王運(yùn)華，丁士君，劉智超，童瑞銘，董天元

(1.新疆電力設(shè)計(jì)院，烏魯木齊市 830001;2.中國電力科學(xué)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(fā)及“西電東送”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，新疆地區(qū)輸電線路建設(shè)的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，桿塔基礎(chǔ)的作用力也隨輸電線路電壓等級(jí)的提高而增大［1］。開挖回填式基礎(chǔ)作為戈壁地區(qū)基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)形式，是在開挖形成的基坑內(nèi)現(xiàn)澆或裝配基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用回填巖土體形成的地基，主要依靠基礎(chǔ)與土體的自重力來抵抗上拔力。隨著桿塔基礎(chǔ)建設(shè)經(jīng)濟(jì)性要求的提高，形成了利用回填土的抗拔作用、埋深的經(jīng)濟(jì)性、混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)替代混凝土剛性基礎(chǔ)等優(yōu)化設(shè)計(jì)思路［2］，但該形基礎(chǔ)不能充分利用戈壁地區(qū)原狀碎石土良好的抗剪性能，材料消耗量偏大。因此，需要設(shè)計(jì)更科學(xué)、更適用的基礎(chǔ)形式來滿足工程建設(shè)的要求。

文獻(xiàn)［3］在理論及工程實(shí)踐方面對(duì)掏挖基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及施工工藝進(jìn)行了探討，提出了理論計(jì)算上的修正及可行的施工工藝，總結(jié)了掏挖基礎(chǔ)在戈壁地區(qū)的推廣使用經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)［4］通過對(duì)新疆和甘肅地區(qū)戈壁碎石土地基現(xiàn)場分層直剪試驗(yàn)，提出了抗剪特性和強(qiáng)度參數(shù)的取值，為我國戈壁地區(qū)掏挖基礎(chǔ)的工程應(yīng)用及其設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。文獻(xiàn)［5-6］表明，戈壁碎石土地基掏挖基礎(chǔ)具有良好的抗拔承載性能，施工安全性高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，能夠滿足常規(guī)輸電線路桿塔基礎(chǔ)荷載要求，適用于戈壁碎石土地基。文獻(xiàn)［7］針對(duì)新疆戈壁地區(qū)進(jìn)行了輸電線路桿塔掏挖基礎(chǔ)的選型與研究，針對(duì)典型地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場直剪、輸電桿塔載荷等試驗(yàn)，提出了碎石土地基掏挖基礎(chǔ)的承載力計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)。

本文將分析掏挖基礎(chǔ)在新疆戈壁地區(qū)的適用性，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)掏挖基礎(chǔ)在220 kV小草湖變—托克遜工業(yè)園區(qū)變送電線路工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行分析討論，為掏挖基礎(chǔ)在戈壁地區(qū)中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 碎石土掏挖基礎(chǔ)的適用性分析

1.1 碎石土地基的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)場直剪試驗(yàn)表明，天然戈壁碎石土具有良好的膠結(jié)力，土體自立性較強(qiáng)。但是，盡管新疆戈壁碎石土具有良好的抗剪力學(xué)性能，經(jīng)過開挖破壞后戈壁碎石土的凝聚力指標(biāo)仍接近0。因此，雖然碎石土地基具有適用掏挖基礎(chǔ)的力學(xué)性能，但采用開挖回填式基礎(chǔ)未充分發(fā)揮其承載優(yōu)勢。

1.2 戈壁地區(qū)常用的基礎(chǔ)形式

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，新疆戈壁地區(qū)的輸電線路工程鐵塔基礎(chǔ)一般采用大開挖柔性板式鋼筋混凝土基礎(chǔ)或大開挖臺(tái)階式剛性混凝土基礎(chǔ)［3］。

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

(2)柔性板式鋼筋混凝土基礎(chǔ):該基礎(chǔ)是目前新疆戈壁地區(qū)應(yīng)用最為廣泛的型式，相對(duì)剛性基礎(chǔ)，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(chǔ)均屬于開挖回填式基礎(chǔ)，依靠基礎(chǔ)質(zhì)量及底板上拔一定角度內(nèi)的土體質(zhì)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(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)

掏挖式基礎(chǔ)是將基礎(chǔ)的鋼筋骨架和混凝土直接澆入人工掏挖成型的土胎內(nèi)，以天然土構(gòu)成的抗撥土體與基礎(chǔ)自重相互作用而保持基礎(chǔ)的上撥穩(wěn)定［8］，該型基礎(chǔ)充分利用了天然原狀土的強(qiáng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，既能節(jié)省混凝土和鋼筋的用量，又能減少基礎(chǔ)的土石方開挖工程量，“以土代?！?，節(jié)省了模板，免除了回填土的工序，施工方便。

掏挖基礎(chǔ)可以減少對(duì)原狀土結(jié)構(gòu)、地表植被的破壞，有利于減少水土流失和環(huán)境保護(hù)。新疆戈壁碎石土場地的基礎(chǔ)坑壁自立穩(wěn)定，淺部一般無地下水，具有掏挖基礎(chǔ)的適用條件。

2 掏挖基礎(chǔ)的載荷試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)概況

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

表1 試驗(yàn)場地條件Tab.1 Conditions of test site

試驗(yàn)中所用掏挖基礎(chǔ)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Foundation's structure

圖1中，d為掏挖基礎(chǔ)的立柱直徑;D為掏挖基礎(chǔ)的擴(kuò)底直徑;θ為基底展開角;H為基礎(chǔ)埋深;h0為基礎(chǔ)主柱露頭高度;h1為基礎(chǔ)立柱高度;h2為底板圓臺(tái)高度;h3為底板圓柱高度。

根據(jù)戈壁地區(qū)輸電線路掏挖基礎(chǔ)的特性與試驗(yàn)研究目標(biāo)，應(yīng)用正交試驗(yàn)方法，對(duì)不同規(guī)格基礎(chǔ)的抗拔承載特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，各參數(shù)取值見表2。

表2 試驗(yàn)基礎(chǔ)關(guān)鍵參數(shù)配置Tab.2 Key parameter of test foundation

對(duì)不同規(guī)格的基礎(chǔ)分別進(jìn)行了上拔試驗(yàn)、不同露頭基礎(chǔ)的水平試驗(yàn)和上拔與水平共同作用試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)基礎(chǔ)的承載力

2.2.1 上拔極限承載力

根據(jù)現(xiàn)場輸電桿塔載荷試驗(yàn)的測試結(jié)果，繪制的不同基礎(chǔ)埋深和擴(kuò)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(dāng)掏挖基礎(chǔ)擴(kuò)底直徑不小于1.4 m、埋深不小于3.5 m時(shí)抗拔承載力大于1 000 kN;當(dāng)擴(kuò)底直徑不小于1.6 m、埋深不小于4.5 m時(shí)抗拔承載力大于1 600 kN。

(2)場地2:當(dāng)掏挖基礎(chǔ)擴(kuò)底直徑不小于1.4 m、埋深不小于4.0 m時(shí)抗拔承載力大于2 250 kN;當(dāng)擴(kuò)底直徑不小于1.8 m、埋深不小于5.0 m時(shí)抗拔承載力大于3 875 kN。

(3)場地3:當(dāng)掏挖基礎(chǔ)擴(kuò)底直徑不小于1.4 m、埋深不小于3.0 m時(shí)抗拔承載力大于1 175 kN;當(dāng)擴(kuò)底直徑不小于1.6 m、埋深不小于4.0 m時(shí)抗拔承載力大于2 000 kN。

2.2.2 水平極限承載力

根據(jù)水平荷載與位移關(guān)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(chǔ)露頭關(guān)系，如圖3所示。圖3中Ⅰ和Ⅱ?yàn)閳龅鼐幪?hào)，1.0和0.8為基礎(chǔ)立柱直徑(單位為m)，2.34和4.76為基礎(chǔ)埋深(單位為m)。

由圖3可知:

(1)相同基礎(chǔ)尺寸條件下，場地Ⅱ比場地Ⅰ的試驗(yàn)基礎(chǔ)水平承載力大，這表明戈壁碎石土地基物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)基礎(chǔ)水平承載能力的影響較大;

(2)試驗(yàn)基礎(chǔ)埋深越大則水平承載力越大，試驗(yàn)基礎(chǔ)立柱及擴(kuò)底直徑對(duì)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(chǔ)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(yàn)結(jié)果適用性分析

典型桿塔對(duì)基礎(chǔ)的作用力如表3所示。

表3 典型桿塔對(duì)基礎(chǔ)的作用力Tab.3 Forces on foundations of typical towers

由表3可以發(fā)現(xiàn)，此次試驗(yàn)條件下的戈壁碎石土地基掏挖基礎(chǔ)能夠滿足新疆地區(qū)750 kV及其以下電壓等級(jí)［9］輸電線路桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求，具有良好的承載性能。

2.3 承載性能分析

(1)抗拔穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)戈壁灘碎石土地基進(jìn)行的大量現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)結(jié)果及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的內(nèi)容［7-8，10］，戈壁灘碎石土掏挖基礎(chǔ)抗拔穩(wěn)定性需滿足式(1)。

式中:γf為分項(xiàng)系數(shù);γE為水平力影響系數(shù);TE為掏挖基礎(chǔ)抗拔承載力極限值;A1、A2為無因次計(jì)算常數(shù)，可按文獻(xiàn)［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(chǔ)埋深;Qf為基礎(chǔ)自重;Qs為上拔失穩(wěn)時(shí)圓弧剪切曲面范圍內(nèi)的土質(zhì)量。

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

式中:TH為基礎(chǔ)頂部水平向作用力;m為碎石土地基水平抗力系數(shù);d為掏挖基礎(chǔ)立柱直徑;H為基礎(chǔ)埋深;D為掏挖基礎(chǔ)擴(kuò)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(chǔ)露頭高度。

(3)抗壓穩(wěn)定性及其他。在分析抗壓穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)考慮碎石土地基的水平抗力作用，同時(shí)基底地基與基礎(chǔ)相互作用按彈性進(jìn)行分析。

(4)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算中推薦采用數(shù)值模擬方法對(duì)基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

3.1 工程概況

新疆戈壁碎石土地基掏挖基礎(chǔ)是2010年國家電網(wǎng)公司批準(zhǔn)立項(xiàng)的基建新技術(shù)研究項(xiàng)目之一，220 kV小草湖變—托克遜工業(yè)園變送電線工程是該項(xiàng)目的依托應(yīng)用工程，線路全長約為47.5 km，其中同塔雙回架設(shè)線路段長約為47 km，途經(jīng)托克遜地區(qū)，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(chǔ)作為主要桿塔基礎(chǔ)形式已成功應(yīng)用。

3.2 沿線巖土層及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(gè)工程地質(zhì)段，如表4所示。

表4 各地質(zhì)段地基巖土構(gòu)成Tab.4 Rock and soil composition of ground in different geological sections

第Ⅰ、Ⅱ工程地質(zhì)段地下水位較深，碎石土地基的物理力學(xué)性質(zhì)與試驗(yàn)場地接近，具備掏挖基礎(chǔ)應(yīng)用的場地條件。

該工程的電壓等級(jí)為 220 kV，設(shè)計(jì)風(fēng)速為38 m/s，主要塔型為適用于大風(fēng)區(qū)的SZ238型直線塔、SJS1(0°～20°)型轉(zhuǎn)角塔、SJS2(20°～35°)型轉(zhuǎn)角塔、SDJ1(0°～40°)型終端塔等雙回路鼓型鐵塔，基礎(chǔ)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(chǔ)的應(yīng)用條件，而且為工程桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

表5 基礎(chǔ)作用力Tab.5 Forces on foundations

3.3 碎石土地基掏挖基礎(chǔ)的應(yīng)用情況

根據(jù)施工計(jì)劃，本階段工程鐵塔共采用掏挖基礎(chǔ)79基，其中直線塔67基，耐張轉(zhuǎn)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(chǔ)坑如圖5所示，工程施工中無垮塌、掏挖不成形等現(xiàn)象，施工安全、質(zhì)量可控。

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

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 不同基礎(chǔ)型式的材料用量

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

表6 基礎(chǔ)材料Tab.6 Foundation materials

由表6可知:運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出的掏挖基礎(chǔ)與傳統(tǒng)斜柱大開挖基礎(chǔ)相比，鋼筋用量占斜柱開挖基礎(chǔ)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(jìn)行比較，相應(yīng)的鐵塔基礎(chǔ)作用力如表7所示。

表7 鐵塔基礎(chǔ)荷載Tab.7 Loads of tower foundations

當(dāng)場地為圓礫碎石土?xí)r，地質(zhì)參數(shù)的取值為:φ =43°;λ =12 kPa;fak=400 kPa。進(jìn)行了抗拔、抗傾覆和抗壓穩(wěn)定分析及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和配筋計(jì)算后，確定實(shí)際工程應(yīng)用基礎(chǔ)的尺寸見表8，按式(1)計(jì)算得到其可能承受的上部結(jié)構(gòu)荷載作用力見表9。

?

?

由表8、9可以看出，基礎(chǔ)滿足工程鐵塔上部結(jié)構(gòu)荷載的承載要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］利用Tfod 2006軟件對(duì)表8所示的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，得到A基礎(chǔ)條件下A1和A2分別為0和3.7，而B基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的A1和A2分別為0和3.3，該驗(yàn)算結(jié)果與相關(guān)理論計(jì)算結(jié)果明顯不符，此外，在驗(yàn)算過程中基礎(chǔ)A和B的混凝土均強(qiáng)度不足導(dǎo)致其無法滿足設(shè)計(jì)要求。利用Tfod 2006軟件對(duì)SZ238-27型直線塔和SJS1-24型耐張塔的基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，得到基礎(chǔ)尺寸見表10。

表10 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果Tab.10 Results of optimized design

表10所示的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果與工程基礎(chǔ)實(shí)際應(yīng)用情況相比，前者基礎(chǔ)材料量增加，且計(jì)算結(jié)果不合理，不僅無因次系數(shù)計(jì)算取值與“剪切法”的理論計(jì)算結(jié)果不符，而且基礎(chǔ)擴(kuò)大端的圓臺(tái)高寬比較小，在碎石土地區(qū)存在安全隱患。

依托工程的經(jīng)濟(jì)效益分析顯示，戈壁灘碎石土地基掏挖基礎(chǔ)的成功應(yīng)用共節(jié)約基礎(chǔ)費(fèi)用118.5萬元。雖然新疆戈壁地區(qū)近2年惡劣天氣頻次增多、災(zāi)害程度增高，但該輸電線路已正常運(yùn)行1年多，情況良好、掏挖基礎(chǔ)穩(wěn)定。

由此可見，戈壁碎石土地基掏挖基礎(chǔ)既節(jié)約了基礎(chǔ)的工程造價(jià)、減少了開挖量，又具有良好的承載性能，可充分發(fā)揮碎石土地基的力學(xué)特性。

5 結(jié)論

(1)新疆戈壁碎石土地基具有良好的抗剪力學(xué)性能，適用于輸電線路掏挖基礎(chǔ)。

(2)載荷試驗(yàn)表明，新疆戈壁碎石土地基掏挖基礎(chǔ)具有良好的承載性能，能滿足新疆地區(qū)750 kV及以下電壓等級(jí)輸電線路桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求。

(3)碎石土地基掏挖基礎(chǔ)需進(jìn)行上拔、下壓工況下的抗拔、抗傾覆和抗壓穩(wěn)定性分析，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算中可以采用數(shù)值模擬。

(4)碎石土屬于特殊土地基，當(dāng)前輸電線路掏挖基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在一定不足，本文提出的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)可以為工程應(yīng)用提供依據(jù)。

(5)掏挖基礎(chǔ)在依托工程中的成功應(yīng)用表明，基礎(chǔ)安全、質(zhì)量可控、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益良好，符合輸電線路工程建設(shè)的要求和發(fā)展趨勢。

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