城區輸電線路自立桿“砝碼式”鋼管樁基礎研究

朱江峰，馮　炳，謝　芳

（1.國網浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江　紹興　312000；2．紹興文理學院　土木工程學院，浙江　紹興　312000）

0　引言

中國的經濟和科技發展迅猛，城市對電力的需求也在快速增長，各種電壓等級的城區輸電線路建設正如火如荼的展開[1-2]。自立桿是輸電線路桿塔的常見型式，由于其具有占地小、外形美觀等優點，越來越多的應用在寸土寸金的經濟發達地區中[3-6]。輸電線路自立桿基礎相比常規鐵塔有以下特點：

（1）自立桿基礎受力不同于常規鐵塔基礎只承受豎向荷載作用，主要是彎矩作用，如圖1箭頭所示。

（2）自立桿基礎受力相比常規鐵塔要大的多，是相同使用條件鐵塔基礎作用力的2倍以上。

基礎工程是輸電線路工程建設的重要組成部分，它的造價、工期和勞動力消耗量在整個線路工程中占很大比重[7-11]。同時，輸電線路基礎工程關系整條線路的運行安全，一旦某個塔位基礎出現安全事故，整條線路運行將面臨癱瘓。因此，選擇合理的基礎型式并進行優化研究，對降低輸電線路工程投資、保障線路安全運行至關重要。

圖1　輸電線路自立桿與鐵塔基礎受力對比

1　城區輸電線路自立桿常用基礎型式及其特點

1.1　大開挖回填基礎

城區輸電線路的大開挖回填基礎主要有板式基礎與臺階基礎，如圖2所示。此類基礎技術成熟、施工簡單，在常規輸電線路中應用最廣。板式基礎的底板配置受力鋼筋，以充分發揮混凝土和鋼筋的承載性能，且一般控制基礎底板的寬高比不大于2.5，以滿足底板剛度要求。剛性基礎往往底板不配筋，通過同步增加臺階數量和高度來增加底板寬度。大開挖回填基礎依靠基礎自重及地基反力來抵抗桿塔傾覆彎矩，因此其底板寬度與混凝土方量均較大。

圖2　城區輸電線路常見大開挖回填基礎型式

1.2　灌注樁基礎

灌注樁基礎指在工程現場通過機械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中形成樁孔，并在其內放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁基礎，可分為單樁與多樁承臺，如圖3所示。單樁基礎主要靠側向土壓力抵抗傾覆彎矩，而多樁承臺則主要靠樁身下壓或上拔力來抵抗傾覆彎矩。灌注樁基礎是一種深基礎型式，其具有適應性強、后期質量穩定和承載力大等優點，因此，近年來在城區電網建設中得到了廣泛應用。但該基礎施工費用較高，且施工時產生的泥漿會對城區環境產生一定影響。

圖3　城區輸電線路灌注樁基礎

1.3　鋼管樁基礎

鋼管樁基礎是將上部鋼管桿進行延伸，直接打入土中，用少量混凝土注漿填滿空隙的一種深基礎型式，如圖4所示。鋼管樁基礎的受力特點與單樁基礎類似，依靠側向土壓力抵抗傾覆彎矩。其質量穩定、承載力大，而且施工方式簡單環保。但鋼管樁基礎的施工對地質情況要求較高，在土質較硬或者有碎石的情況下，鋼管樁要被打入到指定深度有一定的困難。

圖4　城區輸電線路自立桿鋼管樁基礎

2　新型“砝碼式”鋼管樁基礎

2.1　“砝碼式”鋼管樁基礎特點

“砝碼式”鋼管樁基礎是在鋼管樁基礎上的一種改進型。當鋼管樁無法直接打入地基中時，采用旋挖鉆機機械成孔，放入底部帶圓形鋼板的鋼管樁，再像加砝碼一樣逐個加裝預制混凝土重塊，然后在基坑與混凝土重塊縫隙處注漿，保證基礎與土體的粘結作用。同時，可根據實際需要加裝上部預制混凝土承臺，如圖5所示。

圖5　“砝碼式”鋼管樁基礎示意

由圖5可知，該基礎型式各個部件均是預制構件，既保證了施工質量，同時也加快了施工進度，滿足全過程機械化施工的要求。在基礎受力上，混凝土砝碼有效的加大了單樁基礎與土體的接觸面，增加了側向土壓力，從而大幅增加基礎的抗傾覆性能。鋼管樁基礎采用內部反向法蘭與上部鋼管桿連接，保證了混凝土砝碼的順利安裝，如圖6所示。

圖6　砝碼式鋼管樁基礎上部內法蘭

“砝碼式”鋼管樁在性能上綜合了鋼管樁和裝配式基礎的優點，具有以下特點和優勢：

（1）基礎所有構件均采用預制，保證了構件質量，有效縮短施工工期，節約施工成本。

（2）內部鋼管可視為基礎配鋼筋，承受基礎絕大部分彎矩，外部預制混凝土可不配鋼筋或少配鋼筋，同時設計上不受構件含鋼率限制，構件承載力較鋼筋混凝土基礎可提高30%以上。

（3）混凝土砝碼有效加大了單樁基礎與土體的接觸面，增加了側向土壓力，從而大幅增加基礎的抗傾覆性能。

（4）該結構延性遠高于鋼筋混凝土結構，具有更高的變形能力和抗震性能。

（5）該基礎直接通過鋼管內法蘭與上部鋼管桿連接，無需地腳螺栓。

（6）基礎下壓荷載直接通過內部鋼管傳遞給底部鋼板。

2.2　“砝碼式”鋼管樁基礎的抗傾覆承載力計算

“砝碼式”鋼管樁基礎的抗傾覆承載力計算仍然可以按照《架空送電線路基礎設計技術規定》中電桿基礎傾覆穩定公式計算[8-14]，計算簡圖見圖7。

式中：X為土壓力；m為土壓力參數；β為等代內摩阻角，按表1確定；y為自設計地面起算的深度；γs為基礎底面以上土的加權平均重度，按表1確定。

圖7　電桿基礎計算簡圖

表1　加權平均重度、等代內摩阻角參數

2.3　“砝碼式”鋼管樁基礎有限元計算

2.3.1數值建模及參數選擇

本次數值分析采用MIDAS-GTS巖土工程專業有限元軟件。該軟件能模擬復雜的工程地質條件和實際工程的加、卸載工序，通過合理的本構模型來模擬巖土體材料的非線性和時間相關性，可用于分析基礎承載力、軟基處理、樁基礎和隧道等多種巖土工程的變形和穩定問題。

為模擬“砝碼式”鋼管樁基礎在承受彎矩荷載后土體和基礎的應力和位移發展情況，本次分析按實體建模。土體本構關系選擇為莫爾庫倫模型，基礎本身按線彈性材料考慮，其彈性模量分別按混凝土和鋼的模量取值。

另外，為模擬土體、基礎界面上及鋼管、混凝土塊界面上的滑動，在基礎土體接觸面、鋼管、混凝土塊接觸面上添加界面單元[15]。其中鋼管、混凝土塊之間采用線性界面單元，混凝土塊、土體之間采用莫爾庫侖接觸單元。界面單元屬性如表2所示。

表2　界面單元參數

以某220 kV直線鋼管桿為基本分析對象，其基礎作用力設計值為：N=150 kN，Qx=85 kN，Qy=85 kN，M=1 500 kN·m。鋼管直徑取1 200 mm，埋深取6 m，外部混凝土塊直徑取2.4 m。

土體底部水平向和豎向均固定，兩側邊界水平向固定，豎向可移動。在柱頂施加桿塔荷載，迭代計算時通過增加荷載因子控制施加桿塔荷載，當土體位移過大破壞時終止計算。網格劃分如圖8所示。土體和基礎的計算參數分別如表3—表4所示。

圖8　“砝碼式”鋼管樁基礎計算模型網格劃分

2.3.2“砝碼式”鋼管樁基礎的有限元計算

采用MIDAS GTS軟件對該基礎型式進行非線性分析。圖9為整體變形示意圖；圖10為“砝碼式”鋼管樁基礎的內力與位移云圖；圖11為聯合沉井基礎土體等效應力示意圖。

表3　地基土體計算參數

表4　基礎材料計算參數

圖9　整體變形示意

圖10　“砝碼式”鋼管樁基礎內力云圖

由圖9—圖11可知，“砝碼式”鋼管樁基礎在上部鋼管桿荷載作用下，其地面最大位移為10 mm，滿足規范要求。同時，基礎各部件的應力值均在規范允許范圍內，說明該基礎結構受力合理，整體性和穩定性較好。

表5　不同基礎型式技術經濟比較

圖11　“砝碼式”鋼管樁基礎土體塑性區分布示意

3　“砝碼式”鋼管樁基礎技術經濟比較分析

3.1　基本設計條件

以某城區220 kV雙回路輸電線路自立桿為例，導線采用2×LGJ-630/40，地線采用JLB20A-120。導地線安全系數分別取4.5和6.0，設計氣象條件為：基本風速27.0 m/s、覆冰5 mm。設計水平檔距250 m，垂直檔距300 m。地基土類型為粉質粘土并考慮0.5 m覆蓋層厚度。

3.2　技術經濟比較結果

該自立桿分別采用灌注樁基礎、鋼管樁基礎、板式基礎以及“砝碼式”鋼管樁的技術經濟指標進行了對比分析，如表5所示。

計算結果表明，在地質條件相同的情況下，采用“砝碼式”鋼管樁基礎，其指標優于普通板式基礎與鋼管樁基礎，與灌注樁基礎相當，且施工工藝更為簡潔，更好的滿足機械化、模塊化施工的要求，經濟與社會效益顯著。

4　結論與展望

目前城區輸電線路自立桿常規基礎型式主要有：大開挖回填基礎、灌注樁基礎和鋼管樁基礎，這些基礎各有特點和不足。“砝碼式”鋼管樁基礎是一種新型基礎型式，是在鋼管樁基礎上的一種改進型，具有預制化、模塊化和機械化的特點。有限元分析和技術經濟比較結果表明，該基礎結構受力合理，其在自立桿荷載下作用下整體性和穩定性較好，變形、內力均能滿足規范要求。在地質條件相同的情況下，采用“砝碼式”鋼管樁基礎，其指標優于普通板式基礎與鋼管樁基礎，與灌注樁基礎相當，且施工工藝簡潔、施工周期短，能更好地滿足預制化、模塊化、機械化施工的要求，在城區輸電線路中具有一定的推廣價值。

以上對于砝碼式鋼管樁基礎的設計作了初步研究，僅涉及到基本理論和數值模擬，要將該基礎型式運用于實踐，還需采用試驗手段對其受力性能、承載力計算公式、構件設計方法等進行深入研究，同時對具體的施工機械、施工技術、施工流程也需進行進一步的研究。