螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)在軟土地基中的應(yīng)用

張文濤

（東北電力設(shè)計(jì)院，長春 130021）

近年來，隨著特高壓輸電線路的電壓等級(jí)不斷提高，導(dǎo)線截面不斷加大，同塔多回路的使用等，使輸電線路鐵塔的基礎(chǔ)作用力成倍增加。目前，1 000 kV 交流特高壓輸電線路雙回路直線塔的基礎(chǔ)作用力（下壓、上拔）達(dá)3 000～4 500kN，轉(zhuǎn)角塔的基礎(chǔ)作用力更大，尤其是基礎(chǔ)上拔力的提高，原有輸電線路鐵塔基礎(chǔ)使用較多的普通混凝土基礎(chǔ)已不適應(yīng)目前的需要。我國特別是南方部分河網(wǎng)地區(qū)設(shè)計(jì)的輸電線路工程，盡管基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案一再優(yōu)化，但每km的混凝土指標(biāo)仍居高不下，對(duì)控制工程造價(jià)作用不大，其主要原因是現(xiàn)有的基礎(chǔ)類型已不再適應(yīng)現(xiàn)代工程的需要。近年來，設(shè)計(jì)了一種新的基礎(chǔ)類型，即螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)，在高電壓等級(jí)輸電線路軟土地基中推廣應(yīng)用。

1 原有基礎(chǔ)形式

1.1 普通混凝土基礎(chǔ)

輸電線路鐵塔的基礎(chǔ)受力特性與一般的建筑物基礎(chǔ)不同，它既要滿足上拔，又要滿足下壓，而一般的建筑物多數(shù)受下壓控制，只要滿足下壓即可。鐵塔基礎(chǔ)對(duì)于下壓力，當(dāng)?shù)鼗休d力較好時(shí)，是比較好處理的，基礎(chǔ)底板尺寸一般控制在3～8m，埋深在3～6m。

按DL/T 5219—2005《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，鐵塔基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定力γfTE計(jì)算公式為：

式中：γf為基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)；TE為基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值；γE為水平影響系數(shù)；γS為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度；γθ1為基礎(chǔ)底板上平面坡角影響系數(shù)；Vt為基礎(chǔ)埋置深度ht內(nèi)土和基礎(chǔ)體積；ΔVt為相鄰基礎(chǔ)影響的微體積；V0為h0深度內(nèi)的基礎(chǔ)混凝土體積；Qf為基礎(chǔ)自重力。

式中：B為方形底板寬度；α為土體計(jì)算上拔角。

從公式（1）、（2）可以看出，要滿足基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定的要求，有2種方法，一是加大基礎(chǔ)埋深，增加Vt的土方量；第二，加大基礎(chǔ)的底板寬度和底板的高度（即重力式基礎(chǔ)的方法）增加Qf值。從理論計(jì)算看這2種方法都是可以做到的，但軟弱地質(zhì)情況一般為淤泥質(zhì)或粉質(zhì)黏土，飽和，流塑或軟塑，地下水位較高，開挖難度極大。為了滿足上拔要求，從計(jì)算角度來說，埋深越深越好，但從施工來說，則埋深越淺越好。鑒于多方面的原因，基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)埋深一般控制在2.5～4.0m。當(dāng)基礎(chǔ)作用力較小時(shí)，可以設(shè)計(jì)出較合理的基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)作用力較大時(shí)，就很難設(shè)計(jì)出合理的基礎(chǔ)。500kV 徐家—沈東2回輸電線路水平力為128kN、上拔力1 500kN，220kV 哈大高鐵牽引站線路工程基礎(chǔ)水平力為68.6kN、上拔力600kN，在軟塑地基上設(shè)計(jì)的不同埋深基礎(chǔ)，計(jì)算上拔角為10°，有地下水的情況下，設(shè)計(jì)的普通混凝土基礎(chǔ)每km 線路混凝土指標(biāo)及基礎(chǔ)尺寸見表1。

表1 混凝土指標(biāo)及基礎(chǔ)尺寸

從表1可知，基礎(chǔ)作用力的大小，對(duì)基礎(chǔ)的底板寬度影響較大，基礎(chǔ)作用力較大時(shí)，混凝土用量成倍增加，基礎(chǔ)尺寸也隨之加大。在野外沒有機(jī)械施工條件下，開挖3.0m×7.2m 見方的基坑，在地下水位較高的情況下，其開挖工作量和難度很大。如果采用重力式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板尺寸可能有所減少，但混凝土量會(huì)增加較多，使工程造價(jià)劇增。電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院頒發(fā)的《電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo)》中，關(guān)于每km 線路基礎(chǔ)混凝土用量規(guī)定見表2［1］。

表2 限額設(shè)計(jì)km 線路基礎(chǔ)混凝土指標(biāo) m3

從表2可以看出，實(shí)際工程的基礎(chǔ)每km 線路的混凝土大大超過了電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，由此可見，普通混凝土基礎(chǔ)類型不十分理想。

1.2 灌注樁基礎(chǔ)

灌注樁基礎(chǔ)可以減少開挖土方量，但它需要專用的施工機(jī)械，而線路基礎(chǔ)分布較零散，有的地方機(jī)械進(jìn)場難度較大，且灌注樁基礎(chǔ)的混凝土方量一般情況在500kV 直線塔采用單樁情況下與普通混凝土基礎(chǔ)混凝土用量基本相當(dāng)，如基礎(chǔ)作用力再大一些或用在耐張塔上將改作群樁，混凝土量會(huì)成倍增加，在特高壓輸電線路上使用混凝土量增加更多。灌注樁基礎(chǔ)用在500kV 轉(zhuǎn)角塔及更高電壓等級(jí)的輸電線路上，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是目前基礎(chǔ)形式中較高的一種，因此，在高電壓等級(jí)輸電線路上除大跨越塔基礎(chǔ)和十分需要的地方外，一般情況下不宜采用。

2 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)

2.1 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)原理及上拔力的計(jì)算

二十世紀(jì)九十年代，國內(nèi)一些設(shè)計(jì)院、科研單位對(duì)螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)進(jìn)行了研究和探討，但由于當(dāng)時(shí)輸電線路最高電壓等級(jí)不超過500kV，鐵塔基礎(chǔ)均較小，很少應(yīng)用于工程中。隨著輸電線路電壓等級(jí)的提高，鐵塔基礎(chǔ)作用力的增大，使用普通混凝土基礎(chǔ)與螺旋錨結(jié)合形成一種新的基礎(chǔ)形式，即螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)，在工程中使用有較突出的優(yōu)越性。螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)示意圖見圖1。

圖1 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)示意圖

螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)原理是利用螺旋錨來承擔(dān)一部分上拔力，減少普通混凝土基礎(chǔ)所承擔(dān)的上拔力，使普通混凝土基礎(chǔ)的尺寸減小，減少混凝土用量，同時(shí)也減少土方開挖量。由于螺旋錨承受水平力的性能較差，基礎(chǔ)水平作用力仍由上部普通混凝土基礎(chǔ)來承擔(dān)。Q/GDW 584—2011《架空輸電線路螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，在黏土中錨盤上拔承載力Tpi按式（3）計(jì)算，在砂土中Tpi按式（4）計(jì)算。

式中：Tpi為第i片錨盤抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值；DP為錨盤直徑；h1為螺旋錨錨盤埋置有效深度；Nu為上拔承載量系數(shù)；C為按飽和不排水剪或相當(dāng)于飽和不排水剪方法確定的凝聚力；QP為螺旋錨錨盤自重力；γS為螺旋錨錨盤上面土的平均加權(quán)重度；Nqu為支承承載量系數(shù)。

從以上計(jì)算方法來看，螺旋錨的上拔承載力與地質(zhì)條件關(guān)系較大，地質(zhì)條件越好，螺旋錨的上拔承載力越高。一般情況下地層越深地質(zhì)條件會(huì)好些，可見較好的下層土可以承擔(dān)較大一部分上拔力。綜合普通混凝土基礎(chǔ)和螺旋錨2部分的上拔承載力，其螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)的上拔穩(wěn)定力可按DL/T 5219—2005、Q/GDW 584—2011規(guī)范給出的公式計(jì)算：

式中：γf為螺旋錨基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)；Tm為螺旋錨基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值；Tt為螺旋錨基礎(chǔ)混凝土部分上拔抗力標(biāo)準(zhǔn)值；Tg為螺旋錨錨桿桿身上拔力設(shè)計(jì)值；K1為螺旋錨上拔組合系數(shù)；n為螺旋錨數(shù)量。從公式（5）可以看出，螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)上拔承載力由普通混凝土和螺旋錨兩部分承擔(dān)。

2.2 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)在工程中的應(yīng)用

某油田供電工程采用的4根4層螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)，地質(zhì)條件為黏土、有水，螺旋錨錨深5m，4層螺旋錨錨盤上拔承載力：

4根螺旋錨的容許承受上拔力：

螺旋錨錨桿桿身上拔力設(shè)計(jì)值Tg值影響較小，暫忽略不計(jì)。4 根螺旋錨的質(zhì)量為1 200kg。從以上計(jì)算可以看出，增加4根螺旋錨后，基礎(chǔ)上拔力被螺旋錨抵抗掉的部分相當(dāng)大，減小了普通混凝土基礎(chǔ)部分的混凝土量和基礎(chǔ)尺寸，而鋼材量增加不多，可見這種基礎(chǔ)形式可以充分利用下面地層較好的特點(diǎn)，減少普通混凝土基礎(chǔ)部分的尺寸，從而減小土方開挖量和對(duì)農(nóng)田、環(huán)境的破壞。

普通混凝土基礎(chǔ)和采用4根4層螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)在相同地質(zhì)條件下，不同埋深時(shí)混凝土用量及基礎(chǔ)尺寸對(duì)比見表3。

從表3可以看出，增加4根螺旋錨后，螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)的普通混凝土基礎(chǔ)部分的基礎(chǔ)尺寸和混凝土量大為減少，而4根錨的質(zhì)量約1.2t，鋼材量增加不多，可見這種基礎(chǔ)形式可以充分利用地層較好的特點(diǎn)，減少基礎(chǔ)的混凝土量和土方開挖，充分利用原狀土，減少對(duì)農(nóng)田和植被的破壞，有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表3 基礎(chǔ)作用力1 500N時(shí)混凝土用量及基礎(chǔ)尺寸對(duì)比

3 結(jié)束語

近年來，我國螺旋錨基礎(chǔ)的應(yīng)用不斷發(fā)展，2011年Q/GDW 584—2011《架空輸電線路螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》發(fā)布實(shí)施，標(biāo)志著螺旋錨基礎(chǔ)的應(yīng)用日漸成熟，部分輸電線路有條件的地方已經(jīng)探索性地采用了螺旋錨基礎(chǔ)，并對(duì)螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)進(jìn)行了較多的研究探討。螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)與通常采用的混凝土基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)相比，混凝土用量及基坑開挖量小，充分利用原狀土，減少對(duì)農(nóng)田和植被的破壞。螺旋錨加工工廠化，便于施工，節(jié)省投資，在輸電線路上使用有較好的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo)［M］.北京：中國電力出版社，2011.