久工程。加拿大等國已將玻璃螺旋錨用于超高壓輸電線路桿塔的基礎和拉線地錨[3]。

2.2 玻璃鋼螺旋錨復合基礎的經濟效益分析

以某工程中2種直線塔和2種耐張塔為例進行經濟比較。造價比較列于表1。

表1直柔板式基礎和玻璃鋼螺旋錨基礎材料量和造價比較

由表1可以看出,對于前兩種直線塔的情況,由于基礎主柱的直徑和埋深均偏小,混凝土減少約48.35%,鋼筋用量減少約18.56%,總造價減少約21.19%,經濟效益比較明顯。當后兩種轉角塔的基礎作用力較大時,玻璃鋼螺旋錨基礎的經濟性也能得到很好的體現,混凝土減少約35.09%,鋼筋用量減少約12.02%,總造價減少約7.18%,同樣具有具有較好的經濟效益。

由此可見,隨著基礎作用力的增大,玻璃鋼螺旋錨的效益增長速度變的緩慢,所以,在該條線路工程中,基礎作用力較小的直線塔,使用玻璃鋼螺旋錨更能體現出其優勢。

3 新型CFG樁-板復合基礎

3.1 新型CFG樁-板復合基礎

傳統的CFG樁是指在碎石樁體中摻加適量的石屑、砂、粉煤灰和水泥攪合從而制成的一種粘結強度較高的樁體,稱之為水泥粉煤灰碎石樁,簡稱CFG樁[4]。

新型CFG樁是在傳統CFG樁基礎上進行適量配筋,由原來的低強度剛性樁[5],向柔性樁轉變,通過與柔性大板共同來滿足鐵塔基礎的上拔要求。通過柔性大板基礎和新型CFG樁共同承擔豎向荷載和水平作用,同時提高基礎的抵抗豎向、水平變形能力[6]。該種基礎即可以減小大板尺寸,又可以縮短樁長,適用于軟土地基,且持力層或基巖埋深較大的地質情況,可減少基坑開挖量,同時CFG樁樁徑較小,采用小型機械即可施工,對進場道路要求較低。如圖3所示。

圖3 新型CFG復合基礎

由于CFG樁樁徑較小,Ⅰ型直線塔采用3根樁與板相連,Ⅰ型轉角塔采用4根樁與板相連,其材料量與造價見表2。

表2新型CFG復合基礎和常規基礎材料量和造價比較

表2新型CFG復合基礎和常規基礎材料量和造價比較

基礎型式 混凝土/m3鋼筋/tⅠ型直線塔 Ⅰ型轉角塔 Ⅰ型直線塔 Ⅰ型轉角塔灌注樁基礎 52.91 76.38 8.37 9.57直柔大板基礎 21.88 49.87 2.68 2.43新型CFG樁板復合基礎 48.56 66.15 5.75 7.89

同時,采用這種組合方式,其極限承載力大于單樁基礎和大板基礎極限承載力之和,提高率約20%,同時可以減少混凝土量78%,鋼筋量減少15.4%。在考慮基礎承載30%、45%、60%荷載后,與樁基礎相比基礎工程造價分別降低約25. 23%、31.25%、38.68%。綜合比較,采用新型CFG復合基礎較合理。

3.3 主要材料與復合基礎承載力確定

3.3.1 基礎材料綠色環保

基于本文所提出的新型CFG樁-板復合基礎,其原材料組成之一為粉煤灰。粉煤灰是我國當前排量較大的工業廢渣之一,年排放量高達1.8億t[7]。發達國家已將其作為一種新的資源來利用,利用率高達70%～80%,而我國利用率僅為30%[7]。

粉煤灰回收利用,可以有效減少揚塵,大氣污染,減輕對人體和生物造成危害;有效減輕電力企業3.1%的粉煤灰處置成本,同時,由于其成本低,進而可以有效降低桿塔基礎造價。

3.3.2 復合基礎承載力確定

式中:Q u為單樁極限承載力,k N;n為樁數,根; QLPF為無樁時大板極限承載力,k N;α為大板效應系數,主要與大板幾何形式、尺寸、施工工藝及天然地基承載力有關。根據有限元和試驗結果,單樁-板復合基礎抗壓時,α=0.8～1.0;群復合基礎抗壓時,α=1.2;單復合基礎抗拔時,α =0.5。

a.改善了大板基礎抵抗水平變形的性能,基礎的水平位移較單樁基礎和大板基礎均小很多;同時提高了基礎的受水平荷載的極限承載力,其極限承載力大于單樁基礎和大板基礎極限承載力之和,提高率約19%。

d.該新型基礎型式利用大板柔性基礎+樁基的組合形式,使這兩種基礎發揮各自的優點,同時彌補對方的不足,揚長避短。即減小了大板基礎的尺寸,又減小了樁基的長度和數量。從而減少混凝土和鋼筋用量,降低工程造價。

4 結束語

a.在軟土地基中采用可自旋進入較深土層的螺旋錨基礎,混凝土減少約41.72%,鋼筋用量減少約15.29%,總造價減少約14.18%;

因此這2種基礎型式均具有較好的經濟效益。

[1] 楊二敏,嚴行健,仇鳳鳴,等.免開挖輸電線路金屬錨基礎應用與研究[J].電網與清潔能源,2010,26(2

[2] 郝冬雪,陳 榕,符勝男.砂土中螺旋錨上拔承載特性模型試驗研究[J].巖土工程學報,2015,37(1):126132.

[3] 施月泉,謝 芳,馮 炳.復合螺旋錨基礎在輸電線路中的應用研究[J].紹興文理學院學報,2013,33(9):4247.

[4] 薛新華,魏永幸,楊興國,等.CFG樁復合地基室內模型試驗研究[J].中國鐵道科學,2012,33(2):712.

[5] 馬明正,海振雄,葉陽升,等.高速鐵路CFG樁復合地基沉降計算適用方法研究[J].中國鐵道科學,2014,35(02)

[6] 倪輝輝,張大長,李布輝,等.輸電桿塔結構新型復合基礎下壓承載力特性模擬分析[J].南京工業大學學報,2015,37 (5)

[7] 雷 瑞,付東升,李國法,等.粉煤灰綜合利用研究進展[J].潔凈煤技術,2013,19(3)

本文責任編輯:靳書海

Study on Soft Soil Foundation Scheme of Transmission Line

Wang Lihuan,Ren Yaning,Chai Linjie,Guo Jiyuan
(State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Aiming at the soft soil foundation physical and mechanical properties are very complex,with high water content, high compression and visible structure.Meanwhile,Based on the complex stress characteristics of tower,engineering cost and environmental protection and other requirements,this paper puts forward two transmission tower foundation,they are respectively helical anchor composite foundation,new CFG pile-composite foundation.After calculation,these two basic types have good economic benefits.

transmission line;soft soil foundation;transmission tower foundation;economic analysis

TU475.9

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王麗歡(1986-),女,工程師,主要從事輸電線路結構設計工作。