陳　榕，高宇聰，孟憲彬，郝冬雪

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021)

我國輸電線路基礎(chǔ)型式對比及其適用性分析

陳榕1，高宇聰1，孟憲彬2，郝冬雪1

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021)

摘要：我國輸電桿塔基礎(chǔ)型式多樣，這主要與我國地域遼闊，巖土類別多、分布廣，各地區(qū)地形地貌和地質(zhì)條件差異大等區(qū)域性特點(diǎn)決定的。近年來，我國在架空輸電線路基礎(chǔ)方面的研究取得了較大的進(jìn)步，基于輸電桿塔基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)、工程造價(jià)及環(huán)境保護(hù)等要求，研發(fā)了多種新型輸電桿塔基礎(chǔ)形式。集合國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果，主要針對不同輸電桿塔基礎(chǔ)型式進(jìn)行了分類闡述，給出了各種基礎(chǔ)型式在理論、試驗(yàn)、數(shù)值模擬等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與尚存不足，同時(shí)對其適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對后繼研究前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：輸電塔基礎(chǔ)；理論研究；模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬；承載力特性

架空輸電線路的基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)與施工等方面具有明顯的行業(yè)特點(diǎn)：首先，送電線路距離長、跨越區(qū)域廣、沿途地形與地質(zhì)條件復(fù)雜、地基土物理力學(xué)性質(zhì)差異性大，設(shè)計(jì)和施工中需要考慮的邊界條件較多。其次，桿塔基礎(chǔ)所承受的荷載特性復(fù)雜，基礎(chǔ)在承受拉/壓交變荷載作用的同時(shí)，還承受著較大的水平荷載作用。荷載特性，如荷載的大小、分布、偏心程度以及出現(xiàn)頻率等都決定著基礎(chǔ)的受力特征，而荷載分布、地基土或巖的工程特性、基礎(chǔ)材料特性等決定了基礎(chǔ)的工作特性，如破壞面與滑移變形等。通常情況下，桿塔基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)控制條件，而建筑等其他行業(yè)基礎(chǔ)下壓穩(wěn)定性才是其設(shè)計(jì)控制條件，與桿塔基礎(chǔ)差異較大，因而可供架空線路桿塔基礎(chǔ)直接借鑒與應(yīng)用的資料較少。

我國輸電桿塔基礎(chǔ)型式多樣，這主要與我國地域遼闊，巖土類別多、分布廣，各地區(qū)地形地貌和地質(zhì)條件差異大等區(qū)域性特點(diǎn)決定的。目前，架空輸電線路基礎(chǔ)主要包括以下幾種，如擴(kuò)展基礎(chǔ)、巖石基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、螺旋錨基礎(chǔ)與復(fù)合基礎(chǔ)等基礎(chǔ)型式。本文主要針對上述基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法、受力特性和工程適用性三方面進(jìn)行探討。

1擴(kuò)展基礎(chǔ)

擴(kuò)展基礎(chǔ)，俗稱“大開挖基礎(chǔ)”，是指基坑開挖的土方量比基礎(chǔ)本身體積要大得多，需要采用模板澆制，成型后埋置于基坑內(nèi)。擴(kuò)展基礎(chǔ)主要包括階梯基礎(chǔ)和大板基礎(chǔ)。

1.1　階梯基礎(chǔ)

階梯基礎(chǔ)屬于獨(dú)立基礎(chǔ)型式，是一種傳統(tǒng)的基礎(chǔ)型式，可分為剛性和柔性兩種基礎(chǔ)型式。階梯基礎(chǔ)廣泛適用于各類地質(zhì)、各種塔型，其特點(diǎn)是大開挖，采用模板澆制，成型后再回填土，利用土體與混凝土重量抗拔。

剛性階梯基礎(chǔ)的底板采用剛性抗壓，不配鋼筋，但基礎(chǔ)埋置較深，混凝土量較大，因其受力不合理，浪費(fèi)材料，造價(jià)高，己逐漸被淘汰，并且由于階梯型易塌方及有流砂地區(qū)難以達(dá)到設(shè)計(jì)深度，僅在部分地區(qū)還有應(yīng)用。因此，目前輸電桿塔建設(shè)中廣泛采用的基礎(chǔ)形式為柔性階梯基礎(chǔ)，如圖1所示。這種基礎(chǔ)形式施工簡便，工程造價(jià)低，只要地質(zhì)和水文條件允許的情況都應(yīng)優(yōu)先采用。

對于階梯基礎(chǔ)，目前設(shè)計(jì)的主要理論與其它建筑基礎(chǔ)一樣，仍然是普朗德爾、太沙基、漢森等著名學(xué)者所提出或改進(jìn)了地基承載力公式，其相應(yīng)的承載力公式及變形計(jì)算方法都已發(fā)展的較為成熟。

圖1　柔性階梯式基礎(chǔ)

圖2　淮南至上海線路中K233大板基礎(chǔ)

1.2　大板基礎(chǔ)

大板型基礎(chǔ)主要針對軟土區(qū)或塌陷區(qū)設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：底板大、埋深淺、底板較薄，底板雙向配筋承擔(dān)由鐵塔上拔、下壓和水平力引起的彎矩和剪力，主柱計(jì)算與階梯基礎(chǔ)相同。

1984年葛洲壩至武昌進(jìn)行了500 kV超高壓輸電線路試驗(yàn)，部分鐵塔必須通過含水量高達(dá)76%-82%的軟弱地基。該路段最終采用了大板基礎(chǔ)型式，實(shí)踐證明該種基礎(chǔ)形式穩(wěn)定，沉降均勻，可確保上部建筑的安全；而且施工簡便，經(jīng)濟(jì)可靠。1998年賈德斌等人從簡化設(shè)計(jì)的角度對大板基礎(chǔ)反力分布進(jìn)行了研究，提出了以“修正直線分布法”代替“直線分布法”求解大板基礎(chǔ)的內(nèi)力[1]。2004年楊國立、張偉[2]等人針對大板基礎(chǔ)的傳統(tǒng)混凝土后澆帶支模的弊端，提出了一種用小格鋼絲網(wǎng)片法來處理后澆帶的新型處理方法，這種施工方法與之前的相比，起到了節(jié)省人工，減少了模板損耗，同時(shí)對結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步的加強(qiáng)作用。2010年孫萬明[3]等人在針對煤礦采集區(qū)由于開礦而導(dǎo)致出現(xiàn)采空區(qū)，致使地表變形引起輸電桿塔整體的傾斜，輸電桿塔大板基礎(chǔ)承受不均勻荷載的情況，通過理論研究推算輸電塔傾斜時(shí)的大板基礎(chǔ)的反力公式與傾斜極限值計(jì)算公式。姜耀東、高文龍[4]等人針對采空區(qū)特高壓輸電桿塔大板基礎(chǔ)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。通過數(shù)值分析，模擬基礎(chǔ)受到由自重引起的不均勻沉降、不同工況及不同地質(zhì)條件下的受力特點(diǎn)及工作機(jī)理，并且進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述研究對大板基礎(chǔ)在輸電線路工程的應(yīng)用起到了積極的促進(jìn)作用。

皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程，其21標(biāo)段線路長度為27.531 km，全線鐵塔基礎(chǔ)64基，其中9基為大板基礎(chǔ)。圖2為標(biāo)號(hào)K233大板基礎(chǔ)的施工過程，底板選擇整體澆注型式。施工時(shí)，首先在基礎(chǔ)底面設(shè)置大范圍整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土大板，然后在基礎(chǔ)與大板之間鋪墊100 mm厚卵石加砂墊層，使基礎(chǔ)與大板之間具有一定的滑動(dòng)性，以便于地基沉降基礎(chǔ)滑移后調(diào)整復(fù)位。

與階梯基礎(chǔ)相比，大板基礎(chǔ)具有土方量更大、鋼筋量增加較多、施工復(fù)雜、成本較高、在復(fù)雜地質(zhì)條件下易產(chǎn)生不均勻沉降等缺點(diǎn)，但其同時(shí)也具有埋深淺、易開挖成型、混凝土量能適當(dāng)降低等優(yōu)點(diǎn)。在軟弱地基中應(yīng)用較為廣泛，特別是對于軟、流塑粘性土、粉土及粉細(xì)砂等基坑不易成型的塔位，一般都會(huì)設(shè)計(jì)為大板基礎(chǔ)。在淤泥土質(zhì)中大板基礎(chǔ)施工難度較大，應(yīng)重點(diǎn)控制沉降及不均勻沉降，對轉(zhuǎn)角塔及負(fù)荷較大的直線塔應(yīng)進(jìn)行地基沉降變形驗(yàn)算，施工時(shí)應(yīng)盡量少擾動(dòng)地基土。

2巖石基礎(chǔ)

對于覆蓋層較淺或無覆蓋層的中風(fēng)化、微風(fēng)化巖石地基，如采用上述擴(kuò)展基礎(chǔ)，將具有開挖難度大、經(jīng)濟(jì)性差等問題。對于巖石地基，一般優(yōu)先采用巖石錨桿基礎(chǔ)和巖石嵌固基礎(chǔ)，這兩種基礎(chǔ)具有保護(hù)環(huán)境，減小土石方量，具有較強(qiáng)的抗拔承載能力。

2.1　巖石錨樁基礎(chǔ)

巖石錨桿基礎(chǔ)采用錨桿機(jī)鉆孔，可節(jié)省人力，極大限度的縮小了對周遭環(huán)境的破壞，并且施工面積小、混凝土用量少，棄渣少，土石方開挖量少，如圖3所示。

圖3　巖石錨桿基礎(chǔ)

巖石錨樁基礎(chǔ)主要包括直錨式錨樁基礎(chǔ)和承臺(tái)式錨樁基礎(chǔ)。直錨式錨樁基礎(chǔ)以地腳螺栓作為錨筋直接錨入巖石，因地腳螺栓間距較小，故僅適用于覆蓋層較薄的硬質(zhì)未風(fēng)化或微風(fēng)化巖石中。一般采用機(jī)械鉆孔，高標(biāo)號(hào)水泥砂漿灌入，與地腳螺栓粘結(jié)形成錨樁，頂部澆以不小于塔腳底板的混凝土承臺(tái)。該基礎(chǔ)要求巖石整體性好，覆蓋層薄，鉆孔施工要求高，因此其應(yīng)用范圍受到較大限制。承臺(tái)式錨樁基礎(chǔ)通過鋼筋混凝土承臺(tái)將錨樁與地腳螺栓連接成整體，適用于覆蓋層較厚的硬質(zhì)中等風(fēng)化巖石和軟質(zhì)微風(fēng)化巖石。錨樁用砂漿或細(xì)石混凝土錨固，承臺(tái)由鋼筋混凝土澆成。當(dāng)巖石整體性較差時(shí)，需要加大錨筋間距或需要四根以上的錨筋，施工時(shí)也需機(jī)械成孔，不宜用于強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件，而且承臺(tái)混凝土用量較大。

2007年秦慶芝、毛彤宇[5]等人針對華北山區(qū)線路工程特點(diǎn)，選擇5個(gè)典型的巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)點(diǎn)對幾種不同風(fēng)化的地質(zhì)條件下的直錨基礎(chǔ)和單錨基礎(chǔ)進(jìn)行了抗拔和抗傾覆試驗(yàn)研究。2010年曾二賢[6]等人基于荷載傳遞機(jī)理建立錨桿受力平衡微分方程式，推導(dǎo)出輸電電塔錨桿基礎(chǔ)充份考慮巖體特性時(shí)錨固深度的理論計(jì)算公式；2010年丁士君[7]等人針對巖石錨桿進(jìn)行了實(shí)體上拔或上拔與水平復(fù)合試驗(yàn)，研究表明：基巖風(fēng)化程度越高，基礎(chǔ)承載力越小且位移越大，水平荷載對群錨基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定性存在不利的影響。

對于中風(fēng)化、微風(fēng)化巖石地基上輸電桿塔基礎(chǔ)，采用巖石錨桿基礎(chǔ)能合理利用巖石自身強(qiáng)度，提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，并能節(jié)約工程材料、縮短工期、降低造價(jià)。

2.2　巖石嵌固基礎(chǔ)

巖石嵌固基礎(chǔ)適用于強(qiáng)風(fēng)化巖石條件。嵌固基礎(chǔ)是將地腳螺栓直接澆注在坡度1/6-1/8的混凝土墩內(nèi)，該型基礎(chǔ)埋深不宜過深(≤2 m)，承載力一般在200 kN以內(nèi)，故只能應(yīng)用于220 kV及其以下的自立式桿塔基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4　巖石嵌固基礎(chǔ)

2001年楊曉東、符平[8]等人依據(jù)在灌漿壓力作用下巖體產(chǎn)生的變形，來計(jì)算在灌漿過程中由巖體變形引起的注漿量和充填節(jié)理裂隙的空隙的注漿量的基本設(shè)想。利用數(shù)值模擬，通過計(jì)算在灌漿壓力作用下，巖體產(chǎn)生的變形，求得注漿量、地表抬動(dòng)值、灌后巖體彈性模量等基本參數(shù)。2007年何洪波[9]對湖南省某500 kV輸電線路嵌固式巖石基礎(chǔ)進(jìn)行了真型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在100%設(shè)計(jì)荷載條件下，巖石基礎(chǔ)的變形與荷載呈線性關(guān)系，巖石基礎(chǔ)處于彈性階段，該基礎(chǔ)可在500 kV線路工程中同類地質(zhì)條件下廣泛使用。2008年鄧宇[10]結(jié)合歹陽河大橋橋墩嵌巖基礎(chǔ)施工情況，介紹了嵌巖基礎(chǔ)的開挖技術(shù)，基礎(chǔ)周壁保護(hù)，基坑開挖后堵滲漏水處理，為今后嵌巖基礎(chǔ)的施工提供了極大地參考借鑒價(jià)值。2011年雷勇[11]綜合分析了嵌巖基礎(chǔ)承載特性與受理機(jī)理，從嵌巖基礎(chǔ)-巖石面的剪切-位移細(xì)觀受力機(jī)理出發(fā)，建立了基于剪脹效應(yīng)的樁側(cè)摩擦阻力的二段線性軟化跌落模型，求得彈塑性本構(gòu)關(guān)系下的樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的解析式。

對于巖石嵌固基礎(chǔ)，目前在節(jié)理裂隙巖體在靜、動(dòng)外荷載作用下的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定特性尚難做出準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)，從而嚴(yán)重影響基礎(chǔ)型式的設(shè)計(jì)與施工。

3掏挖基礎(chǔ)

掏挖基礎(chǔ)是一種新型的輸電線路基礎(chǔ)，是將基礎(chǔ)的鋼筋籠與混凝土直接灌入到由人工事先開挖好的土胎內(nèi)的一種基礎(chǔ)形式，它主要應(yīng)用于硬塑性黏土，粉質(zhì)黏土和直立性較好的碎石土中，并且掏挖基礎(chǔ)具有開挖量小，土體抗力與位移小，節(jié)約成本，對周遭地區(qū)環(huán)境負(fù)面影響小等眾多優(yōu)點(diǎn)，其廣泛的施工面所帶來的好處要遠(yuǎn)大于同條件下的其他基礎(chǔ)形式，隨著中國電網(wǎng)建設(shè)中環(huán)境保護(hù)的日益加強(qiáng)，掏挖基礎(chǔ)在輸電線路工程中的應(yīng)用越來越廣泛[12-15]。掏挖基礎(chǔ)的抗拔承載特性及其設(shè)計(jì)計(jì)算也是桿塔基礎(chǔ)目前研究的熱點(diǎn)問題之一。掏挖基礎(chǔ)分為直掏挖基礎(chǔ)與斜掏挖基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5　掏挖基礎(chǔ)

3.1　直掏挖基礎(chǔ)

直掏挖基礎(chǔ)，也稱為正掏挖基礎(chǔ)。2010年李永祥、張西[16]等選擇了3個(gè)典型地質(zhì)條件完成了12個(gè)直柱掏挖基礎(chǔ)的靜載荷試驗(yàn)，結(jié)果表明：戈壁碎石土地基中應(yīng)用直柱掏挖基礎(chǔ)具有良好的抗拔承載性能，其施工安全性高，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。2010年魯先龍[17]等以戈壁碎石土地基原狀土掏挖基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)為基礎(chǔ)，繪制基礎(chǔ)抗拔荷載-位移曲線，分析其抗拔機(jī)理，并給出了上拔極限承載力計(jì)算公式。根據(jù)CEI、IEC1773[18]，建議選用雙切線交法確定基礎(chǔ)上拔極限承載力。2011年崔強(qiáng)、魯先龍[19]等基于“m”法，對水平荷載作用下加翼掏挖基礎(chǔ)承載特性進(jìn)行分析，推導(dǎo)了水平荷載作用下加翼掏挖基礎(chǔ)水平位移及基礎(chǔ)內(nèi)力彎矩計(jì)算公式，并以某220 kV線路工程塔位加翼掏挖基礎(chǔ)為例，分析了翼板的設(shè)置深度、尺寸并對其進(jìn)行了優(yōu)化。2012年[20]王運(yùn)華等通過現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，對掏挖基礎(chǔ)抗拔，抗傾覆性能進(jìn)行了研究。同年楊劍，高玉峰[21]等通過數(shù)值模擬，研究了0°-40°傾斜荷載作用下直掏挖基礎(chǔ)的承載特性和內(nèi)力分布，結(jié)果表明在荷載傾角小于10°時(shí)，曲線趨勢基本相同；當(dāng)荷載傾角大于10°時(shí)，隨著傾角的增大，曲線拐點(diǎn)越發(fā)明顯，說明基礎(chǔ)承載力隨之減少，基礎(chǔ)位移隨之增大。2013年魯先龍[22]等基于18個(gè)試驗(yàn)場地，共計(jì)87組試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，對現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算方法進(jìn)行了修訂，進(jìn)一步完善了掏挖基礎(chǔ)上拔極限承載力計(jì)算公式。

3.2　斜掏挖基礎(chǔ)

人工斜掏挖原狀土基礎(chǔ)具有主角鋼斜插式基礎(chǔ)水平作用力和彎矩小的優(yōu)點(diǎn)。因此，在適宜的土質(zhì)條件下，如覆蓋層較厚的硬、可塑黏性土中采用人工斜掏挖原狀土基礎(chǔ)，可提高基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性，因而具有良好的推廣應(yīng)用前景，但目前其設(shè)計(jì)與工程經(jīng)驗(yàn)尚不成熟，仍存在著理論和實(shí)踐難題。

2008年楊劍[23]等人通過數(shù)值模擬分析，來研究輸電桿塔線路斜掏挖式基礎(chǔ)受水平荷載時(shí)的一些特性，繪制荷載-撓度曲線與荷載-位移關(guān)系曲線，并得出在水平荷載作用下，負(fù)斜掏挖基礎(chǔ)可以提供更大的抗力，這點(diǎn)要比直掏挖與正斜掏挖更好，原因是其基礎(chǔ)形式而使基礎(chǔ)上水平荷載的分量向下壓縮樁周土，滑移面向下?lián)锨?，?dǎo)致側(cè)向撓度較高的抗力；在負(fù)斜掏挖基礎(chǔ)，直掏挖基礎(chǔ)與正斜掏挖基礎(chǔ)中，負(fù)斜掏挖基礎(chǔ)樁身中部的最大彎矩最小。2013年陳躍科[24]依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，探討了直掏斜插式掏挖基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，并通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化出最經(jīng)濟(jì)的直掏斜插式掏挖基礎(chǔ)尺寸，同時(shí)就其經(jīng)濟(jì)性與普通直掏挖基礎(chǔ)進(jìn)行了對比，前者造價(jià)減少18%。

4樁基礎(chǔ)

樁基有著出色的結(jié)構(gòu)形式和承載效果，作為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)模式，樁基礎(chǔ)仍然是輸電線路所選擇的一種重要基礎(chǔ)形式，如圖6所示。

圖6　樁基礎(chǔ)

隨著輸電桿塔的“高，大，深”的變化，樁基礎(chǔ)的形式也與時(shí)俱進(jìn)，樁基礎(chǔ)一般適用于土質(zhì)條件為流塑、地基持力層較深且基礎(chǔ)作用力較大的耐張塔或直線塔，施工方便，安全可靠[25]。顧國鋒、趙春風(fēng)[26]等對砂土中組合加載下的模型樁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了單樁模式下的組合荷載的荷載-位移曲線規(guī)律，單樁極限承載力規(guī)律等。2010年王俊林[27]等將試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合，分析了水平荷載下擴(kuò)底樁的工作和破壞機(jī)理。2011年文松霖與王孝兵[28]等人基于有限元與荷載傳遞相結(jié)合方法，研究了傾斜荷載下大直徑長樁的承載力破壞包絡(luò)面。采用軟件FLAC3D進(jìn)行建模計(jì)算，把傾斜荷載分為橫向分量和軸向分量施加到樁身頂端。通過推導(dǎo)的承載力的大小得出結(jié)論，傾斜角度不同，傾斜加載下樁的破壞機(jī)理不同；并推導(dǎo)了豎直和水平荷載作用下樁的承載力屈服包絡(luò)面表達(dá)式。2012年逯海[29]將擴(kuò)底樁與等直徑樁進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)底樁樁端承載力比同直徑樁端承載力要??；基礎(chǔ)的沉降量隨著擴(kuò)底端的增大而增大；隨著擴(kuò)徑比D/d的增大，荷載由樁頂傳遞到樁底的比例也增大，但比例值卻逐漸減小。2004年劉文白[30]等人通過現(xiàn)場試驗(yàn)，并且結(jié)合PFC2D程序數(shù)值模擬，應(yīng)用顆粒流理論，研究黃土中擴(kuò)底樁上拔荷載的承受能力與承受上拔作用時(shí)的位移，極限上拔承載力和破壞機(jī)理，并推導(dǎo)出樁的極限上拔承載力計(jì)算式。同年文松霖[31]通過試驗(yàn)的現(xiàn)象及結(jié)果來分析和探討，對樁在受到不同組合荷載時(shí)承載力的抵抗機(jī)理與破壞包絡(luò)線的特性有了初步的了解，并著重于研究樁在受到不同組合荷載時(shí)的承載力的抵抗機(jī)理與破壞包絡(luò)線的特性。2006年張棟梁等人[32-34]通過試驗(yàn)為數(shù)值模擬比較了擴(kuò)底樁與等截面抗拔樁在軟土地區(qū)中的抗拔機(jī)理與抗浮特點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論，推導(dǎo)了擴(kuò)底樁的抗拔承載力計(jì)算方法。

可以看出，對于樁基礎(chǔ)型式，其抗壓極限承載力公式及變形計(jì)算方法都已發(fā)展的較為成熟，目前的研究主要集中在抗拔極限承載力部分，而且架空輸電線路所采用的樁基礎(chǔ)形式以擴(kuò)底樁為主。

5螺旋錨基礎(chǔ)

螺旋錨基礎(chǔ)簡稱螺旋錨，如圖7所示，是一種利用深層土體抗力的錨固結(jié)構(gòu)，由一片或多片螺旋板等間距焊接在長螺桿或鋼桿上，通過機(jī)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(chǔ)具有良好的雙向抗壓和抗拉性能。

圖7　輸電桿塔螺旋錨基礎(chǔ)仿真圖

由于研究條件的限制、研究經(jīng)費(fèi)的制約以及研究結(jié)果和技術(shù)儲(chǔ)備相對不足，有關(guān)螺旋錨的試驗(yàn)和理論研究非常有限。目前多層螺旋錨基礎(chǔ)的極限抗拔力的確定和設(shè)計(jì)主要是以單錨片錨板為基礎(chǔ)的。郭方勝[35-36]通過室內(nèi)螺旋錨上拔模型試驗(yàn)，探討了垂直和傾斜單節(jié)螺旋錨在砂土和粉土中的埋置深度、錨板直徑和傾斜角度對土體破壞模式和錨板上拔承載力的影響。付倩等[37]對砂土中兩片螺旋錨進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了錨板埋深和錨片間距對上拔承載力的影響。王杰等[38，39]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了砂土中多層螺旋錨錨片埋深及間距對極限上拔承載力的影響。

國家電網(wǎng)公司總結(jié)了近十年遼寧丹東、營口、盤錦等地大量開展的架空輸電線路螺旋錨基礎(chǔ)試驗(yàn)研究和工程實(shí)際應(yīng)用成果，在2011年發(fā)布了《架空輸電線路螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范中給出了三種錨片上拔承載力計(jì)算方法，并提供了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。但設(shè)計(jì)理論中仍包含很多經(jīng)驗(yàn)處理方法，對變形模式和承載特性還缺乏合理的理論解釋，設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用不夠細(xì)致，公式中包含經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或通過有限試驗(yàn)擬合確定的參數(shù)；并且規(guī)范中三種方法適用性有交疊的部分，采用哪種方法更為合適，錨片間距對上拔破壞模式及承載力有何影響，如何設(shè)計(jì)錨片間距，如何解釋砂土臨界埋深現(xiàn)象，如何確定其臨界埋深等問題都有待于進(jìn)一步的研究。

螺旋錨基礎(chǔ)目前還是一種新型基礎(chǔ)型式，設(shè)計(jì)理論和方法還需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)、完善和改進(jìn)。對不同土質(zhì)條件下多層螺旋錨上拔承載特性需要更深入的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

6復(fù)合基礎(chǔ)

在幾十年前，復(fù)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際的工程之中。隨著在不同土質(zhì)工況下對基礎(chǔ)穩(wěn)固性要求的不斷提高，復(fù)合基礎(chǔ)的思想逐漸應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。

6.1　復(fù)合式小樁基礎(chǔ)

復(fù)合式小樁基礎(chǔ)，也稱為微型樁。在軟弱地基線路工程建設(shè)中，國內(nèi)已經(jīng)開始研究和應(yīng)用微型樁來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大直徑灌注樁基礎(chǔ)，微型樁具有施工速度快、作業(yè)面小、承載力高以及沉降小等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于舊建筑物的加層、處理已發(fā)生或防止可能發(fā)生的不均勻沉降、古建筑物保護(hù)、邊坡穩(wěn)定、深基坑支護(hù)以及大型擋土墻等領(lǐng)域。近年來微型樁已開始在在輸電線路桿塔基礎(chǔ)中進(jìn)行應(yīng)用，通常將小樁做成直樁與斜樁呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)布置，如圖8所示。

圖8　復(fù)合式小樁基礎(chǔ)[38]

關(guān)于微型樁的研究目前并不多，蘇榮臻[40]等人針對微型樁基礎(chǔ)先后進(jìn)行了上拔和水平承載力現(xiàn)場真型試驗(yàn)，認(rèn)為微型樁應(yīng)保證二次注漿工藝，并且抗拔承載力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮二次注漿效應(yīng)，同時(shí)提出群樁設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)考慮增加邊樁和角樁的樁長，可同時(shí)布置斜樁提高水平承載力，斜樁傾角采用10°為宜。

可以說，復(fù)合式小樁基礎(chǔ)具有造價(jià)低，施工機(jī)具輕便簡單，具有廣泛的應(yīng)用前景。在滿足桿塔基礎(chǔ)沉降和穩(wěn)定性的前提下，研究如何達(dá)到施工安全、方便、工期短，同時(shí)發(fā)揮基礎(chǔ)占地面積小，造價(jià)合理等優(yōu)點(diǎn)就顯得非常有意義。

6.2　復(fù)合式板樁基礎(chǔ)

復(fù)合式板樁基礎(chǔ)是在大板的底面布置多個(gè)微型樁，從而形成的一種新型復(fù)合式基礎(chǔ)形式。

2011年楊泰華、張華[41]等針對葛洲壩水利樞紐至武昌500kV輸電線路輸電塔塔基改造中出現(xiàn)的問題，以ZB41型桿塔為原型，利用室內(nèi)制作的模型裝置對大板基礎(chǔ)和大板+微型樁(板樁)基礎(chǔ)兩種形式的桿塔塔基承載性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：對于在地表存有較厚淤泥層的粉質(zhì)黏土土質(zhì)情況下，大板基礎(chǔ)和板樁基礎(chǔ)的地基豎向承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而板樁基礎(chǔ)的抗水平承載力是大板基礎(chǔ)抗水平承載力的3倍多。2012年劉振平、白世偉[42]等人對樁板基礎(chǔ)進(jìn)行了現(xiàn)場堆載、上拔力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，樁板基礎(chǔ)具有良好的抗壓、抗拔能力，能較好的滿足工程需要，并通過數(shù)值模擬，模擬了樁板基礎(chǔ)承受上拔荷載時(shí)的承載力特性，與繪制了加卸載-沉降關(guān)系曲線。對比試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了樁板基礎(chǔ)具有良好的抗拔、抗壓能力。2012年舒前進(jìn)、袁光林[43]等人以某地采煤沉陷區(qū)的輸電鐵塔及其防護(hù)板基礎(chǔ)為例，研究了不同厚度復(fù)合防護(hù)板基礎(chǔ)的抗采動(dòng)變形性能。研究表明，采用復(fù)合型防護(hù)板基礎(chǔ)后，與普通的獨(dú)立基礎(chǔ)相比，明顯減少鐵塔支座的水平位移及上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并且通過數(shù)值模擬得出：支座位移與結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著復(fù)合大板厚度的增大而減小，其減小幅度隨著板厚的增加而減緩，當(dāng)板厚達(dá)到一定數(shù)值以后幾乎不在減小。2013年劉海[44]結(jié)合國內(nèi)在筏型基礎(chǔ)的研究成果，采用數(shù)值模擬方法，對長短樁-筏板基礎(chǔ)在承受豎向荷載時(shí)的受力性狀展開研究。

目前，部分關(guān)于復(fù)合式板樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，僅考慮上部荷載全部由樁來承擔(dān)，這種設(shè)計(jì)方法偏于保守，且忽略了板樁聯(lián)合作用的本質(zhì)。在后期的相關(guān)研究中應(yīng)進(jìn)一步考慮樁間土作用，在滿足沉降量要求下，適當(dāng)提高樁土之間的承載力分配比例。

7前景

可以看出，經(jīng)過眾多研究工作者的不懈努力，通過大量理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段，我國針對輸電桿塔基礎(chǔ)方面的研究已取得很大的進(jìn)展。尤其是針對各類基礎(chǔ)的承受上拔荷載或下壓荷載時(shí)的承載力特性，基礎(chǔ)的受力機(jī)理與周遭土體的破壞模式等方面，并且針對各類型土體，不同工況條件下的施工工藝水平，也有了長足的進(jìn)步；但是仍然有一些設(shè)計(jì)及工程問題需要我們進(jìn)一步解決和完善。

(1)輸電桿塔由于行業(yè)特性，現(xiàn)實(shí)中所受到的加載相對復(fù)雜，輸電塔除了要承受自身的重力荷載，塔線引起的水平荷載，還要考慮由風(fēng)、覆冰等外力因素所產(chǎn)生的短期影響。這些荷載最終由塔身傳到輸電塔基礎(chǔ)，導(dǎo)致輸電桿塔基礎(chǔ)需同時(shí)承受豎直、水平和力矩荷載的共同作用，這種共同加載的模式稱為復(fù)合加載。在理論、試驗(yàn)或數(shù)值模擬等研究領(lǐng)域中，針對此類加載模式在輸電塔基礎(chǔ)上的研究卻寥寥可數(shù)，只是集中在單獨(dú)上拔荷載、水平荷載或力矩荷載這些范圍內(nèi)，致使研究對象稀少，研究結(jié)論與實(shí)際工程需要相差太多。

(2)許多理論與數(shù)值研究都是建立在假設(shè)為飽和土體的基礎(chǔ)之上，而實(shí)際工程中會(huì)更多的涉及到非飽和土體，如黃土、膨脹土等，但是目前針對非飽和土體的研究仍處于起步階段，也是成為阻礙研究輸電桿塔地基在非飽和土體中的承載力特性的一大問題。

(3)隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，我國對輸電線路電壓等級(jí)、送電距離要求也越來越高。隨著對基礎(chǔ)工程學(xué)科的進(jìn)一步研究，把研究成果更好的應(yīng)用在輸電塔的基礎(chǔ)施工中是當(dāng)今輸電工程的一大要求，做到“因地制宜”的選擇基礎(chǔ)形式、延長基礎(chǔ)壽命、最大限度的提高基礎(chǔ)的承載能力，并且同時(shí)還要達(dá)到減少土方開挖量，節(jié)約鋼筋與混凝土用量，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)等預(yù)期效果，這些要求也是目前輸電線路基礎(chǔ)研究的重要課題。

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Comparison and Applicability Analysis for Foundation Types of Transmission Tower in China

CHEN Rong1，GAO Yu-cong1，MENG Xian-bin2,HAO Dong-xue1

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Northeast Electric Power Design Institute,Changchun 130021)

Abstract：There are lots of types of transmission tower foundation in China，mainly because of vast territory，more kinds of soil and rock，and complex geological conditions.In decades，great achievement was already got in research about overhead transmission foundation.Based on the demand of loading characteristic，building cost of projects and environmental protection，many kinds of foundation was already researched.This paper gathered together the findings of scholars，mainly aim at the different type of transmission tower foundation were classified elaborate，given the lack of research status of more kinds of foundations in the areas of theory，experiment and numerical simulation，meanwhile evaluated the applicability，and subsequent research prospected.

Key words：Foundation of transmission tower；Theoretical research；Model test；Numerical analysis；Bearing capacity behavior

中圖分類號(hào)：TU432

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2015)06-0077-09

作者簡介：陳榕(1979-)，男，遼寧省沈陽市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向：加筋土特性及地基承載力.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51409045，51308095，51278091)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (20130522068JH)

收稿日期：2015-09-12