750 kV輸電線路戈壁碎石土地基直柱掏挖基礎(chǔ)試驗

李永祥，張 西，周吉安

（1.甘肅省電力設(shè)計院，蘭州市，730050；2.甘肅省電力公司，蘭州市，730050）

0 引言

桿塔基礎(chǔ)作為輸變電工程的重要組成部分，對造價、工期具有重要的影響，是電網(wǎng)長期安全運行的重要保障，也是輸電線路工程建設(shè)中環(huán)境保護(hù)的重要方面[1-3]。近年來，我國西北地區(qū)的輸電線路建設(shè)步伐加快，覆蓋陜、甘、青、寧、新5?。▍^(qū)）的750 kV骨干網(wǎng)架正得到規(guī)劃與建設(shè)，戈壁碎石土地基是該地區(qū)的典型地質(zhì)條件。因此，戈壁碎石土地基輸電線路桿塔基礎(chǔ)的選型和設(shè)計是該地區(qū)750 kV骨干網(wǎng)架建設(shè)的重要研究課題。

1 戈壁碎石土地基直柱掏挖基礎(chǔ)應(yīng)用

戈壁碎石土地基的膠結(jié)性強(qiáng)，與普通碎石土相比，原狀戈壁碎石土地基具有較強(qiáng)的膠結(jié)性能，抗剪強(qiáng)度高，而當(dāng)其大開挖擾動后原有的膠結(jié)性能將會完全喪失。過去，在該類地基條件下的輸電線路建設(shè)中，桿塔基礎(chǔ)多采用開挖回填式的鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)，其缺陷主要包括2方面：（1）不能充分利用戈壁地區(qū)原狀碎石土良好的膠結(jié)性能和抗剪強(qiáng)度；（2）其開挖與回填施工土石方量大，且回填土體質(zhì)量難以控制，地表環(huán)境嚴(yán)重破壞，基礎(chǔ)存在安全隱患。

為充分利用原狀碎石土的膠結(jié)性能和抗剪強(qiáng)度，掏挖原狀土基礎(chǔ)將是該工程的首選。掏挖基礎(chǔ)是指以混凝土和鋼筋骨架灌注于機(jī)械或人工掏挖成型的土胎內(nèi)的基礎(chǔ)，既充分利用了原狀土的承載能力，又避免了施工過程的大開挖，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益[4-7]。

當(dāng)前，輸電線路工程中常用的掏挖擴(kuò)底基礎(chǔ)和直柱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。我國已經(jīng)對戈壁灘碎石土地基開展了如圖1（a）所示的常規(guī)掏挖擴(kuò)底基礎(chǔ)現(xiàn)場試驗研究工作，提出了掏挖基礎(chǔ)在該地質(zhì)條件下的適用性及其承載力計算方法[4-7]。但是，工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，圖1（a）所示的常規(guī)掏挖擴(kuò)底基礎(chǔ)的掏挖擴(kuò)底部分既是施工危險部位，又明顯增加了基礎(chǔ)混凝土用量。為此，提出了在戈壁碎石土原狀土地基應(yīng)用如圖1（b）所示的直柱式掏挖基礎(chǔ)型式，并通過現(xiàn)場施工和試驗研究其承載性能，分析其在河西戈壁地區(qū)750 kV輸電線路工程中應(yīng)用的可行性，提出相應(yīng)的設(shè)計計算方法和參數(shù)，從而為其在戈壁碎石土地基輸電線路中的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2 試驗場地條件

根據(jù)河西地區(qū)750 kV輸電線路工程沿線戈壁灘碎石土地基的分布情況，選擇具有典型代表性的3個試驗場地[8]。

Ⅰ號試驗場地位于甘肅省張掖市的高臺縣境內(nèi)，已建成投運的330 kV張嘉Ⅰ回線路173號塔位附近。該試驗點地貌單元屬山前沖洪積扇，地層結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)，主要為碎石。

Ⅱ號試驗場地位于甘肅省張掖市的山丹縣境內(nèi)，已建成投運的330 kV金山Ⅰ回線路193號塔位附近。該試驗點地貌單元屬山前沖洪積平原，地層結(jié)構(gòu)為2層結(jié)構(gòu)，上覆黃土狀粉土，下覆卵石。

Ⅲ號試驗場地位于甘肅省金昌市的金川區(qū)境內(nèi)，正在建設(shè)的750 kV金昌變電站附近的戈壁荒灘。該試驗點地貌單元屬山前沖洪積平原，地層結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)，主要為卵石。

3個場地碎石與卵石均為青灰色，稍密—中密，粒徑一般為2～20 cm；顆粒級配一般，充填中粗砂、角礫占20%～35%，混零星塊石和少量粘性土，主要成分為砂巖、花崗巖和變質(zhì)巖顆粒，厚度大于10 m，水平層理明顯。

3 試驗方案

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計與施工

3個試驗場地共進(jìn)行了12個直柱式掏挖基礎(chǔ)的試驗，基礎(chǔ)編號與尺寸如表1所示，其中基礎(chǔ)編號中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表試驗場地編號。

表1 試驗基礎(chǔ)尺寸Tab.1 Size of testing foundation

現(xiàn)場掏挖施工過程表明，直柱掏挖基礎(chǔ)的成孔過程順利，坑壁穩(wěn)定，施工安全性高。

3.2 試驗方法

根據(jù)試驗場地特征與加載要求，設(shè)計上拔加載系統(tǒng)采用錨樁法，如圖2所示，且試驗反力支座位于基礎(chǔ)上拔影響土體范圍以外。

試驗加載采用慢速維持荷載法[9]，試驗前以基礎(chǔ)預(yù)計極限抗拔承載力的1/10為增量進(jìn)行荷載分級。試驗中等量加載，第1次施加的荷載值為分級荷載的2倍，試驗過程中實現(xiàn)荷載的自動恒載與補(bǔ)載。試驗過程中，通過儀器測取上拔荷載、上拔位移、基礎(chǔ)主筋應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 荷載-位移特性

不同試驗基礎(chǔ)荷載-位移曲線如圖3所示?，F(xiàn)場試驗表明，當(dāng)基礎(chǔ)埋深較淺時，試驗基礎(chǔ)的荷載-位移曲線為突變型，而當(dāng)基礎(chǔ)埋深較大時，試驗基礎(chǔ)的荷載-位移曲線為緩變型。

4.2 極限荷載

根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)范要求[9-11]，得到各基礎(chǔ)極限荷載如表2所示。

表2 極限荷載與位移Tab.2 Ultimate load and displacement

由表2可見，試驗基礎(chǔ)抗拔承載力高，滿足750 kV輸電線路鐵塔基礎(chǔ)上拔要求。

4.3 破壞模式與計算方法

在基礎(chǔ)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠的情況下，直柱掏挖基礎(chǔ)破壞的可能模式通常有2種：基礎(chǔ)從碎石土中抽出的抽出型破壞和基礎(chǔ)帶動周圍碎石土呈倒錐形拔起破壞，如圖4所示。根據(jù)現(xiàn)場試驗現(xiàn)象與測試結(jié)果，戈壁灘直柱式掏挖基礎(chǔ)的破壞模式均為倒錐形拔起破壞。

目前掏挖式直柱基礎(chǔ)的設(shè)計計算參照樁基的設(shè)計規(guī)范[10]進(jìn)行，以基礎(chǔ)極限側(cè)阻力乘以基礎(chǔ)側(cè)面積得到。盡管本次戈壁碎石土地基中直柱掏挖基礎(chǔ)試驗的破壞模式為基礎(chǔ)帶動周圍碎石土呈倒錐形拔起，未發(fā)生基礎(chǔ)側(cè)阻力不足的抽出破壞，但是為考慮工程的安全性和設(shè)計的適用性，根據(jù)基礎(chǔ)的極限抗拔承載力，反算得到基礎(chǔ)的平均等效極限側(cè)阻力，作為設(shè)計取值依據(jù)。平均等效極限側(cè)阻力按（1）式計算：

式中：q為平均等效極限側(cè)阻力，kPa；TE為極限抗拔承載力，kN；G為基礎(chǔ)自重，kN；U為基礎(chǔ)周長，m；h為基礎(chǔ)深度，m。根據(jù)式（1）求得各基礎(chǔ)平均等效極限側(cè)阻力，如表3所示。

表3 試驗基礎(chǔ)平均側(cè)阻力Tab.3 Average shaft resistance of testing foundations

由表3可見，埋深較淺的基礎(chǔ)，側(cè)阻力發(fā)揮不足，基礎(chǔ)埋深達(dá)到3 m以上，側(cè)阻力則得到較充分發(fā)揮；因此，為充分發(fā)揮碎石土地基的側(cè)阻力，建議直柱掏挖基礎(chǔ)埋深大于3 m。

將不同試驗場地等尺寸平行試驗基礎(chǔ)的平均等效極限側(cè)阻力進(jìn)行比較可以看出，戈壁灘典型碎石土的側(cè)阻力相近。不同基礎(chǔ)尺寸所對應(yīng)等效極限側(cè)阻力可作為工程設(shè)計參考。

根據(jù)Ⅲ號場地Ⅲ-3、Ⅲ-4與Ⅲ-5基礎(chǔ)的比較可以看出，小直徑基礎(chǔ)更有利于側(cè)阻力的充分發(fā)揮，最大平均等效極限側(cè)阻力可達(dá)到365 kPa。

5 結(jié)論

根據(jù)河西地區(qū)750 kV輸電線路建設(shè)現(xiàn)狀，對戈壁碎石土地基中直柱掏挖基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場靜載荷試驗研究。研究結(jié)果表明，戈壁灘碎石土中的直柱式掏挖基礎(chǔ)具有優(yōu)越的抗拔承載性能，滿足750 kV輸電線路鐵塔基礎(chǔ)上拔要求。根據(jù)試驗結(jié)果反算得到的平均等效極限側(cè)阻力顯示，不同試驗場地戈壁灘典型碎石土的側(cè)阻力相近，不同基礎(chǔ)尺寸所對應(yīng)等效極限側(cè)阻力可作為工程設(shè)計參考。埋深大于3 m的基礎(chǔ)側(cè)阻力發(fā)揮較為充分，建議戈壁灘碎石土地基直柱式掏挖基礎(chǔ)埋深大于3 m。小直徑基礎(chǔ)更有利于側(cè)阻力的充分發(fā)揮，最大平均等效極限側(cè)阻力可達(dá)到365 kPa。

[1]魯先龍，乾增珍.輸電線路基礎(chǔ)工程中的環(huán)境巖土問題及設(shè)計對策[J].武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，42（S）：253-256.

[2]Lu Xian-long，Cheng Yong-feng.Review and new development on transmission lines tower foundation in China[C].Paris：CIGRE 2008 Session，2008，8：B2-215.

[3]鄭衛(wèi)鋒，楊建明，魯先龍，等.750 kV同塔雙回緊湊型輸電線路桿塔基礎(chǔ)的選型研究[J].電力建設(shè)，2009，30（4）：22-24.

[4]劉生奎，李永祥.掏挖基礎(chǔ)在西北戈壁地區(qū)的應(yīng)用探討[J].電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24（1）：46-49.

[5]李永祥.巖石嵌固式基礎(chǔ)在750 kV輸電線路中的應(yīng)用研究[J].電力建設(shè)，2009，30（6）：39-42.

[6]魯先龍，鄭衛(wèi)鋒，程永鋒，等.戈壁灘輸電線路碎石土地基全掏挖基礎(chǔ)試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2009，31（11）：1779-1783.

[7]丁士君，魯先龍，滕軍林.原狀土掏挖式基礎(chǔ)擴(kuò)底自立穩(wěn)定分析[J].電力建設(shè)，2009，35（5）：39-41.

[8]中國電力科學(xué)研究院.750 kV同塔雙回緊湊型輸電線路桿塔及基礎(chǔ)研究[R].北京：中國電力科學(xué)研究院，2008.

[9]DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定[S].北京：中國電力出版社，2005.

[10]JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[11]DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國電力出版社，2005.