輸電桿塔斜插基礎地基變形模擬研究

王英浩，何亞雄

（內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古包頭 014000）

0 引言

隨著中國經濟的快速發展，架空輸電線路的年投資正逐步增加。桿塔基礎是輸電線路結構中重要的組成部分，它的造價、勞動消耗等在整個工程投資中占很大比重[1-3]。桿塔基礎的設計、荷載、地形和地質的情況直接影響地基變形及其穩定性[4]。地基變形分析往往是項目成敗的關鍵。如果對地基變形的估算不足，則會造成工程結構裂縫和傾倒等重大工程事故，造成巨大的經濟損失[5，7]。桿塔基礎除承受壓外，還承受著較大的水平荷載。斜插式電力桿塔基礎作為一種新型基礎，通過調節立柱的傾斜角度，使其受力合理，在輸電線路設計中得到了廣泛的應用。然而，這種基礎的設計理論不夠完善，經驗還不成熟，可以借鑒的資料很少，本文通過對直柱板式基礎和斜插基礎進行地基變形模擬分析及對比，希望能夠為斜插基礎的設計提供一定依據。

1 輸電桿塔基礎受力分析

桿塔基礎相對于傳統基礎，受力有很明顯不同。輸電桿塔的基礎在受到豎向荷載的同時，也承受導線、地線等產生的水平荷載。因此對豎向荷載與水平荷載共同作用下的地基變形計算具有現實意義。根據我國現有的《DL/T 5219-2014架空送電線路基礎設計技術規程》[8]，上部桿塔的設計已經成熟合理，但是基礎的設計尺寸較大，相比國外較為保守，所以基礎工程的費用比國外要高出很多。傳統建筑地基變形的計算分析，沒有將地基水平荷載作為主要的影響因素，輸電線路的桿塔作為一種特殊的建筑物，在設計、建造及施工中，應該充分地考慮這些因素的影響[9]。桿塔每個塔腳的基礎承受上部桿塔傳下來的壓力、拔力、水平力[10]，見圖1。圖中A腿、B腿、C腿、D腿分別為桿塔四個塔腿所對應的四個基礎；N為鐵塔對基礎產生的下壓力；T為鐵塔對基礎產生的上拔力；Nx、Ny為x方向、y方向的水平力。

圖1 桿塔基礎受力示意圖

2 斜插基礎理論分析

在鐵塔基礎的設計中，斜插基礎的立柱傾斜率是設計此類地基的主要技術指標之一，這與基礎受力是否合理有關[11-12]。如圖2，N為鐵塔對基礎產生的下壓力；Nx、Ny為x方向、y方向的水平力；ex、ey為x方向、y方向的偏心距。確定立柱的傾角，使其傾角與外力方向一致，基礎底部僅承受軸向荷載。

圖2 斜插基礎受力示意圖

圖3 直柱板式基礎結構形式

圖4 斜插基礎結構形式

圖5 地應力平衡應力及位移云圖

3 工程實例模擬

該工程為500kV線路工程，全部位于內蒙古牙克石市，線路全長57km，桿塔125基，其中掏挖基礎77基，開挖基礎41基，灌注樁基礎7基。同塔雙回路架設，導線采用4×JL/G1A-400/35鋼芯鋁絞線，線路總體呈西北-東南走向。沿線地形以丘陵和山地為主，部分基礎位于山間河谷。該工程在線路的基礎設計中部分采用直柱板式基礎，現在通過一個模型模擬來比較斜插式基礎的設計要求。由于設計理論的不完善，該新型基礎的穩定性是否滿足實際需要還存在一定的疑問。因此，根據工程資料，選取其中1基轉角桿塔的基礎建模進行分析，對模擬的結果進行對比。兩種基礎的具體結構形式見圖3、圖4。地基土力學參數見表1，并應用ABAQUS建立三維數值模型。

基礎所受荷載（轉角塔基礎）：基礎所受下壓力為1134kN；水平力為155kN。假設基礎自身強度滿足要求，基礎不會被損壞。

表1 地基土巖土力學參數

根據所給參數，建立有限元模型，并且達到地應力平衡，地應力平衡的應力和位移云見圖5。從圖5中可以看到地應力平衡后，產生了初始應力，總體來說，它符合模擬研究的前提，也就是說，它能反映地基在擾動前的實際情況。

圖6是直立板式基礎受到荷載之后的位移云圖及位移表，可以看出，基礎底面產生了一定不均勻沉降，最大沉降值達到13mm，基礎底面中心沉降值為12mm，距離基礎底面越遠的地方，地基變形越小，符合地基變形的特征。

3.2 斜插基礎模擬

圖7是斜插基礎受到荷載之后的位移云圖及位移表，可以看出，基礎底面產生的沉降比較均勻，最大沉降值為11mm，距離基礎底面越遠的地方，地基變形越小，符合地基變形的特征。

圖6 直立板式基礎最終位移云圖及位移表

圖7 斜插基礎最終位移云圖及位移表

4 結語

通過對兩種基礎的模擬研究，得出以下結論：

1）斜插基礎的地基變形比直柱板式基礎地基均勻，因為斜插基礎豎向荷載偏離基礎中心，能夠與水平荷載產生的彎矩抵消。如果角度根據合力的方向設計，可以使基礎立柱只受軸向力，有效地減少彎矩對基礎底部的影響。這是在一般工況下，如果基礎所受為極限工況，斜插式基礎更能體現出地基變形的平衡性；

2）斜插基礎的最大沉降量都為11mm，直柱板式基礎底板中心的沉降量為12mm，斜插基礎能夠一定程度降低基礎中心最終沉降量。相對于直柱板式基礎，斜插基礎受力更加合理，基礎整體穩定性增強，斜插基礎在今后的運用中會更加成熟，逐漸得到廣泛應用。

通過本文的對比分析，希望能為廣大輸電線路桿塔基礎設計人員在計算基礎受力及地基變形方面提供有益的幫助。