換土墊層法在架空配電線路臺階式基礎中的應用

林子元，陳維忠，施純聰，李 勤，高 克

（1.國網浙江玉環縣供電公司，浙江 臺州 317600；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

在桿塔基礎施工中，一些特殊地質條件（如地下夾層為淤泥土質、濕陷性黃土等）地基承載力較差，混凝土臺階式基礎施工存在作業面大、塌方引起的施工難度大等問題。為提高基礎承載能力，減小開挖面積，需要采取適當有效的方法對地基進行處理。目前基礎處理的主要方法有碾壓及夯實、換土墊層、排水固結等方法[1]。對于軟弱土地基，換土墊層法是較為有效和應用廣泛的方法[2]。

除施工因素外，在造價方面，配電網線路桿塔基礎的費用約占整個工程本體造價的25%～35%，在某些特殊條件下的工程，甚至占比更多。在滿足工程設計要求的情況下減小基礎尺寸對節約工程成本具有重要意義。

本文討論了換土墊層法在配電網桿塔現澆臺階式基礎設計中的應用。在理論上分析了采用換土墊層法對減小基礎尺寸和開挖面積的作用；并以玉環縣供電公司某工程中的30°耐張轉角鋼管桿現澆臺階式基礎作為實例進行了分析驗算，分析了采用換土墊層法對節約工程造價的作用。

1 換土墊層法介紹

換土墊層法是一種地基淺層處理方法。當軟弱地基的承載力或變形不能滿足桿塔承受的荷載要求，可將基礎下一定深度內的軟弱土層挖除，然后換填強度較高、壓縮性較低且無侵蝕性的散體材料，并夯實或振壓至要求的密實度。提高地基的承載力，消除地基的濕陷性和脹縮性，減小基礎沉降量。常用于下列土組成的地基情況：淤泥、淤泥質土、濕陷性黃土、膨脹土、素填土以及暗溝、暗塘等。

2 設計要求及換土墊層法對減小基礎尺寸的作用

混凝土臺階式基礎的設計需滿足《架空輸電線路基礎設計技術規程DL/T5219-2014》的要求。下面根據混凝土臺階式基礎上拔穩定、基礎下壓、傾覆穩定的設計要求，分析換土墊層法對減小基礎尺寸的作用。

2.1 上拔穩定

依據《架空輸電線路基礎設計技術規程DL/T5219-2014》，對于一般單獨的混凝土臺階式基礎，上拔穩定需要滿足下式要求

式中：γθ1為基礎底板上平面坡角影響系數，當基礎底板上平面坡角θ1≥45°時取γθ1=1.0，當坡角θ1＜45°時取γθ1=0.8 ；γf為基礎附加分項系數；γE為水平力影響系數（見表1）；γS為基礎底面以上土的加權平均重度（kN/m3）；Vt為ht深度內土和基礎的體積（m3）；V0為ht深度內基礎的體積（m3）；TE為基礎上拔力設計值（kN）；ht為基礎上拔埋置深度（m）；hc為基礎上拔臨界深度（m）；Gf為基礎自重力（kN）；B為基礎底面寬度（m）；α為上拔角。土重法計算上拔穩定參數如圖1所示。

圖1 土重法計算上拔穩定Fig.1 Pull-up stable by soil weight method

表1 水平力影響系數γETab.1 Impact factor of horizontal force

式(1)中桿塔基礎上拔力設計值與基礎附加分項系數的乘積γfTE是定值，水平力影響系數γE也是定值。因此，土質的重度γS和上拔角α對同樣深度ht內有效的土重力起著決定性作用。不同土質的重度和上拔角如表2所示。

通過換土墊層法，將軟土層置換為更高重度的土質并壓實，上拔角會隨之增大，當基礎底面寬度B不變時，Vt會顯著增大。這樣，在保證滿足式(1)的條件下，可以在一定范圍內縮減基礎底面寬度B，基礎體積V0隨之縮減，就可以在一定程度上減小基礎尺寸，從而減小開挖面積。在一些特殊區域，開挖范圍受限又無法采用其他基礎類型的情況下，有著非常重要的作用。

表2 土的重度和上拔角Tab.2 Soil weight and pull-up angle

2.2 基礎下壓

對于耐張桿塔，混凝土臺階式基礎底面的壓力應滿足以下要求：

式中：γγf為地基承載力調整系數；Pmax為基礎底面邊緣最大壓力設計值（kPa）；F為上部結構傳至基礎底面的豎向壓力設計值（kN）；G為基礎自重和基礎上的土重（kN）；A為基礎底面面積（m2）；γG為永久荷載分項系數，對基礎有利時，取γG=1.0，對基礎不利時，取γG=1.2；Mx、My為作用于基礎底面的x和y方向的力矩設計值（kN·m）；fa為修正后的地基承載力特征值（kPa）。

式（2）中上部結構傳至基礎底面的豎向壓力設計值F為定值。通過換土墊層，提高地基承載力特征值 fa，就可以在一定程度上縮小基礎底面面積A，減小基礎尺寸。

2.3 傾覆穩定

混凝土臺階式基礎傾覆穩定應滿足以下條件：

式中：m為土壓力參數（kN/m3）；β為等代內摩擦角（°）；E為被動土壓力（kN）；S0為上部結構水平作用力（kN）；H0為S0作用點至設計地面處的距離（m）；K0為空間增大系數；a為基礎底板側面寬度（m）；a0為基礎底板側面的計算寬度（m）；b為基礎主柱側面寬度（m）；b0為基礎主柱側面的計算寬度（m）。

當基礎埋深一定時，式（3）中上部結構水平作用力與作用點至設計地面處的距離和基礎附加分項系數的乘積γfS0H0為定值，若基礎尺寸a和b不變，那么對混凝土臺階式基礎傾覆穩定起決定性作用的就是回填土的特性。土壓力參數m與被動土壓力E成正比，等代內摩擦角β對抗傾覆起著較大的作用。換填為土壓力參數m和等代內摩擦角β更大的土質，有利于抗傾覆，當抗傾覆要求滿足式，就可以適當縮小基礎的尺寸。

3 換土墊層的設計與分析

3.1 提高承載力的換土材料

土的承載力特征值隨著土質的內摩擦角增大而增大[3]。各種換土材料的承載力如表3所示。

換土材料一般采用砂石墊層，包括中粗砂墊層和碎石墊層。有足夠的厚度以置換可能受到剪切破壞的軟弱土層，要有足夠的寬度以防止墊層向兩側擠出從而增加沉降量，并做到經濟合理。

3.2 換土墊層厚度確定

依據《建筑地基處理技術規范JGJ 79-2012》，換土墊層厚度應該根據需置換軟土的深度或下臥土層的承載力確定，需要符合下式要求

表3 各種換土墊層的承載力Tab.3 Bearing capacity of replacement underlayer

式中：pz為相應于作用的標準組合時，墊層底面處的附加壓力值（kPa）；pcz為墊層底面處土的自重壓力值（kPa）；faz為墊層底面處經深度修正后的地基承載力特征值（kPa）。

混凝土臺階式基礎按照矩形基礎計算，墊層底面處的附加壓力值為

當基礎底面為正方形時，公式（8）可以簡化為

式中：b為矩形基礎底面的寬度（m）；l為矩形基礎底面的長度（m）；B為正方形基礎底面的寬度（m）；pk為相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值（kPa）；pc為墊層底面處土的自重壓力值（kPa）；Z為基礎底面下墊層的厚度（m）；θ為換土墊層（材料）的壓力擴散角（°），宜通過試驗確定。無試驗資料時，可參考表4。

換土墊層底面的寬度應滿足基礎底面應力擴散的要求，符合下式要求

式中：Bz為換土墊層底面的寬度（m）；墊層頂面每邊超出基礎底邊緣不應小于300 mm。

表4 土和砂石材料壓力擴散角 單位：（°）Tab.4 Soil and gravel expansion angle of pressur

換土墊層一般采用砂石墊層，包括中粗砂墊層和碎石墊層，壓實系數應滿足承載力要求，見圖2～3。

圖2 換土墊層示意圖Fig.2 Replacement underlayer

圖3 換土墊層壓力擴散角Fig.3 Replacement underlayer expansion angle of pressure

綜上，換土墊層的厚度Z與寬度Bz，與換填土的材料性質有關，換填提高地基承載力特征值faz后，可以適當縮小基礎寬度B。經過計算分析，可以達到基礎尺寸和換填土厚度的最佳、最經濟的數值。

3.3 換土墊層沉降計算

沉降量等于換土墊層自身的變形量與下臥層的變形量之和

式中：s為基礎沉降（mm）；s1為墊層自身的豎向壓縮量（mm）；s2為墊層底面以下各壓縮層壓縮變形之和（mm）；Es為墊層的壓縮模量；a為基地有效壓力擴散系數；p0為基地平均有效應力（kPa）；

墊層的壓縮模量應由荷載試驗確定。當無試驗資料時，砂墊層的壓縮模量可以選用24～30 MPa,其它墊層的壓縮模量可以查閱相關規范。

4 濕陷性黃土的換土墊層分析

4.1 濕陷性黃土的特性

濕陷性黃土指在一定壓力下受水浸濕，土結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉的黃土。濕陷系數δs值按下式計算，

式中：hp為保持天然濕度和結構的試樣，加至一定壓力時，下沉穩定后的高度（mm）；為上述加壓穩定后的試樣，在浸水飽和作用下，附加下沉穩定后的高度（mm）；h0為試樣的原始高度（mm）。

取7個150mL錐形瓶，分別加入0、0.25、0.50、1.00、3.00、5.00和7.00mL硫酸根標準溶液，各加水至50mL，顯色和測定步驟同1.3.3。標準溶液系列中硫酸根的質量濃度分別為0、5.0、10.0、20.0、60.0、100.0、140.0μg/mL。以硫酸根的質量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制校準曲線。

濕陷性黃土的濕陷程度，可根據濕陷系數δs值的大小分為下列三種：

（1）當0.015≤δs≤0.03時，濕陷性輕微；

（2）當0.03≤δs≤0.07時，濕陷性中等；

（3）當δs＞0.07時，濕陷性強烈。

4.2 含水率對濕陷變形的影響

當黃土的天然含水量低于塑限時，水分變化對強度影響最大，含水量由7.8%增加到18.2%時，內摩擦角和內聚力都降低1/4左右。當黃土的天然含水量超過塑限時，抗剪強度降低幅度小。黃土的濕陷變形特點是變形量大，常常超過正常壓縮變形的幾倍甚至幾十倍，發生快，受水浸濕約1～3 h就開始濕陷。這種量、速率快而又不均勻的變形往往使建筑物發生嚴重變形甚至破壞。濕陷的出現完全取決于受水浸濕的概率。黃土的濕陷變形量會隨著浸水量的增加而增大。國內許多研究資料都發現，含水量對黃土的濕陷變形有著顯著影響。黃土在遭受水體入滲前，土的穩定性較高，可以承受較大的上部荷載。在水體入滲后，結構迅速破壞，導致地基不均勻沉降，在土體浸水飽和后，力學性能和水理特性發生了巨大變化。

當黃土發生濕陷變形時，在土體上部施加附加壓力后，不僅會引起豎向的濕陷變形，還會產生橫向的水平位移。使黃土在濕陷過程中發生明顯的橫向擠出效應，濕陷量也隨之變大[4]。

4.3 濕陷性黃土的換土墊層處理

根據規范，甲類建筑濕陷性黃土的地基處理采用樁基礎穿透全部濕陷性黃土層（表5），一般桿塔的混凝土臺階式基礎、板柱基礎，若遇上較厚的黃土層，成本巨大，不宜采用。體積和范圍較小的基礎，采用換土墊層法處理，是成本較低且行之有效的處理方法。換填成透水性差，承載力受含水量影響小的土質材料，保障桿塔基礎穩定性。

表5 濕陷性黃土地基常用的處理方法Tab.5 Common methods to deal with collapsible loess foundation

5 計算實例

5.1 換土換填前基礎數據

下面以玉環縣供電公司某工程中的30°耐張轉角鋼管桿現澆臺階式基礎作為實例。經計算，鋼管桿基礎計算荷載為：Fx=76.68 kN，Fy=0 kN，Fz=-53 kN，Mx=600 kN·m，My=0 kN·m。土壤參數如表6所示。

表6 土壤參數Table.6 Soil parameters

圖4 換土換填前計算結果Fig.4 Calculations of initial datas

5.2 采用換土墊層法處理后的計算參數

采用換土墊層法進行處理，換為砂土夾石墊層，回填砂夾粉質黏土，取換填土層厚度z=0.7 m，并適當縮小基礎尺寸，參數如圖5所示。

圖5 計算條件Fig.5 Calculations

5.3 驗算

根據《建筑地基處理技術規JGJ 79-2012》和《架空輸電線路基礎設計技術規程DL/T5219-2014》，采用換土墊層法處理后，應滿足以下條件

對于耐張桿塔，混凝土臺階式基礎換填后應滿足以下條件

根據前述基礎參數和計算條件，在換填土層厚度z=0.7 m的條件下進行計算，可得換填土處理后墊層底面以上土的加權平均重度

墊層底面處經深度修正后的地基承載力特征值

基礎底面面積

墊層底面處土的自重壓力值

地基承載力調整系數

永久荷載分項系數

1）根據規范，基礎下壓應滿足式(13)的不等式關系，代入數據進行驗算：

可知基礎下壓滿足式(13)的設計要求。

2）基礎底面邊緣最小壓力設計值

滿足設計要求。

3）根據規范，傾覆穩定應滿足式(3)和式(4)的不等式關系，代入數據進行驗算：

滿足式（3）的設計要求；滿足式（4）的設計要求。

通過以上驗算可知，采用換土墊層法，在換土墊層厚度z=0.7 m的條件下，換土后各項指標符合《建筑地基處理技術規JGJ 79-2012》和《架空輸電線路基礎設計技術規程DL/T5219-2014》要求。

5.4 經濟效益分析

根據規范要求，z/B<0.25時，其他材料均取θ=0°，需滿足Bz≥B+2Ztanθ。按要求，墊層頂面每邊超出基礎底邊緣不應小于300 mm。根據以上條件，換土墊層底面的寬度Bz=5.5 m。

按Bz=5.5 m的條件，對采用換土換填法后的造價變化進行分析，計算結果如表7所示。

表7 采用換土換填法后造價的變化Tab.7 Cost changes caused by replacement method

根據表7可知，采用換土換填法后，按照市場價計算，換土墊層增加造價1 400元。由于基礎尺寸縮小，混凝土和鋼筋減少造價分別為4 000元和1 100元，總計造價材料費節約3 700元。可以看出，采用換土墊層法后，能夠有效降低工程造價。

6 結語

通過分析和計算可以發現，淤泥土質等地基承載力較差區域，通過換土墊層和換填法處理，可以有效提高地基承載力和抗傾覆能力，一定程度上減小配電網桿塔混凝土臺階式基礎的尺寸。一方面，可以在一定程度上節約基礎總造價；另一方面，可以滿足基礎尺寸受限制等特殊區域下基礎的實施，如與附近建筑物、地下管線等安全距離不足等情況，采用換土換填的方式，可以減小開挖尺寸，減小施工難度。對于濕陷性黃土區域的桿塔基礎，采用換土墊層和換填法處理，是行之有效且相對經濟的方案。

本文的計算和分析是參照相關規范和規程，換土墊層和換填法是完全可以在架空配電線路臺階式基礎中運用和實施。在此需要指出的是，考慮到換土墊層自身的變形量與下臥層的變形量，實際開挖深度需綜合考慮沉降量和變形量，充分發揮經濟效益。

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