鋼管樁基礎(chǔ)在軟土地基110kV鋼管桿輸電線路中的應(yīng)用

鐘維軍，羅玉鶴

（寧波市電力設(shè)計院有限公司，浙江 寧波 315021）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，架空輸電線路的走廊日趨緊張，城區(qū)難有適合鐵塔架設(shè)的線路走廊。鋼管桿線路由于走廊窄，占地面積小，造價相對電纜線路低，適合在空間走廊緊張的城市和城鄉(xiāng)結(jié)合地帶采用。節(jié)約占地面積是鋼管桿設(shè)計的重要內(nèi)容，其中鋼管桿基礎(chǔ)的設(shè)計尤為關(guān)鍵。

1 不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟比較

鋼管桿基礎(chǔ)可分為普通淺基礎(chǔ)、普通鉆孔樁基礎(chǔ)、鋼管樁基礎(chǔ)、樹根樁基礎(chǔ)等。本文基于寧波地區(qū)典型軟土地質(zhì)情況，以直線桿和30°轉(zhuǎn)角桿為例對不同基礎(chǔ)型式進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

1.1 地質(zhì)及基礎(chǔ)作用力情況

典型的軟土地質(zhì)，地下水位0.5 m，鋼管桿基礎(chǔ)作用力見表1，各層地質(zhì)情況見表2。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟比較

表1 鋼管桿基礎(chǔ)作用力

1.2.1 直線桿基礎(chǔ)型式

直線桿不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟比較見表3。從表3中可以看出，在軟土地質(zhì)情況下，直線桿的不同基礎(chǔ)型式中，鋼管樁基礎(chǔ)占地面積最小，綜合造價最低；普通淺基礎(chǔ)占地面積最大，綜合造價較灌注樁基礎(chǔ)??；其他類型的樁基礎(chǔ)型式占地面積均較大，綜合造價也相對較高。

1.2.2 轉(zhuǎn)角桿基礎(chǔ)型式

轉(zhuǎn)角桿基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟比較見表4。從表4不難看出，在軟土地質(zhì)情況下，30°轉(zhuǎn)角桿的不同基礎(chǔ)型式中，鋼管樁基礎(chǔ)占地面積最小，綜合造價最低；其他類型基礎(chǔ)型式占地面積均較大，綜合造價也相對較高。

表3 直線桿不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟比較

表430°轉(zhuǎn)角桿不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟比較

1.2.3 不同型式基礎(chǔ)的造價比較

綜合表3、表4，可以得到基礎(chǔ)型式與基礎(chǔ)造價的關(guān)系如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)型式與基礎(chǔ)造價的關(guān)系

從表3、表4和圖1可知：

（1）不管是直線桿還是30°轉(zhuǎn)角桿，鋼管樁基礎(chǔ)的占地面積明顯小于其他型式基礎(chǔ)的占地面積，樁基礎(chǔ)次之，普通淺基礎(chǔ)占地面積最大。

（2）在軟土地基上，鋼管樁基礎(chǔ)的造價最低，普通淺基礎(chǔ)造價次之，樁基礎(chǔ)最大。

1.3 本文采用的基礎(chǔ)型式

從以上比較分析可知，鋼管樁基礎(chǔ)能較好地滿足設(shè)計要求，且造價低、占地面積最小、施工周期短。鋼管桿線路都在道路兩側(cè)，也為運輸和吊裝提供了良好的外部條件，適合工程中的實際要求。因此，本文重點分析鋼管樁基礎(chǔ)。

2 鋼管樁的設(shè)計

2.1 鋼管樁基礎(chǔ)的特點

（1）占地小，約為普通基礎(chǔ)的4%，特別適用于城市輸電線路。

（2）強度大，承載力高，與上部桿塔結(jié)構(gòu)一致，便于施工安裝，工期短。

（3）對附近房屋、城市道路、市政設(shè)施及環(huán)保衛(wèi)生干擾較小，噪聲小，無污染。

（4）采用靜壓機械設(shè)備，避免了多人工、大挖方的原始施工，造價明顯降低。

2.2 鋼管樁基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定計算

鋼管樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)采用法蘭連接或插接，連接有保障，當(dāng)基礎(chǔ)埋深與基礎(chǔ)實際寬度之比不小于3時，可按電桿基礎(chǔ)的相關(guān)理論進行計算。鋼管樁基礎(chǔ)主要承受水平荷載和較大彎距，垂直荷載相對較小，因此在實際工程設(shè)計中一般都以傾覆穩(wěn)定作為鋼管樁基礎(chǔ)的控制條件。

一般的鋼管樁輸電線路設(shè)計都滿足電桿基礎(chǔ)的設(shè)計理論，因此本文按照電桿理論進行設(shè)計。鋼管樁基礎(chǔ)的極限傾覆力Sj和極限傾覆力矩Mj的計算都是假定土壤達到極限平衡狀態(tài)，通過土壓力的作用，使鋼管樁基礎(chǔ)保持受力平衡。

鋼管樁基礎(chǔ)除傾覆穩(wěn)定外，還必須滿足強度設(shè)計的要求，一般按壓彎構(gòu)件進行計算。

表2 地質(zhì)參數(shù)

2.3 鋼管樁的樁頂位移計算

由于寧波地區(qū)地質(zhì)情況較差，屬于典型的軟土地基，鋼管樁的樁頂位移成為鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計的控制條件之一。為了更好地控制樁頂?shù)乃轿灰?，在鋼管樁基礎(chǔ)的樁體上部澆筑了1塊混凝土塊，增大了基礎(chǔ)與軟土的接觸面積，可以有效減小鋼管樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移。鋼管樁基礎(chǔ)的水平位移比較見表5。

表5 鋼管樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移比較

為了驗證混凝土塊的有效性，采用有限元軟件模擬直線桿鋼管樁基礎(chǔ)實際受力情況，以校核鋼管樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移。

首先建立平面模型，通過單元擴展將平面模型擴展為實體模型，其下部和四周均采用固接，土壤采用半徑為5 m的圓模擬，土壤參數(shù)按實際情況輸入。鋼管樁采用梁單元模擬，樁與土壤用共用節(jié)點來實現(xiàn)共同變形。

樁周圍的土體為實體單元，有彈塑性，屬顆粒狀材料，受壓屈服強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受拉屈服強度，土體受剪時顆粒會膨脹。本次采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，能得到較為精確的結(jié)果。

根據(jù)有限元軟件計算結(jié)果，直線桿鋼管樁基礎(chǔ)樁頂未設(shè)置混凝土塊的樁頂水平位移為9.04 mm，設(shè)置混凝土塊的樁頂水平位移為5.0 mm。該計算結(jié)果與鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計的結(jié)果9.15 mm和5.25 mm比較接近，誤差僅為1.2%和5%，從而驗證了本次設(shè)計的正確性。

2.4 鋼管桿的預(yù)偏設(shè)計

由于轉(zhuǎn)角桿的受力特點，鋼管桿桿身在實際運行中將產(chǎn)生較大變形，因此施工時常采用預(yù)偏方式。采用鋼管樁基礎(chǔ)時，由于鋼管桿根部直接插入鋼管樁內(nèi)，可以通過三角楔鐵調(diào)整至鋼管桿設(shè)計所需桿頂位移（長期荷載工況下的桿頂位移），然后灌漿固定，施工相對簡單、直觀。當(dāng)采用灌注樁基礎(chǔ)時，鋼管桿根部采用法蘭連接，則需要把樁頂做成斜面以保證鋼管桿設(shè)計的預(yù)偏，施工較前者困難，且不直觀。

2.5 鋼管樁基礎(chǔ)材料的優(yōu)化

鋼管樁基礎(chǔ)的材料主要采用Q235，Q345，Q390等鋼材，不同材料的造價比較如表6所示。設(shè)計中，應(yīng)在滿足鋼管樁樁身強度設(shè)計要求的同時，盡可能降低鋼材使用量。

表6 不同材料鋼管樁造價的比較

從表6可知，鋼管樁基礎(chǔ)采用Q345鋼材時的造價明顯優(yōu)于Q235，主要是因為在滿足鋼管樁樁身強度要求時，Q235的屈服強度明顯低于Q345，同樣的鋼管樁壁厚不能滿足鋼管樁設(shè)計荷載的要求，使Q235的鋼管樁壁厚大于Q345，而Q235和Q345的市場單價相差無幾，從而導(dǎo)致采用Q235的鋼管樁基礎(chǔ)造價較高。

考慮到鋼管桿根部壁厚和鋼管樁易腐蝕的關(guān)系，一般情況下，鋼管樁的壁厚除滿足強度要求外，還不宜小于鋼管桿根部的壁厚。在這種設(shè)計條件下，一般鋼管樁采用普通鋼材就能滿足最小壁厚的要求，從表6可以看出 ，采用Q390鋼材的鋼管樁基礎(chǔ)的造價不但沒有降低，反而大大增加，這主要是因為Q390的市場單價明顯高于Q235和 Q345。

3 鋼管樁的施工

3.1 施工方案比較

目前在鋼管樁基礎(chǔ)的各種施工方案中，最常用的是機械鉆孔植樁法和靜壓植樁法。

（1）機械鉆孔植樁法：首先用鉆機在地面上鉆孔，達到設(shè)計深度后，將鋼管樁放入鉆好的孔中，再在樁內(nèi)外注漿加固。由于鋼管樁的樁徑相對較大，成孔時要做好護壁工作，防止孔壁塌陷。該方法在鉆孔時噪音較大，施工周期較長，費用較高，但因其適用性較廣，一般的地質(zhì)情況均能采用，因此在目前的輸電線路灌注樁基礎(chǔ)施工中經(jīng)常采用。

（2）靜壓植樁法：只需將表層土挖開，直接用靜壓機壓至設(shè)計深度。由于受靜壓機械的限制，一般不適用于貫穿厚度大于2 m的中密以上砂土夾層或中密以上的砂土持力層。

靜壓法施工原理：一般來說，采用靜壓樁工藝時要求地基土含水量較高，孔隙比較大，樁身在受垂直靜壓過程中對周圍土體進行排擠，使地基土發(fā)生側(cè)剪破壞，或先發(fā)生沿樁身土體的直接剪切破壞，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，擾動土體結(jié)構(gòu)，使樁周約一倍樁徑的土體抗剪強度降低，發(fā)生嚴(yán)重軟化（粘性土）或稠化（粉土、砂土），出現(xiàn)土的重塑現(xiàn)象，從而可連續(xù)地將靜壓樁送入很深的地基土層中。若遇砂層，超孔隙水壓力消散，則摩阻力增加，壓樁困難。

靜壓法具有靜壓樁震動小、噪聲小、場地小等特點，適合在市區(qū)及建筑群中施工。施工速度快，工期短；施工工藝簡捷、方便。施工費用省，土石方開挖量幾乎為零，對原狀土擾動小。最適用于軟土地基，不適用于貫穿厚度大于2 m的中密以上的砂土夾層或中密以上的砂土持力層。

3.2 不同施工方案的造價比較

以上2種施工方案的造價比較見表7。從表7可知，靜壓法造價明顯低于鉆孔植樁法，直線桿基礎(chǔ)造價下降約25%，轉(zhuǎn)角桿基礎(chǔ)造價下降約17%，可有效降低基礎(chǔ)本身的造價。

表7 不同施工工藝鋼管樁基礎(chǔ)的費用比較

在典型的軟土地基中，鋼管樁基礎(chǔ)的施工采用靜壓法有較大優(yōu)勢。

4 鋼管樁的補強

鋼管樁基礎(chǔ)在實際施工過程中，往往受到地質(zhì)條件不確定的影響，導(dǎo)致鋼管樁還未壓到設(shè)計需要長度就已經(jīng)不能繼續(xù)向下壓入，因此，樁長不夠，產(chǎn)生傾覆彎距不能滿足設(shè)計要求，且鋼管樁的抗傾覆能力與鋼管樁實際樁長的立方成正比，這就產(chǎn)生了很大的彎距差，給結(jié)構(gòu)的補強造成了很大困難。

一般電桿基礎(chǔ)的補強都采用設(shè)置卡盤的方式，由于鋼管樁基礎(chǔ)所受的彎距較大、樁長較長，在施工過程中安裝下卡盤也不現(xiàn)實，且工程量會大大增加。僅僅安裝上卡盤時，對整個鋼管樁基礎(chǔ)能夠起到一定的抗傾覆作用，但如果設(shè)計彎距與實際彎距相差較多，僅僅依靠上卡盤會使卡盤增大很多，造成工程量大大增加。這時可以在鋼管樁頂部采用混凝土套筒來增加基礎(chǔ)與軟土的接觸面積，滿足鋼管樁基礎(chǔ)的傾覆彎距要求。

5 結(jié)語

對寧波地區(qū)典型軟土地質(zhì)條件下鋼管桿各種基礎(chǔ)型式進行分析比較，從占地面積和經(jīng)濟指標(biāo)兩方面探討最經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)型式，分析表明了鋼管樁基礎(chǔ)的優(yōu)點，并對鋼管樁基礎(chǔ)的設(shè)計、施工、補強等進行了綜合闡述，表明了鋼管樁基礎(chǔ)良好的應(yīng)用前景。

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