單樁鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

王金英

摘要：本文主要剖析單樁鐵塔基礎(chǔ)的計(jì)算原理，剖析單樁鐵塔基礎(chǔ)的計(jì)算過程，及指出設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，以便在使以后的設(shè)計(jì)中更為準(zhǔn)確、快捷。

關(guān)鍵詞：鐵塔；單樁基礎(chǔ)；配筋計(jì)算分析

前言

近些年來，隨著供電電壓等級(jí)的不斷提高，鐵塔基礎(chǔ)承受外力越來越大，基礎(chǔ)體積、材料消耗、工程量也隨之增加。據(jù)有關(guān)資料介紹，輸電線路基礎(chǔ)施工工期約占整個(gè)工程一半時(shí)間?；A(chǔ)設(shè)計(jì)是線路工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中，鐵塔基礎(chǔ)的主要型式有灌注樁基礎(chǔ)、大開挖重力式基礎(chǔ)、山區(qū)地基?；A(chǔ)型式應(yīng)根據(jù)桿塔型式及其受力情況，沿線地形，工程地質(zhì)，水文以及施工、運(yùn)輸?shù)葪l件進(jìn)行綜合考慮確定。樁基礎(chǔ)樁型式應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型、荷載性質(zhì)、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層土類、地下水位、施工設(shè)備、施工環(huán)境、施工經(jīng)驗(yàn)、制樁材料供應(yīng)條件等，選擇經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的樁型和成樁工藝。

1.工程概況

擬建輸電線路工程起始于東營(yíng)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)康陽路東營(yíng)煙草配送中心附近的G14塔，線路總長(zhǎng)約13km，共設(shè)鐵塔87座，單座鐵塔荷載850×4kN，沿線周圍大部為開發(fā)區(qū)綠化帶，部分為荒地。擬建場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，地貌單元單一。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，擬建場(chǎng)地的穩(wěn)定性較好。110DSn-15為其中一座110KV傘形終端鐵塔，對(duì)應(yīng)的塔號(hào)為G96。鐵塔基本參數(shù)：基礎(chǔ)根開4650mm，螺栓間距300mm，地腳螺栓4M16，基礎(chǔ)作用力上拔力750KN，下壓力865KN，水平力91KN。

2.基礎(chǔ)選型

1）供電線路鐵塔主要承受上拔力和下壓力，其X-和Y-方向的水平力較小，一般不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響。

2）現(xiàn)在成樁機(jī)械較為普遍，施工快捷，避免大開挖對(duì)周圍環(huán)境及建筑物的影響，因而該鐵塔基礎(chǔ)選用單樁基礎(chǔ)，即采用一根樁（通常為大直徑樁）以承受和傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載的基礎(chǔ)。

3.基礎(chǔ)計(jì)算

3.1單樁直徑的確定

根據(jù)鐵塔地腳螺栓的直徑、螺栓間距、以及螺栓邊緣距混凝土的最小距離確定單樁基礎(chǔ)的直徑D。例如據(jù)表-1計(jì)算樁徑最小值d=2×300（螺栓間距）+30×2+150×2=784.2mm，因而取樁徑D=800mm。

3.2樁長(zhǎng)的確定

查閱地質(zhì)資料據(jù)確定樁端持力層的最小深度以及計(jì)算在此深度處的樁側(cè)阻力。樁端持力層的選擇原則及樁端進(jìn)入持力層的最小深度主要考慮了在各類持力層中成樁的可能性和盡量提高樁端阻力的要求。

3.3.樁基承載力計(jì)算分析

鐵塔基礎(chǔ)主要承受上拔力和下壓力，因而在地坪處會(huì)產(chǎn)生傾覆彎矩。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)的重量小于所受的浮力（如地下車庫、水池放空時(shí)）或高聳結(jié)構(gòu)（如輸電線塔等）受到較大的傾覆彎矩時(shí)，就需要設(shè)置抗拔樁基礎(chǔ)。

（1）基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值通過現(xiàn)場(chǎng)單樁上拔荷載試驗(yàn)確定，如無當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)時(shí)基樁的抗拔承載力可按下列規(guī)定計(jì)算：

對(duì)二、三級(jí)建筑樁基，基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

Uk = ∑λi qsik ui li

其中：

Uk—基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

λi—抗拔系數(shù)，設(shè)計(jì)中樁長(zhǎng)大于12m取0.80，小于12m取0.7。

qsik—樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

ui—破壞表面周長(zhǎng)； u1=πd=3.14×0.8=2.512m；

li—分層樁長(zhǎng)（m）。

110DSn-15為110KV傘形終端鐵塔，以該塔型為例，結(jié)合場(chǎng)地地基土性能情況，選取第6層粉土作為鉆孔灌注樁的樁端持力層，在樁長(zhǎng)取20.0m，樁徑為800mm，樁頂埋深為0.0m的條件下，分別計(jì)算出基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，見表-1。

綜合：110DSn-15鐵塔樁頂埋深為0.0m，樁徑為800mm，樁長(zhǎng)取20.0m，鉆孔灌注樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取2349kN。

單樁豎向承載力特征值R為R=2349/2=1174.5KN。

（2）基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定應(yīng)符合下式要求：

N≤G/ K1+Go / K2

為使設(shè)計(jì)更為合理，在具體設(shè)計(jì)計(jì)算中上拔力按如下公式進(jìn)行驗(yàn)算：

N≤R/ K2

舉例：110DSn-15V傘形終端塔基礎(chǔ)作用力：水平力Q = 91KN；上拔力N1 = 750KN；下壓力N2 = 865KN。

750KN ≤ R/K2 = 1174.5KN/1.5 = 783 KN；

通過上述結(jié)果可以看出上拔力能夠滿足要求。

（3）基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定應(yīng)符合下式要求：

K3F0≤Fj； K3M0≤Mj

基礎(chǔ)的上拔和傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)，根據(jù)不同的桿塔類型，按《66kv及以下架空線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中表10.0.10采用。

3.4.樁基配筋計(jì)算分析

配筋計(jì)算主要是進(jìn)行樁截面的壓彎承載力計(jì)算，由基礎(chǔ)作用力設(shè)計(jì)值：水平力設(shè)計(jì)值Q；軸向力設(shè)計(jì)值NK；借助利用pkpm軟件，計(jì)算配筋和構(gòu)造配筋進(jìn)行比較得知：計(jì)算配筋大于構(gòu)造配筋，故按計(jì)算配筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

送電線路采用的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，由于耐久性和受現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，其截面尺寸均較大，計(jì)算所需要的鋼筋的截面面積相對(duì)較小，一般采用構(gòu)造配筋。但須進(jìn)行精確計(jì)算分析比較后取用。

4.結(jié)論及體會(huì)

1）持力層應(yīng)充分考慮后再選定。同一土層，對(duì)荷載小的基礎(chǔ)是很好的持力層，而對(duì)荷載較大的基礎(chǔ)則可能不適于做持力層。

2）對(duì)承受較大上拔力的鐵塔基礎(chǔ)，為了充分發(fā)揮土體的抗拔能力，應(yīng)盡量深埋，在確定樁長(zhǎng)時(shí)需進(jìn)行多次試算，但不應(yīng)超過抗拔土體的臨界深度，從而選取受力恰當(dāng)、經(jīng)濟(jì)合理的樁長(zhǎng)。

3）樁的抗拔側(cè)阻力與抗壓側(cè)阻力有相似之處，但隨著上拔量的增加，其阻力會(huì)因土層松動(dòng)，及側(cè)面積減少等原因而低于抗壓側(cè)阻力，故利用抗壓側(cè)阻力確定抗拔側(cè)阻力時(shí)，需引入抗壓極限側(cè)阻力系數(shù)，即抗拔系數(shù)。

4）單樁豎向極限承載力除以安全系數(shù)2，為單樁豎向承載力特征值R，用以驗(yàn)算樁徑及樁長(zhǎng)是否滿足承載力上拔力要求。

5）在樁基抗拔和傾覆穩(wěn)定計(jì)算中，表-4中不同的桿塔類型，基礎(chǔ)的上拔和傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)安全系數(shù)都大于1，而且有的桿塔所對(duì)應(yīng)的數(shù)值相對(duì)較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行取值，保證設(shè)計(jì)的安全可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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