王強(qiáng)（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410000）

掏挖基礎(chǔ)保護(hù)范圍優(yōu)化研究

王強(qiáng)（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)形勢的迅速發(fā)展，人們對電能的需求日益增加，輸電線路作為整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要一環(huán)，受到了越來越多的重視。桿塔基礎(chǔ)方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到線路的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對桿塔基礎(chǔ)開展設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面的研究，對保障線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)環(huán)保都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著人們對自然環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，對輸電線路基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得日益重要，因此，線路基礎(chǔ)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮基礎(chǔ)本體優(yōu)化的前提下，應(yīng)在最大限度減少土石方量、維持塔位上下邊坡及基礎(chǔ)自身的穩(wěn)定性、施工余土的合理堆放等方面進(jìn)行。掏挖基礎(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)，利用天然土組成的抗撥土體和基礎(chǔ)自身重量之間的相互作用，從而使基礎(chǔ)的上撥穩(wěn)定得以保持，它利用自然原狀土自身的土體強(qiáng)度，不但具有較好的抗撥性能．同時(shí)能承受一定的水平力。掏挖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，既能降低基礎(chǔ)自身的鋼筋重量和混凝土的方量，還能減少基坑開挖的土石方量?；娱_挖過程中保證了自然土體的完成性，澆筑時(shí)不需要模板進(jìn)行固定，施工方便。此外，掏挖基礎(chǔ)還可減少對自然環(huán)境的破壞，有利于減少水土流失和環(huán)境保護(hù)。

經(jīng)濟(jì)合理；掏挖基礎(chǔ)；環(huán)境保護(hù)

1 研究背景及意義

隨著近年來環(huán)境保護(hù)要求越來越高，山區(qū)輸電線路廣泛采用了全方位高低塔腿配合不等高基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。而對于加高基礎(chǔ)來說，基礎(chǔ)的加高值是由基礎(chǔ)保護(hù)范圍與地形來決定的，如果基礎(chǔ)保護(hù)范圍取值偏保守，則會(huì)進(jìn)一步造成基礎(chǔ)加高值增加，從而增加了工程造價(jià)。因此，確定合理的基礎(chǔ)保護(hù)范圍是使輸電線路工程造價(jià)合理的關(guān)鍵因素。

掏挖式基礎(chǔ)作為國內(nèi)推廣較早的基礎(chǔ)型式，是一種利用原狀土工程特性抵抗上拔力的基礎(chǔ)型式，但其抗拔承載能力的計(jì)算公式為半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，因此規(guī)范未直接給出掏挖基礎(chǔ)的保護(hù)范圍概念。這就使得工程設(shè)計(jì)人員對掏挖基礎(chǔ)的保護(hù)范圍難以定奪，通常為工程安全考慮偏保守取值，從而造成了浪費(fèi)。

另一方面，在我院開展其他省市地區(qū)輸電線路工程設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)很多省份甚至不考慮保護(hù)范圍的概念，對加高值統(tǒng)一取基礎(chǔ)自然外露值，并在設(shè)計(jì)審查中多次提出我院設(shè)計(jì)的掏挖基礎(chǔ)埋深太深，而我設(shè)計(jì)人員對此沒有反駁的依據(jù)，因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)的專題研究，有時(shí)不得不被迫更改設(shè)計(jì)方案，造成了人力的浪費(fèi)。

輸電線路所經(jīng)區(qū)域各式各樣，地形也千差萬別，當(dāng)鐵塔處于有斜度的山坡或梯田等有臺階的地方，鐵塔的各塔腿就會(huì)出現(xiàn)高差，通常我們會(huì)用長短腿來平衡此高差，長短腿在鐵塔的任何方向都可以隨意連接。目前我們設(shè)計(jì)的塔腿級差為1.0m。我們一方面可以采用主柱露出地面，另一方面塔腿級差可縮短為1.0m，長短腿的鼉太差值也可以擴(kuò)大，來平衡地面不等級的高差，做到不開方或少開方。設(shè)計(jì)桿塔時(shí)，應(yīng)考慮在桿塔位于陡峭山頂控制鐵塔的正側(cè)面根開，減少施工基面開方量．對于坡度較大的地形，塔腿長短腿已用到最大高差，仍不能平衡地面高差時(shí)，可采用長腿對應(yīng)基礎(chǔ)主柱升高的辦法來平衡過多的高差，必要時(shí)可做特殊基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)無法滿足或其他具體因素主柱不宜升高時(shí)，可對短腿所在基面做適當(dāng)開方。綜上，進(jìn)行掏挖基礎(chǔ)的保護(hù)范圍優(yōu)化研究工作對降低工程造價(jià)和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量具有積極意義。

2 剪切法計(jì)算參數(shù)A1和A2理論研究

由于輸電線路的特殊性，在進(jìn)行桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是抗拔穩(wěn)定計(jì)算。一般而言，主要有“剪切法”和“土重法”，其中“剪切法”的抗拔承載力由兩部分組成，一部分是基礎(chǔ)自重，另一部分是土體的破裂面產(chǎn)生的剪切阻力的豎向分量組成?！凹羟蟹ā币?yàn)榭紤]了土壤自身的承載力而比“土重法”合理。

但在具體實(shí)踐中，遇到土質(zhì)情況較好，基礎(chǔ)作用力大（大荷載），我們按照《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中“剪切法”計(jì)算掏挖基礎(chǔ)時(shí)，其計(jì)算出來的基礎(chǔ)尺寸比按“土重法”計(jì)算出來的還要大，造成這種不正?，F(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因就是剪切法計(jì)算無因次系數(shù)A1和A2的取值問題。

圖1 土微元體的應(yīng)力

圖2 土微元體的應(yīng)力狀態(tài)和滑移線

2.1 計(jì)算參數(shù)A1和A2的理論公式

2.1.1 極限平衡狀態(tài)滑裂面應(yīng)力基本方程

假設(shè)極限平衡狀態(tài)下抗拔土體滑動(dòng)面為一旋轉(zhuǎn)曲面，滑動(dòng)面上微分六面體的應(yīng)力關(guān)系可近似簡化為如上圖所示的二維應(yīng)力狀態(tài)。按照彈性力學(xué)理論，當(dāng)只考慮土體重力時(shí)，土微元體靜力平衡基本方程為：

式中：σx、σy和τxy為微單元體相應(yīng)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，γ為土體容重。

按Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，土體滑動(dòng)面上任意一點(diǎn)應(yīng)力可用圖所示極限Mohr圓表示（見圖3～4）。

通過計(jì)算得到：

上式是輸電線路原狀土基礎(chǔ)上拔極限平衡狀態(tài)時(shí)滑動(dòng)面應(yīng)力分布基本方程式。

圖3 土體極限平衡狀態(tài)Mohr圓表示法

圖4 抗拔土體“計(jì)算剪切面”

2.1.2 土體破裂面方程確定

《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》認(rèn)為，由于基礎(chǔ)底板上方土體的“推擠”作用，抗拔土體處于被動(dòng)朗肯土壓力狀態(tài)，并建立了土體極限抗拔承載力“計(jì)算剪切面”。

《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》認(rèn)為該“計(jì)算剪切面”是圖中沿滑移線Sβ的連續(xù)滑動(dòng)微面形成，形狀為一向外彎曲的半徑為r隨H/D增大而減小的圓弧曲面，其形狀由下列參數(shù)確定：

式中：r為圓弧曲面半徑，α表示半徑r隨H/D而變化的特征；n為隨土體的物理特性而異的系數(shù)，對砂土n=2、粘性土n=3～4、粉土n=1.5，為建立計(jì)算公式時(shí)簡化起見，均取n=2；α1為圓弧曲面在水平地面處與水平面夾角；α2為圓弧曲面在底板處與水平面夾角。

2.1.3 滑裂面極限抗拔承載力計(jì)算

根據(jù)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和極限應(yīng)力Mohr圓，土體處于極限平衡時(shí)滑動(dòng)面上的有效剪應(yīng)力可表示為：

τn=（σm+c·cotφ）·cosφ·sinφ

通過計(jì)算及《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》通用公式確定的A1和A2《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》關(guān)于“剪切法”的條文說明中給出了由剪切阻力構(gòu)成的基礎(chǔ)土體極限抗拔承載力通用計(jì)算公式，將式代入并化簡后得到對應(yīng)的A1和A2的表達(dá)式：

2.2 不同計(jì)算方法的A1和A2的對比分析

雖然本專題報(bào)告的抗拔土體的極限承載的理論公式和無因次計(jì)算參數(shù)A1和A2的表達(dá)式與DL/T5219-2005中確定的通用公式中A1和A2的表現(xiàn)形式不同。但以相同情況（例如：土壤情況、基礎(chǔ)大小、埋深）設(shè)計(jì)參數(shù)為依據(jù)，以本文所得出的理論公式與DL/T5219-2005中通用公式采用特定的計(jì)算軟件和手算進(jìn)行計(jì)算，得出以下結(jié)論：φ和H/D相同時(shí)，無因次系數(shù)A1和A2的理論值和DL/T5219-2005中通用計(jì)算公式所確定的A1和A2計(jì)算值是相同的。

我們拿理論值同曲線圖值進(jìn)行對比，從中可以得出：

（1）無因次系數(shù)A1理論值和DL/T5219-2005查曲線圖所確定的值相差很大，理論值大于查曲線圖得到的結(jié)果。當(dāng)H/D一定時(shí)，A1隨φ增大而增大，與DL/T5219-2005中查曲線圖中曲線變化趨勢相反。

（2）當(dāng)φ≤20°時(shí)，無因次系數(shù)A2理論值和查曲線圖所得結(jié)果接近，考慮到制圖及查圖誤差，可近似認(rèn)為兩者相等。但當(dāng)φ＞20°時(shí)，理論值和查圖值存在很大的差異，查圖值大于理論值。

3 理論結(jié)果與試驗(yàn)值對比

在驗(yàn)證理論公式時(shí)，我們采用其他經(jīng)過論證過的文獻(xiàn)中有關(guān)掏挖基礎(chǔ)的試驗(yàn)值來進(jìn)行對比。從對比出來的結(jié)果可以看出，本論文計(jì)算出來的原狀土抗拔承載力與試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一性比較合適，在工程設(shè)計(jì)中完全可以采用。

表1 無因次系數(shù)A1和A2理論值與規(guī)范曲線圖值對比分析

圖5 計(jì)算算例的計(jì)算結(jié)果

表2 基礎(chǔ)極限承載力的理論值和試驗(yàn)值對比

4 結(jié)論

通過以上內(nèi)容可以看出，掏挖基礎(chǔ)是現(xiàn)今國內(nèi)送電線路基礎(chǔ)中普遍采用的基礎(chǔ)型式，由其基本直掏挖基礎(chǔ)衍生而來的各類掏挖基礎(chǔ)也多種多樣，適應(yīng)于不同類型的地質(zhì)條件。

掏挖式基礎(chǔ)與傳統(tǒng)的大開挖柔性板式基礎(chǔ)比較，土石方開挖工程量、混凝土填筑工程量和鋼筋用量均可節(jié)省許多。掏挖基礎(chǔ)具有減小基礎(chǔ)變形、降低工程造價(jià)、減少對原地貌及植被的破壞、便于施工等優(yōu)點(diǎn)。

由此可見，掏挖基礎(chǔ)是一種及經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的基礎(chǔ)。致力于掏挖基礎(chǔ)的創(chuàng)新性研究，并將大量研究成果應(yīng)用于工程中，將會(huì)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5219-2005）.

TM769

A

2095-2066（2016）30-0043-03

2016-10-10

王強(qiáng)（1982-），男，工程師，本科，主要從事輸變電設(shè)計(jì)工作。