輸電線路及電氣化鐵路新型傘形樁基礎(chǔ)應(yīng)用研究

吳曉鋒，張 楷，趙貞欣，李志強(qiáng)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)成本大幅度提高，其中輸電線路桿塔基礎(chǔ)整體造價(jià)占項(xiàng)目本體投資約20%～25%[1]。近年，國(guó)網(wǎng)公司推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)，以進(jìn)一步提升工程建設(shè)技術(shù)水平及效益效率，實(shí)現(xiàn)輸變電工程“兩型三新一化”（資源節(jié)約型、環(huán)境友好型，新技術(shù)、新材料、新工藝，工業(yè)化）建設(shè)技術(shù)要求[2]。軟土地基中，以往的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工勞動(dòng)強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)性較差，如何提高基礎(chǔ)施工中的資源利用率，減少勞動(dòng) 力投入，降低現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，是當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]提出樹(shù)根樁基礎(chǔ)，其在軟土地基中受力能力雖然稍有所提高，但造價(jià)成本沒(méi)有減少。文獻(xiàn)[4]提出的大直徑人工挖孔擴(kuò)底灌注樁基礎(chǔ)因充分利用了原狀土良好的力學(xué)特性而具有較高的承載力，從受力分析來(lái)看，其橫向承載力和豎向承載力有所提高，但其使用大直徑樁，經(jīng)濟(jì)性較差。國(guó)內(nèi)外關(guān)于輸電線路以及電氣化鐵路電力線路新型基礎(chǔ)的研究也相對(duì)較少。

本文提出新型傘形樁基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)布置形式為中間1根主樁（直徑＞300 mm），四周布置4根微型鋼管樁（從樁），通過(guò)預(yù)埋在主樁的地腳螺栓和基礎(chǔ)相連，節(jié)省了原微型管樁需要的承臺(tái)和主樁材料。新型裝配式傘形樁基礎(chǔ)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）4根微型管樁穩(wěn)定性強(qiáng)，具有自平衡功能；（2）中間布置1根主樁承受支柱傳遞的直接荷載，通過(guò)伸長(zhǎng)臂將荷載分配到微型管樁，即力的傳遞性好；（3）通過(guò)四周布置的從樁發(fā)揮其受拉側(cè)從樁抗拔、受壓側(cè)從樁抗壓等特點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主樁、從樁各自發(fā)揮自身作用；（4）通過(guò)節(jié)省承臺(tái)和主柱的用量，從而降低工程造價(jià)。

1 Abaqus有限元數(shù)值模擬分析

輸電線路及電氣化鐵路電力線路桿塔基礎(chǔ)與一般的建筑基礎(chǔ)不同，建筑基礎(chǔ)主要考慮受壓方向而產(chǎn)生的破壞，但對(duì)于桿塔基礎(chǔ)，由于受到高壓導(dǎo)線的不平衡張力的作用，水平方向受力作用是主要考慮的因素，防止水平方向受力產(chǎn)生的傾覆作用是必須考慮的重要因素之一。為分析新型傘形樁基礎(chǔ)受力情況，本次采用荷載為國(guó)家電網(wǎng)典型設(shè)計(jì)采用的2B7-J3-24（即2B7模塊，3型轉(zhuǎn)角塔，呼高24 m鐵塔）荷載，其中水平x方向受力Tx= 145 kN，水平y(tǒng)方向受力Ty= 132 kN，上拔力T= 868 kN。

1.1 水平力作用下有限元數(shù)值模擬

通過(guò)分析在水平力作用下新型傘形樁的水平方向位移情況（圖1）可以看出，主樁和從樁表現(xiàn)為明顯的彈性特征，其中頂部位移最大，最大頂部位移僅為2.067 mm，說(shuō)明傘形樁基礎(chǔ)水平方向位移很小，抗傾覆能力較好，即傘形樁基礎(chǔ)的抗水平力較強(qiáng)。

圖1 傘形樁水平位移情況（單位：m）

圖2所示為主樁和4根從樁沿長(zhǎng)度方向水平位移。由圖2可知，傘形樁的主樁和4根從樁水平位移均隨樁長(zhǎng)沿深度方向逐漸減小，其中4根從樁的水平位移均為正向位移，而主樁在5.5 m處水平位移為0，繼續(xù)向下水平位移為負(fù)值。主樁和從樁的橫向水平位移接近，說(shuō)明從樁對(duì)維持整體穩(wěn)定性貢獻(xiàn)極大，從樁有效維持了傘形樁的穩(wěn)定性。

圖2 主樁和4根從樁沿長(zhǎng)度方向水平位移

1.2 水平力作用下傘形樁和普通鉆孔灌注樁對(duì)比分析

為分析比較傘形樁和普通鉆孔灌注樁在水平力作用下的位移情況，需將兩種樁基礎(chǔ)均進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析。對(duì)普通鉆孔灌注樁的模型尺寸和模型參數(shù)進(jìn)行合理選取，見(jiàn)表1，其中鉆孔灌注樁與傘形樁主樁材料參數(shù)相同，地質(zhì)條件也相同，故土體參數(shù)不再重復(fù)敘述。

表1 普通鉆孔灌注樁的模型尺寸和模型參數(shù)

傘形樁和鉆孔灌注樁在水平力作用下橫向位移見(jiàn)圖3。

圖3 橫向位移（單位：m）

由圖3可知，傘形樁最大正向橫向位移為2.077 mm，鉆孔灌注樁為5.307 mm。傘形樁反向橫向擠壓位移為0.205 4 mm，鉆孔灌注樁為1.306 mm。且傘形樁最大正向位移在施加荷載的從樁，最大反向位移在施加荷載的對(duì)面從樁，兩者橫向區(qū)域均較小。對(duì)于鉆孔灌注樁，橫向位移最大處在樁端且面積較大。由以上數(shù)據(jù)分析可知，傘形樁在水平力作用下抗側(cè)移性能較好。

圖4所示為傘形樁和鉆孔灌注樁沿深度方向水平位移。由圖4可知，樁基相同深度，鉆孔灌注樁橫向位移均大于傘形樁，且傘形樁主樁在5.5 m處橫向位移為0，之后橫向位移為負(fù)值，而鉆孔灌注樁橫向位移沿樁深度均是正值。由此可以得出，雖然新型傘形樁主樁長(zhǎng)度（8 m）小于鉆孔灌注樁深度（9 m），但傘形樁主樁橫向位移經(jīng)歷了正負(fù)交替的過(guò)程，由此說(shuō)明，由于從樁的作用，使得傘形樁的抗側(cè)移性能大大提高。

圖4 沿深度方向水平位移

1.3 上拔力作用下傘形樁和鉆孔灌注樁豎向位移分析比較

傘形樁和鉆孔灌注樁在上拔力作用下豎向位移如圖5所示?？梢钥闯?，上拔力作用下傘形樁最大上拔位移為13.48 mm，鉆孔灌注樁最大上拔位移為257.5 mm。故在上拔力作用下，傘形樁基礎(chǔ)抗上拔傾覆遠(yuǎn)好于鉆孔灌注樁。

圖5 豎向位移（單位：m）

圖6所示為兩種樁基礎(chǔ)沿深度方向豎向位移。由圖6可知，在上拔力作用下，傘形樁主樁、從樁和鉆孔灌注樁均沿樁深度方向越深，樁的上拔位移越小，并且傘形樁的豎向位移明顯小于鉆孔灌注樁的豎向位移，傘形樁抵抗上拔位移效果明顯。但是傘形樁從樁在樁深3.2 m左右時(shí)，樁的上拔位移略微增大，說(shuō)明此時(shí)從樁樁側(cè)發(fā)揮的作用增大而樁端發(fā)揮的作用減小。

圖6 沿深度方向豎向位移

2 傘形樁基礎(chǔ)試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬對(duì)比

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)線路選取河北省滄州市東光縣境內(nèi)河北雙樓—交河π入東光北變220 kV線路，本次試驗(yàn)地質(zhì)條件和數(shù)值與模擬試驗(yàn)相同，傘形樁采用后注漿。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)傘形樁在2B7-J3-24塔型中的水平力和上拔力分別作用下的位移進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果對(duì)比如圖7、圖8所示。

2.2 試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

由圖7可知，在水平力作用下，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相似，但試驗(yàn)結(jié)果橫向位移略微偏小，這是因?yàn)椴捎煤笞{的傘形樁注漿的摩擦力偏小，導(dǎo)致數(shù)值模擬橫向位移偏大，但總體與試驗(yàn)吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬階段結(jié)論的可靠性。

圖7 水平力作用下橫向位移沿樁深度變化曲線

由圖8可知，在上拔力作用下，試驗(yàn)上拔豎向位移和數(shù)值模擬結(jié)果相似，但試驗(yàn)豎向位移小于數(shù)值模擬豎向位移，這是由于試驗(yàn)時(shí)采用樁端注漿，而數(shù)值模擬中未考慮樁端注漿效應(yīng)。但數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)和大小總體吻合。

圖8 上拔力作用下豎向位移沿樁深度變化曲線

3 結(jié)論

提出新型傘形樁基礎(chǔ)，建立傘形樁基礎(chǔ)和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型，并進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得出傘形樁基礎(chǔ)具有更好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)傘形樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，并對(duì)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出數(shù)值模擬的合理性?？偨Y(jié)以下結(jié)論：

（1）不同于引用以往的建筑基礎(chǔ)作為輸電線路鐵塔及電氣化鐵路支柱基礎(chǔ)，新型傘形樁基礎(chǔ)符合輸電線路基礎(chǔ)的受力特性，即抗水平力和抗上拔力較好。

（2）新型傘形樁基礎(chǔ)可以有效提高抗傾覆能力，其抗傾覆能力較鉆孔灌注樁基礎(chǔ)提高了60.86%，傘形樁基礎(chǔ)的從樁有效提高了傘形樁基礎(chǔ)的橫向穩(wěn)定性。

（3）新型傘形樁基礎(chǔ)上拔豎向位移較鉆孔灌注樁提高了近10倍（小范圍位移波動(dòng)較大可能性也是存在的，具體仍需試驗(yàn)驗(yàn)證），由此可以看出，傘形樁基礎(chǔ)的抗拔能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的抗拔能力，并且傘形樁基礎(chǔ)上拔貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于橫向位移貢獻(xiàn)率，新型傘形樁基礎(chǔ)極大地提高了基礎(chǔ)的抗沉降能力。

（4）依托實(shí)際工程進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)于后期推出新型傘形樁基礎(chǔ)提供理論依據(jù)。

（5）本次模型新型傘形樁基礎(chǔ)材料用量為9.309 4 m3，而鉆孔灌注樁基礎(chǔ)的材料用量為10.173 6 m3，傘形樁基礎(chǔ)材料節(jié)省8.495%，充分說(shuō)明傘形樁具有良好的經(jīng)濟(jì)性。