擠擴(kuò)支盤(pán)樁在輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張文心，盧 彬，王朝輝，王 斌，劉艷斌

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2. 遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021；3. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司建設(shè)分公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；4. 長(zhǎng)春東電電力工程有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

擠擴(kuò)支盤(pán)灌注樁基礎(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱“擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)”)是由普通鉆孔灌注樁發(fā)展而來(lái)的一種變徑樁，是依據(jù)樹(shù)根的抗拔、抗壓原理，結(jié)合變截面鉆孔灌注樁的形狀進(jìn)行構(gòu)思、研究而發(fā)明的一種新型灌注樁基礎(chǔ)。其成孔工藝與普通鉆孔灌注樁相同，成孔后利用特制的支盤(pán)器沿樁身在不同部位設(shè)置支撐擠擴(kuò)造支或造盤(pán)。

區(qū)別于常規(guī)建筑荷載，高壓輸電線路的桿塔基礎(chǔ)荷載具有上拔、下壓交變工況下的大荷載特點(diǎn)。擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)伸出樁身的承力盤(pán)、分支不僅能增大樁的表面積，而且能夠利用各土層的端承力，從而提高樁自身的承載能力。樁身的成力盤(pán)、分支受土體的支撐作用，不僅改善了樁自身的剛度，提高了樁自身的抗壓、抗拔能力，而且增加了樁體的穩(wěn)定性能，提高了樁抵抗水平荷載和地震荷載的能力。

該樁型1992 年以后在國(guó)內(nèi)建筑工程試點(diǎn)應(yīng)用，2000 年前后陸續(xù)在路橋、民用建筑等行業(yè)推廣應(yīng)用，已經(jīng)具有成熟的機(jī)械化使用程度和施工經(jīng)驗(yàn)，但在高壓輸電線路行業(yè)尚未普及應(yīng)用。我國(guó)特高壓電網(wǎng)中的首次應(yīng)用是2016 年投運(yùn)的淮南―南京―上海1 000 kV 特高壓交流輸電線路工程(以下簡(jiǎn)稱“淮上線”)。本文在此基礎(chǔ)上，研究輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)用擠擴(kuò)支盤(pán)樁型的可行性。

常規(guī)灌注樁與擠擴(kuò)支盤(pán)樁樁型及成孔方式示意如圖1 所示。

圖1 擠擴(kuò)支盤(pán)樁與常規(guī)灌注樁成孔示意圖

1 擠擴(kuò)支盤(pán)樁適用條件

擠擴(kuò)支盤(pán)樁理論上屬于對(duì)常規(guī)鉆孔灌注樁的一種優(yōu)化樁型，因此，常規(guī)灌注樁適用的軟弱地基條件也適用于擠擴(kuò)支盤(pán)樁，但如果要發(fā)揮擠擴(kuò)支盤(pán)樁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，必須重點(diǎn)分析樁深范圍內(nèi)是否具有可以適合設(shè)置分支及承力盤(pán)的優(yōu)勢(shì)土層，即：可塑、硬塑的粘性土；中密、密實(shí)的粉土、砂土或卵石、礫石層；全風(fēng)化巖石、強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖石。

在地下水位以下成孔施工時(shí)(水下施工)，承力盤(pán)宜設(shè)置在力學(xué)性能相對(duì)較好、壓縮性能低的中密、密實(shí)的砂土、粉土、卵石等土層中；由于泥漿的作用，存在相對(duì)密實(shí)的水頭壓力，更加容易成盤(pán)，支盤(pán)的承載力可顯著提高。而在承載力較低的土層，例如流塑、軟塑等粘性土以及松散的砂土、粉土中，則不適宜設(shè)置承力盤(pán)，不易成型，且不能明顯提高樁的承載力，無(wú)法發(fā)揮擠擴(kuò)支盤(pán)樁的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

地下水位以上成孔時(shí)(干法施工)，在松散粉土、砂性土中成盤(pán)時(shí)容易塌孔，因此不宜設(shè)置承力盤(pán)或分支。

此外，根據(jù)樁型特點(diǎn)，擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)不宜在可液化土層、流塑狀粘性土以及中等風(fēng)化、微風(fēng)化和未風(fēng)化的巖石層中設(shè)置承力盤(pán)。

2 承載力計(jì)算方法

2.1 單樁抗壓承載力計(jì)算

本文采用中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS 192：2005《擠擴(kuò)支盤(pán)灌注樁技術(shù)規(guī)程》[1]推薦的支盤(pán)樁抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值估算公式計(jì)算單樁抗壓承載力Qu，表示如下：

式中：u為主柱樁干周長(zhǎng)，m；Li為當(dāng)?shù)趇層土中設(shè)置承力盤(pán)時(shí)，樁穿越第i層土折減盤(pán)高的有效厚度；對(duì)于粘性土、粉土，Li=Hi-1.2h，其中Hi為第i層土的厚度，未設(shè)置承力盤(pán)時(shí)h=0；qsi為樁側(cè)第i層的極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，可按勘察報(bào)告提供的值采用，也可參照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)或國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定取值；η為盤(pán)底土層極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值的修正系數(shù)，根據(jù)工程試驗(yàn)情況，在規(guī)范給出的數(shù)值范圍基礎(chǔ)上再進(jìn)行適當(dāng)折減得到，針對(duì)粉質(zhì)粘性土，建議取值范圍為0.60 ～0.85；Ap為單樁底盤(pán)面積，m2；Apj為第j層扣除樁身截面積的盤(pán)投影面積，m2；qp為底盤(pán)所在土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；qpj為第j個(gè)盤(pán)處土層的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

2.2 單樁抗拔承載力計(jì)算

本文采用CECS 192：2005[1]推薦的公式估算擠擴(kuò)支盤(pán)樁單樁豎向抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Uu：

式中：λi為樁周第i層土的側(cè)阻力折減系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)粉質(zhì)粘性土給出的λi建議值為0.7 ～0.8。

3 試點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例

在我國(guó)的輸電線路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，首次在淮上線特高壓交流線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中試點(diǎn)應(yīng)用了擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)，積累了一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。該線路導(dǎo)線采用8×LJG-630/45 鋼芯鋁絞線，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速29 m/s(10 m 高)，設(shè)計(jì)覆冰厚度10 mm，同塔雙回路架設(shè)。

試點(diǎn)應(yīng)用區(qū)段位于江蘇省寶應(yīng)縣境內(nèi)。應(yīng)用區(qū)段地貌單元為平原，線路沿線以稻田地為主，跨越部分河流、魚(yú)塘。該區(qū)域地層巖性差異性較小，樁基礎(chǔ)應(yīng)用條件具有典型性，主要為第四系沖湖積、沖海積層，地面以下30.0 m深度范圍內(nèi)地層分布主體為粉質(zhì)粘土，軟塑；粉質(zhì)粘土(可塑)與粉土(軟塑)互層。

淮上線的6 基桿塔基礎(chǔ)試點(diǎn)應(yīng)用了擠擴(kuò)支盤(pán)樁，包含了SZ302、SZ303、SZ304、SZ305 和SZ306 這五種不同使用條件的直線塔型，作用力覆蓋全面。根據(jù)鐵塔基礎(chǔ)作用力情況，利用前述單樁抗壓承載力及單樁抗拔承載力公式進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)塔腿基礎(chǔ)均采用了“4 根群樁+承臺(tái)”的設(shè)計(jì)如圖2 所示，每根樁配置單承力盤(pán)或雙承力盤(pán)如圖3 所示，承力盤(pán)主要構(gòu)造尺寸如表1 所示。擠擴(kuò)支盤(pán)樁主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示，各基桿塔的擠擴(kuò)支盤(pán)樁都采用C30 混凝土，基礎(chǔ)鋼材主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。

圖2 擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)平面圖

圖3 擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)立面圖

表1 擠擴(kuò)支盤(pán)樁承力盤(pán)構(gòu)造尺寸 mm

表2 擠擴(kuò)支盤(pán)樁主要技術(shù)指標(biāo)

在相同地質(zhì)條件、相同基礎(chǔ)作用力情況下，普通灌注樁設(shè)計(jì)需采用的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 普通灌注樁主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)測(cè)算，在前述相同地質(zhì)條件、相同作用力下，擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)較普通灌注樁基礎(chǔ)混凝土用量減少23%～45%；隨著基礎(chǔ)作用力的增大，混凝土減少的用量有所下降；基礎(chǔ)鋼材用量減少12%～35%；綜合造價(jià)節(jié)省19%～35%，單個(gè)基礎(chǔ)費(fèi)用比較如圖4 所示。與普通灌注樁基礎(chǔ)相比，試點(diǎn)應(yīng)用的擠擴(kuò)支盤(pán)樁基礎(chǔ)具有縮小樁徑、減少樁長(zhǎng)和節(jié)省工程材料量等優(yōu)勢(shì)，從而顯著降低了基礎(chǔ)工程造價(jià)。

圖4 試點(diǎn)應(yīng)用單基礎(chǔ)造價(jià)柱形圖

4 在不同電壓等級(jí)輸電線路中的適用性

擠擴(kuò)支盤(pán)樁在我國(guó)特高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中已得到了成功應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)在不同電壓等級(jí)輸電線路采用擠擴(kuò)支盤(pán)樁與常規(guī)灌注樁(以下簡(jiǎn)稱“普通樁”)設(shè)計(jì)分別進(jìn)行計(jì)算。

選取《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)輸電線路分冊(cè)》[2-5]桿塔模塊中不同導(dǎo)線、不同回路的典型鐵塔的經(jīng)濟(jì)呼高，分析其在前述相同典型設(shè)計(jì)氣象條件(設(shè)計(jì)風(fēng)速29 m/s，設(shè)計(jì)覆冰厚度10 mm)及地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)尺寸及混凝土用量，對(duì)比表如表4 和表5 所示。其中的地質(zhì)條件為：主體為粉質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土(可塑)與粉土(軟塑)互層。

表4 直線塔混凝土用量(單腿)對(duì)比表

表5 轉(zhuǎn)角塔混凝土用量(單腿)對(duì)比表

為了分析擠擴(kuò)支盤(pán)樁相對(duì)普通灌注樁混凝土用量降幅比例在不同塔型的變化情況，分別繪制直線塔和轉(zhuǎn)角塔混凝土用量降幅折線圖，如圖5 和圖6 所示?？梢钥闯觯褐本€塔能夠平均降低混凝土用量24%，2×300 mm2導(dǎo)線220 kV 雙回路及4×400 mm2導(dǎo)線雙回路的混凝土用量降幅最高可達(dá)34%、32%；轉(zhuǎn)角塔能夠平均降低混凝土用量28%，其中，2×400 mm2導(dǎo)線220 kV單回路及4×400 mm2導(dǎo)線500 kV 單回路的混凝土用量降幅高達(dá)46%和36%。隨著電壓等級(jí)的提高，基礎(chǔ)作用力不斷增大，混凝土用量降幅呈非線性的波狀分布，直線塔的降幅折線總體變化趨勢(shì)較平緩，轉(zhuǎn)角塔的降幅折線總體呈下降趨勢(shì)。

圖5 直線塔擠擴(kuò)支盤(pán)樁相對(duì)普通樁混凝土用量降幅

圖6 轉(zhuǎn)角塔擠擴(kuò)支盤(pán)樁相對(duì)普通樁混凝土用量降幅

5 結(jié)論

本文對(duì)《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)輸電線路分冊(cè)》中選取的220 kV 以上各電壓等級(jí)下典型單雙回路高壓輸電線路桿塔模塊在相同典型設(shè)計(jì)氣象條件(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速29 m/s，設(shè)計(jì)覆冰厚度10 mm)及地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)尺寸分別進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可以看出：

1)與常規(guī)灌注樁基礎(chǔ)相比，擠擴(kuò)支盤(pán)樁能夠有效降低混凝土用量12%～46%(不考慮1 000 kV 雙回路轉(zhuǎn)角塔)；

2)在1 000 kV 淮上線雙回路直線塔試點(diǎn)應(yīng)用中的實(shí)際混凝土用量節(jié)省范圍為23%～45%；

3)隨著電壓等級(jí)及基礎(chǔ)作用力的升高，混凝土降幅呈波狀分布，直線塔降幅總體趨勢(shì)平緩，轉(zhuǎn)角塔降幅總體趨勢(shì)向下；

4)1 000 kV、750 kV、±800 kV 輸電線路塔型基礎(chǔ)作用力較大，單樁基礎(chǔ)不能滿足設(shè)計(jì)需要，需采用群樁設(shè)計(jì)，但1 000 kV 雙回路轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)作用力過(guò)大，一般受到擠擴(kuò)支盤(pán)機(jī)樁徑不超過(guò)1.2 m，盤(pán)徑不超過(guò)1.9 m 的制約，已不能體現(xiàn)出擠擴(kuò)支盤(pán)樁的優(yōu)勢(shì)。

擠擴(kuò)支盤(pán)樁相對(duì)普通灌注樁基礎(chǔ)能夠顯著節(jié)省工程造價(jià)、縮短工期，優(yōu)勢(shì)明顯，在高壓輸電線路設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有推廣應(yīng)用價(jià)值。