輸電線路軟土地基基礎設計分析

于天文，王 新

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引 言

基礎是構成輸電線路體系重要內容之一，其行業(yè)特點體現在施工設計、試驗、檢測等方面，考慮輸電線路基礎同時承受上撥力、下壓力、水平力。因此，必須保證安全可靠的基礎設計，同時，充分考慮環(huán)境保護理念，做到經濟與環(huán)保，最大程度降低施工對環(huán)境的危害，實現其綜合效益最大化。在逐漸加大電網建設與改造力度背景下，城鎮(zhèn)化建設一定程度上限制了線路路徑走向，尤其是輸電線路基礎工程具有輸電線路長、跨越區(qū)域多、地形復雜多變等特點。想要使工程造價、施工難度有所下降，同時保護環(huán)境，有必要將合理的基礎形式選擇出來。因此，分析輸電線路基礎和軟土地基基礎設計具有重要性和必要性。

1 板式基礎

1.1 板式直柱基礎

板式直柱基礎主要是通過連接地腳螺栓與基礎主柱后，形成此基礎型式，以抵抗基礎上撥作用，并通過具有一定承載力的地基抵抗下壓作用，其優(yōu)勢比較明顯，如便于施工、可以淺埋、節(jié)省混凝土方量，具有廣闊地質適用范圍。

通常情況下，軟土地基的上撥角較小，這就使得基礎上部能夠抵抗上撥作用的土體量較小，為有效增強軟土地基承載力，就需要在板式基礎設計上加大地板尺寸，同時為防止施工過程中因失穩(wěn)墜入基坑，確?；舆吰路€(wěn)定性，還需要采用基坑深埋技術。基礎底板加大或深埋，通過借助對基礎埋深深度的修正，能夠促進地基耐力的提升，使承載力需求得以滿足。對比臺階基礎，在底板是2.4 m，埋深是2.0 m時，經過測算可知，相同大小運輸距離等同于綜合造價。增大底板之后，雖然一定程度上增加鋼筋用量，但是會減少約35 %混凝土方量，獲取十分明顯的綜合效益[1]。

1.2 插入角鋼斜柱基礎

連接鐵塔主材角鋼與基礎主柱后，保證基礎主柱與鐵塔主材坡度一致，形成此基礎，具有保護環(huán)境、節(jié)省材料、降低造價成本等優(yōu)勢，已被廣泛應用于輸電線路中。插入角鋼斜柱基礎對數據尺寸的要求較為嚴格，需要基礎誤差特別小、質量要求高，以保證基礎主柱中心線重合于鐵塔心線。對比板式基礎，可減少50 %以上水平力，保證基礎與地基合理受力。減少水平力之后，會相應減少偏心彎矩，隨之減少受控制的基礎底板尺寸，使混凝土與鋼筋用量不斷降低。

然而，此類基礎對施工精度提出較高要求，外加角鋼加工是非標產品，其在加工制造過程中受多種因素影響會存在誤差，這就需要現場施工人員認真復查、核對有關數據，及時發(fā)現異議數據，保證各部尺寸準確無誤，避免因插入角鋼在加工制造過程中產生下料長短不齊、切割長度不一、距離不規(guī)范等問題而產生實際操作誤差，進一步明確坡度、角鋼頂棱相對高差以及角鋼是否會產生強行扭轉等問題，及時完成發(fā)料與現場安裝進行対料，最大限度避免因人工操作失誤而造成返工等不良現象，為后續(xù)澆筑工序的有序開展奠定基礎。

1.3 預偏心板式直柱基礎

預偏心板式直柱基礎結構主要包括用于連接上部鐵塔的地腳螺栓，主要為鋼筋混凝土結構的立柱以及主要承受上部構件傳遞荷載的底板，通過連接地腳螺栓與基礎主柱后，便形成此基礎型式。預偏心板式直柱基礎與插入角鋼斜柱基礎的區(qū)別在于其將立柱直接安裝在底板的非中心位置，使其在上撥與水平力或者下壓與水平力聯合作用下產生合力作用線與基礎整體的形心重合，可以降低基礎彎矩以及基礎立柱與底板的截面尺寸和配筋率，有助于降低工程造價成本。

另外，為了使水平力產生的彎矩得以減少或消除，改善基礎立柱的彎曲受力狀態(tài)，降低基礎立柱與基礎底板的最大彎矩，優(yōu)化基礎結構，改善基礎受力性能，解決直柱板式基礎偏心問題，反向預偏心沿水平力方向的地腳螺栓處理預偏心與未偏心的板式直柱基礎，可以將20 %混凝土節(jié)省下來，節(jié)省10 %鋼材，混凝土指標等同于斜柱基礎，并且便于此基礎施工，既能不提高輸電線路工程施工難度，又能具有較小施工誤差以及較低的工程造價，減少基礎混凝土方量。

1.4 地腳螺栓型斜柱基礎

連接地腳螺栓與基礎主柱，促進此基礎型式的形成，其將插入角鋼斜柱基礎、板式基礎優(yōu)勢吸收進來，具有較高的技術與經濟價值。對比插入角鋼斜柱基礎，其具有相同受力型式，相同混凝土量，然而，會顯著降低鋼材量。對比板式基礎，可以減少50 %以上水平力，進而使混凝土與鋼筋用量減少，并減少了開挖量，能夠有效降低輸電線路工程施工對周邊環(huán)境的破壞，符合綠色環(huán)保施工理念?？紤]鐵塔底腳板與基礎柱軸線保持垂直關系，同時與鐵塔主材垂直，對于鐵塔主材而言，向下傳力過程中，底腳板和主柱頂面摩擦力會有所增加，對部分橫向力發(fā)揮抵抗作用，使地腳螺栓剪切力減少[2]。

地腳螺栓型斜柱基礎相比普通的平頂面施工增加了施工難度，其主要體現在需要考慮基礎立柱的斜率控制、頂面淺澆對基礎根開的影響以及預偏值帶來的根開變化對鐵塔根開產生的多種影響。這就需要現場施工人員在采用地腳螺栓型斜柱基礎時能夠嚴格規(guī)范自身行為，保證其按照輸電線路軟土地基基礎設計規(guī)范開展工作，通過立柱近角點根開和遠角點根開以及立柱近角點與遠角點的高差雙向控制斜率，保證立柱表面均低于基礎施工模板5～10 cm，且嚴禁在基礎澆制過程中出現淺澆，以實現斜柱基礎模板坡度、高差以及菱形的精確控制。

2 樁基礎

軟土地基的樁端承載能力相對較低，樁基礎憑借自身受力特點及形式簡潔、施工步驟簡單易行等優(yōu)點，使此種模式的使用在3種基礎模式中最為廣泛。它在所有軟土地基中都適用，是能夠共同承受動靜荷載的一種深基礎，可以將軟土地基不能滿足承載力和變形要求的荷載使用基樁傳遞到更硬、更密實的地基持力層，以保證其承載力要求，并且將其應用于施工過程中，不會出現類似板式基礎問題，具有簡單施工流程，單一形式，方便施工人員開展操控工作。但是，仍然有一定不足存在于樁基礎模式中，因為應對上撥力與下壓力的僅僅是樁和土側摩擦力，其承載方式單一，想要對大荷載進行滿足，必須在設計工作中加大樁徑、樁長，具有簡單形式的樁基礎模式面臨過大增加工程量問題，且澆筑混凝凝土過程中的浮漿厚度難以控制，不僅會導致樁基礎投資成本大大增加，降低輸電線路整體效益，還會受軟土地基特性影響，導致樁基灌注混凝土過程中出現局部塌孔或者因插拔導管過程中用力過猛而影響混凝土質量等現象。

以施工方法為依據，可將樁基礎模式分為3個類別，具體是人工挖孔樁基礎、預制樁基礎、鉆孔灌注樁基礎，3種模式都具有與眾不同特征。

通常不會將人工挖孔樁基礎應用于軟土地基中，究其原因，主要是人工開挖基坑增加坍塌風險，容易發(fā)生安全事故，或者增加工程造價。這主要是由于人工挖孔樁基礎在實際施工過程中，既需要認真研究地質資料，在做好各類防護措施的基礎上對地基進行處理，而人工挖孔樁的單樁施工速度較慢、安全性較差，又需要在樁基施工過程中保證相應樁孔具有送風裝置，一旦出現缺氧現象，難以確保施工人員的施工安全，這對輸電線路工程施工建設的持續(xù)發(fā)展十分不利。

比較適合在一定集中區(qū)域內應用預制樁基礎，因為預制樁基礎是將樁體在工廠進行提前統(tǒng)一化、標準化預制，然后再將其運輸到施工現場，采用打樁機將樁體打入提前設計好的規(guī)定位置，它具有較少施工流程、機械化施工程度、較快施工速度、適用多種土層施工以及堅固耐久、承受較大荷載等優(yōu)勢。然而，考慮設備與材料不方便運輸，在采用預制樁基礎時不僅需要將樁體設計成直徑較小、長度較短的管樁，到現場施工再進行拼接，從而增加現場施工工程量，還需要充分考慮樁體在運輸過程中的碰撞現象，并做好起吊運輸質量防范工作，以避免沖擊和振動等多種因素影響而導致其出現變形等損害，這會增加輸電線路軟土地基基礎工程施工成本。因此，預制樁基礎基本不應用于輸電線工程中。

輸電線路中常用的是鉆孔灌注樁基礎，其只需要將鉆孔機械運輸到施工現場完成指定位置的打孔，再放入鋼筋籠澆筑混凝土便可使樁基成型。它便于運輸，具有較低設備要求，借助鉆孔機等小型機械可以將工程施工工作完成。另外，鉆孔灌注樁基礎在施工過程中產生的施工噪聲相對較小，可以建造比預制樁直徑大且多的樁，其適用于多種地基，因此，它對輸電線路軟土地基基礎設計具有重要意義，此種樁基礎得到大力推廣[3]。但鉆孔灌注樁基礎在實際施工過程中對混凝土質量、施工質量等要求較高，需要現場施工人員做好基礎材料質量把控、合理把控壓漿參數以及提高施工人員綜合素質與專業(yè)能力，加強施工現場監(jiān)督管理力度，以保證鉆孔灌注樁技術施工質量，使其滿足輸電線路工程的實際需求。

3 復合基礎

板樁復合基礎融合另外2種模式，其普及范圍十分廣闊，以不同樁截面大小為依據，分為微型樁復合基礎、板式中型樁復合基礎、變截面樁復合基礎。對比板樁復合基礎與其他2種基礎模式，其具有的特征非常明顯：①板樁復合基礎可將上部結構荷載共同承擔起來，使組合樁、板、土優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，促進更強優(yōu)勢的形成，這不僅可以使基礎工程量減少，還能使施工費用不斷下降，最終持續(xù)減少工程整體造價；②板樁復合基礎能夠最大程度發(fā)揮板式基礎優(yōu)勢，可以削弱上部結構水平作用力對基礎產生的不利影響，穩(wěn)定基礎與上部結構；③對比其它2種基礎模式，安裝施工板樁復合基礎更具靈活性，便于開展施工工作，促進工程效率的提高。

3.1 螺旋錨復合基礎

螺旋錨復合基礎是一種新型基礎形式，既保證了螺旋錨基礎的優(yōu)勢，又能通過承臺和螺旋錨共同承擔豎向荷載和水平作用而提高基礎的抵抗變形能力。通常情況下，螺旋錨技術在鋼桿或較長螺桿上焊接一片或多片具有相同間距的螺旋板，主要針對深層土體抗力錨固結構，具有機械化程度高、施工快捷、環(huán)境影響小等特點。施工中通常借助機械運作方式將壓力施加在螺桿頂部，使其扭轉到土層中，促進螺旋錨基礎抗拉力、抗壓力的提高，將更具承載力的技術研發(fā)出來，不需要開挖基坑，能夠充分發(fā)揮原狀土體固有強度，提高承載能力，滿足安全可靠、經濟適用、環(huán)境保護要求。可將常見螺旋錨基礎分為2種類型，包括金屬螺旋復合基礎、玻璃鋼螺旋錨復合基礎[4]。其中玻璃鋼螺旋錨復合基礎具有承載力較強、基礎工程量較小、本身輕質高強、對原狀土破壞小以及質量可靠易于控制等優(yōu)勢，可以整體抵抗上撥、下壓和水平力，且使用混凝土、鋼筋用量較少，不易老化和發(fā)生腐蝕，前期造價成本與后期維護成本較低，適用于永久工程。

3.2 新型CFG樁-板復合基礎

將一定量水泥、石屑、粉煤灰摻入碎石樁中，經過充分攪拌，制成具有較高黏度的樁體，被稱為水泥粉煤灰碎石樁，也就是傳統(tǒng)CFG樁，具有施工操作簡單、施工費用較低以及對樁間土的擠密效應顯著等優(yōu)勢，屬于復合地基剛性樁。新型CFG樁以傳統(tǒng)CFG樁為基礎，適當配筋，促進樁強度和剛性的提高，使其逐漸轉變成柔性樁，之后搭配應用柔性樁與柔性大板，共同承擔豎向荷載和水平作用，進而發(fā)揮抵抗樁基礎上撥壓力作用，全面提高基礎的抗變形能力與極限承載力。

應用新型CFG樁-板復合基礎除了可以使大板尺寸減少外，還能使樁長一定程度縮短，主要用于處理軟土地基，或應用于具有較大基巖埋深的地質情況中，使基坑開挖工程量不斷減少。另外，CFG樁具有相對較小樁徑，必須應用小型機械完成施工任務，對施工場地內道路和環(huán)境具有較低要求，為施工處理質量提供保障[5]。

新型CFG樁-板復合基礎的應用效益十分明顯，對于直線塔而言，僅需要連接3根柱與板，轉角塔可連接4根柱和板。對比常規(guī)灌注樁，應用新型CFG樁-板復合基礎可以節(jié)省很多材料，減少至少20 %鋼筋量，節(jié)約10 %混凝土量。另外，新型CFG樁-板符合基礎使用的基礎材料為排放量較大的工業(yè)廢渣之一的粉煤灰，其通過實現粉煤灰的回收利用，既能減輕電力企業(yè)粉煤灰的處置成本與桿塔基礎造價成本，又能有效減少揚塵等大氣污染現象，避免其對人體和周邊生物造成危害，最終實現人與自然、工程施工與周邊生態(tài)的和諧相處。

4 結 語

總而言之，在輸電線路軟土地基的施工過程中，相關施工人員需要遵循因地制宜、安全可靠、便于施工、綠色環(huán)保、節(jié)省投資等原則與理念，必須以基礎作用力大小為依據，設計位于軟土地基的輸電線路基礎，充分考慮軟土地基特性，從地基承載力和地下水情況出發(fā)，理解鐵塔荷載與基礎可靠性之間的關系，將合理的基礎形式配置出來，以全方位增強基礎的抗載承載力與抵抗變形能力，并最大限度降低工程施工難度與基礎工程量，從而提高輸電線路軟土地基基礎設計的安全性、可靠性、經濟性、環(huán)保性、合理性，盡量避免破壞環(huán)境，積極保護環(huán)境，并能加強施工現場監(jiān)督管理力度，確保原材料質量與綠色環(huán)保性能，為輸電線路軟土地基基礎設計獲取良好經濟效益和社會效益提供保障。