輸電塔的軟土地基混凝土微型樁加固應(yīng)用工程分析研究

惠雷，程澍，左志遠

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司江蘇齊天電建集團，江蘇 連云港 222023；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司連云港分公司，江蘇 連云港 222023）

0 前言

輸變電工程在電網(wǎng)系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，輸電線路的穩(wěn)定性直接影響我國電力運行的成本。我國高速增長的經(jīng)濟需求，對輸電線路建設(shè)的需要也日益增長。建立起一套可靠度高的加固修繕方法，可以維持基本功能不變。在當下推進能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的新時期，加強施工質(zhì)量管理水平、提高施工質(zhì)量技術(shù)水平具有深遠的實踐意義[1]。

輸電塔是能源領(lǐng)域一種重要的傳輸電能基礎(chǔ)設(shè)施。新時代國家發(fā)布的“新基建”建設(shè)領(lǐng)域中，輸電塔基礎(chǔ)建設(shè)屬于重要的組成部分。多數(shù)采用角鋼塔桁架組成傳統(tǒng)經(jīng)典型的輸電塔塔型，它的安全性能直接影響著電力領(lǐng)域的能源安全，具有重要的戰(zhàn)略意義。從根部受承載力作用而言，輸電塔承受導線和豎向地基承載力作用，可以承擔著傾覆力矩，連續(xù)倒塌，地震災(zāi)害等影響。輸電塔基礎(chǔ)型式根據(jù)地基土的特征承載力和地基土具體情況選擇，一般而言，基礎(chǔ)有灌注樁基礎(chǔ)、獨立承臺基礎(chǔ)、筏板式基礎(chǔ)和承臺梁基礎(chǔ)等幾種形式。輸電塔的施工具有周期短、節(jié)奏強、質(zhì)量要求高的特點，加之施工現(xiàn)場經(jīng)常在野外導致各種不確定因素很多，因此施工質(zhì)量的好壞直接影響后期結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全評估。本文提出針對淤泥土質(zhì)為主的淺地基提出施工加固方法，以增強塔底部的穩(wěn)定性，針對幾個已經(jīng)實施的工程，通過方案探討與結(jié)果對比，對幾種方法進行深入探析。

1 國內(nèi)外工程研究現(xiàn)狀

輸變電工程在電網(wǎng)系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，輸電線路的穩(wěn)定性直接影響電力運行的成本?；A(chǔ)的可靠性、穩(wěn)定性、連續(xù)性對于保持整條線路穩(wěn)定性具有十分重要的意義。輸變電鐵塔在建設(shè)過程中面臨著工作場所偏遠、工人技術(shù)經(jīng)驗薄弱、政策和天氣變化因素多變等特點，施工技術(shù)選擇的好壞直接影響工程后期穩(wěn)定運行?；A(chǔ)方案設(shè)計應(yīng)該根據(jù)地形、土質(zhì)條件以及技術(shù)經(jīng)濟指標選擇最為合適的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外很多技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實際工程中，文獻2中針對存在巖石基礎(chǔ)承載力的情況采用錨桿靜力加固的做法[2]。軟土地基狀況不利于鐵塔地基底部承載，容易產(chǎn)生不均勻沉降。文獻3報道了海南軟土地區(qū)通過加強水泥攪拌樁復合地基承載，降低了基礎(chǔ)建設(shè)成本又不降低基礎(chǔ)承載能力的技術(shù)做法[3]。江蘇連云港地區(qū)地處黃海之濱，地質(zhì)條件較為復雜，鐵塔建設(shè)過程中時常存在地基受力面下存在不利于工程建設(shè)的土層如細砂土、濕陷性軟土等土層；部分地基開挖存在地下積水噴涌、噴砂的現(xiàn)象，妥善處理好這些不良地基處理，對于保障鐵塔基礎(chǔ)長期安全穩(wěn)定性十分重要。國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)針對高聳構(gòu)筑物地基存在進水提出深齒墻和樁基礎(chǔ)組合情況滿足最大沉降量技術(shù)要求[4]。通常鐵塔基礎(chǔ)使用的開挖式基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)，巖石錨桿、螺旋錨桿基礎(chǔ)，復合地基等幾種形式，以上四種基礎(chǔ)廣泛用于各種工程，但是這些工程技術(shù)不僅耗費巨大而且工期長，人工成本高。隨著各項新技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測和工程技術(shù)手段的不斷成熟。本文提出使用加固設(shè)計的方法增強復合地基承載作用力和穩(wěn)定性[5]。通常在輸電線路工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中會涉及抗拔力和水平風荷載作用下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及在連續(xù)地震作用下引起的連續(xù)性倒塌結(jié)構(gòu)設(shè)計。連續(xù)倒塌性能在一定程度上影響著輸電塔結(jié)構(gòu)水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性能，由于電纜線的線重比較大，檔距變化過大容易影響輸電線路方向，而且在一定情況下不同塔基之間的檔距不同可能對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不同程度的影響。外部惡劣條件的變化使得導線覆冰和水平荷載導致角鋼發(fā)生極限變形破壞[6]。

2 工程案例

2.1 項目概況

從梁丘變110kV間隔向西出線，經(jīng)過村莊、果園、河床至本期洪爽變。本工程屬于連云港市級五年計劃脫貧攻堅的重要民生基礎(chǔ)設(shè)施。雙設(shè)單架總長度約16.4km。全線新建鐵塔采用剛性臺階式基礎(chǔ)。松散巖類潛水、基巖裂隙水。松散巖類潛水主要賦存于上部素填土、粘性土中，其補給來源主要為大氣降水入滲，排泄方式以蒸發(fā)為主，并隨季節(jié)變化而有所升降。據(jù)調(diào)查，地下水位受季節(jié)影響年變幅較大，基巖裂隙水主要賦存于下部風化巖層中，它們主要通過側(cè)向徑流及越流進行補給與排泄?？睖y期間測得穩(wěn)定水位范圍值 1.80～2.05m,穩(wěn)定水位平均值1.94m。

2.2 樁基加固

典型的雙回路耐張塔轉(zhuǎn)角塔8#工程在實施過程中發(fā)現(xiàn)很多地下泉涌、涌砂現(xiàn)象，實際土層較為復雜，出現(xiàn)土層條件與地勘報告中不符的現(xiàn)象。地面線下2m出現(xiàn)的松散粉質(zhì)巖地下基巖裂隙滲水。本區(qū)內(nèi)第四系松散沉積物厚度較大，土層強度一般為高-中壓縮性土，下部基巖層地基需要妥善處理滲水現(xiàn)象，并且在設(shè)計開挖處進行加固處理才能保證基礎(chǔ)強度和穩(wěn)定性達到設(shè)計要求。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋在干濕交替條件下具弱腐蝕性；對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋在長期浸水條件下具有微腐蝕性。完全杜絕地下水產(chǎn)生的不利因素，需要對基坑做底部加固，驗證需要使用微型水泥樁加固和基坑底部四周滿樘加固結(jié)合的方法。微型水泥樁直徑400mm,樁深長度3m，間隔3m,布置圖見圖1。首先，進行集水井降排措施，把涌出的水位通過排水溝引導到周圍的四點集水井，使得水位線達到設(shè)計要求以下，并且做好周圍淤泥質(zhì)土的邊坡防穩(wěn)定安全措施，見圖2和圖3。鐵塔基坑底部共計9根水泥加固復合地基。根據(jù)《110kV-750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB50545-2010）規(guī)定，《地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《樁基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》《地基處理規(guī)范》的規(guī)范，一般增強體復合地基承載力計算：

圖1 微型樁平面布置圖

圖2 場地涌水涌砂狀況

圖3 軟土地基布樁施工現(xiàn)場

公式中λ代表單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；Ra是單樁承載力特征值；β是樁間土揮發(fā)系數(shù)，可以按地區(qū)查表；Ap是單樁截面積;m指的是復合地基置換率。其中土層的抗側(cè)阻力以及樁端阻力系數(shù)見表2。

根據(jù)地勘資料，可以得到不同土層下的復合地基承載力特征值表（表1）經(jīng)過深寬修正后的地基承載力根據(jù)公式（1）得出為317kPa,與勘測資料結(jié)果對比，大于設(shè)計地基承載力270kPa。復合水泥樁基礎(chǔ)處理地基后的最大豎向力根據(jù)《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5219-2005），臺階型基礎(chǔ)部分由基礎(chǔ)底面以上土的抗拔角控制[7]。微型樁部分上拔穩(wěn)定性由樁基礎(chǔ)的樁側(cè)阻力和樁端組成，文獻8指出對微型樁進行二次灌樁更加有利于提高微型樁上拔抗力，研究指出經(jīng)過斜樁布置后的抗拔效果更佳[8]。經(jīng)過處理后的黏性土增強微型樁復合地基承載力，抗拔力更有利于保持桿塔基礎(chǔ)底部的上拔穩(wěn)定性，計算基礎(chǔ)上拔力大于設(shè)計提供的基礎(chǔ)上拔作用力。

土層計算結(jié)果特征承載力 表1

當h＜hc，此處hc指的是臨界高度，ht指土回填深度，Vt代表倒錐土體積，VO代表土下基礎(chǔ)體積，Qf代表混凝土自重，α是上拔角，B是基礎(chǔ)寬度尺寸，γ是回填土重度。

將表2中土的剪切參數(shù)代入公式（2）和公式（3）可得地基計算值與試驗設(shè)計理論值偏差。

通過參考表2的基礎(chǔ)參數(shù)，文獻7中采用上拔力分析指出結(jié)果[7]。魯先龍?zhí)岢鼋?jīng)驗為主的“土重法”分析后處理后的地基計算值與試驗設(shè)計理論值偏差較小。因為復合地基經(jīng)過處理后的抗壓強度得到了1.2倍提高，因此根據(jù)庫倫公式，摩擦角也有相應(yīng)的提高。臺階基礎(chǔ)底部有微型樁，根據(jù)表2計算每個塔腿產(chǎn)生10kN的樁身抗側(cè)阻力，因此也使得基礎(chǔ)上拔力增加到了近1.2倍。

土層土質(zhì)地勘參數(shù) 表2

3 桿塔基礎(chǔ)施工工藝要點分析

3.1 加強技術(shù)方案措施編制

材料因素的影響，混凝土材料是一種緊密膠凝材料，它由砂和石子、水泥組成，由于不同的水膠比會產(chǎn)生不同的強度等級。在輸電塔前期設(shè)計技術(shù)資料交底時候應(yīng)該注意到對于進場材料質(zhì)量的控制，做到進場原材料必須進行檢測，必須由合格廠家提供質(zhì)量合格證書。施工組織前期技術(shù)交底對全過程起到技術(shù)指導作用，有效的質(zhì)量控制可以防止不達標混凝土影響基礎(chǔ)質(zhì)量強度安全，合理的水膠比可以保證混凝土干縮而產(chǎn)生裂縫。過大的裂縫會導致鐵塔基礎(chǔ)部分發(fā)生變形和力學破壞，從而影響輸電塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。目前較為普遍的施工技術(shù)方案有微型樹根樁加固、錨桿靜力加固基礎(chǔ)、樁下灌注糾偏等技術(shù)，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)均能夠有效防止樁底發(fā)生較大變形破壞。

3.2 設(shè)計影響因素

高聳輸電塔常坐落于野外地區(qū)，風荷載大，容易產(chǎn)生水平方向的外拉力，嚴重情況下受豎向荷載和水平荷載容易發(fā)生傾覆倒塌。直線塔和轉(zhuǎn)角塔是兩種不同的塔型，兩種塔型的受力狀況是不同的，因此設(shè)計期間，通過合理設(shè)置塔型的布置減少檔距，防止過大檔距產(chǎn)生不利影響。

另外通過對角鋼塔截面形式的修正，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》可以改變角鋼塔構(gòu)件的長細比，增強塔身的穩(wěn)定性。找到影響角鋼穩(wěn)定的重要因素，提高角鋼加固后的壓彎穩(wěn)定臨界值。

4 結(jié)論

①輸電塔是一種建設(shè)周期較短但是建設(shè)質(zhì)量要求較高的工程，加強前期技術(shù)、人工質(zhì)量的管理，加強關(guān)鍵工序的質(zhì)量要點把控可以有效減少因為關(guān)鍵工序質(zhì)量不良造成工程質(zhì)量缺陷。通常輸電塔工程位于野外本例由于前期地址勘察不足，未發(fā)現(xiàn)地下土壤處于粘性淤泥，下部含有風化碎石而且出現(xiàn)了沙涌碎石，出現(xiàn)較差的施工環(huán)境。本案使用的微型樁加固基礎(chǔ)方法，經(jīng)過施工和驗算可以有效防止底面下沉、傾斜，達到糾偏的效果。經(jīng)過微型樁加固和邊坡處理的基礎(chǔ)，具有較強的地基承載力特征值，是一種有效的防止地基砂涌的方法，上拔力與試驗計算結(jié)果偏差值較小，符合基本設(shè)計要求。

②地基基礎(chǔ)加固處理是輸電塔工程中常用的施工技術(shù)，在工程建設(shè)中時常會出現(xiàn)不同地質(zhì)條件的軟土地基，處理地基成本較高，增加工程建設(shè)成本。因此，第一，在施工圖交底階段應(yīng)該組織測量單位進行沿線地質(zhì)條件復測，以提前采用合理的施工技術(shù)。在施工質(zhì)量工程前期應(yīng)該加強對進場混凝土材料的坍落度和原材料質(zhì)量的把握，杜絕沒有正規(guī)廠家合格證書產(chǎn)品進場，杜絕不達標材料進場，把工程質(zhì)量隱患把控在源頭。施工管理單位在基礎(chǔ)加固前應(yīng)該依據(jù)施工質(zhì)量標準、施工圖紙、工藝方案、工藝流程以及現(xiàn)場各種施工因素對施工質(zhì)量進行把控，防止出現(xiàn)施工質(zhì)量問題。第二，設(shè)計方在進行關(guān)鍵部位地質(zhì)勘察件的校驗時，采用適時的地質(zhì)勘察報告，對軟土地基原位加固提出合理預(yù)案，以保障特殊地基條件下的基礎(chǔ)穩(wěn)定性，確保輸電塔安全長期穩(wěn)定運行。