掏挖盤樁基礎(chǔ)在特高壓線路工程中的應(yīng)用

馬葉

【摘要】隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力工業(yè)的進(jìn)步日新月異。電網(wǎng)建設(shè)方面需要更高電壓等級的輸電技術(shù)，以便使我國的資源開發(fā)更為合理，所以發(fā)展特高電壓直流輸電是必要的，是符合國家和社會需要的。輸電線路中基礎(chǔ)是鐵塔和地基之間的連接構(gòu)件，是輸電線路體系重要的組成部分?；A(chǔ)的合理選型直接決定了設(shè)計的優(yōu)劣，合理的基礎(chǔ)型式，可以有效的控制工程造價，縮短工程建設(shè)周期，延長工程的合理壽命，保證可靠的線路運行安全，降低對自然環(huán)境的破壞，實現(xiàn)資源效益的可持續(xù)發(fā)展。掏挖盤樁基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)在超高壓線路工程中逐漸被廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】掏挖盤樁；承載力高；位移?。怀杀镜?；利于環(huán)保

1. 前言

（1）輸電線路中基礎(chǔ)是鐵塔和地基之間的連接構(gòu)件，是輸電線路體系重要的組成部分。基礎(chǔ)的合理選型直接決定了設(shè)計的優(yōu)劣，合理的基礎(chǔ)型式，可以有效的控制工程造價，縮短工程建設(shè)周期，延長工程的合理壽命，保證可靠的線路運行安全，降低對自然環(huán)境的破壞，實現(xiàn)資源效益的可持續(xù)發(fā)展。

（2）送電線路基礎(chǔ)設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)系整條線路的安全運行，一旦某個鐵塔基礎(chǔ)出現(xiàn)塌陷、滑坡和基礎(chǔ)自身破壞等安全事故，整條線路運行將面臨癱瘓。由于高壓（如±800kV輸電線路）輸電線路本身的重要性，其承擔(dān)了十分巨大的輸電量，因此針對不同的基礎(chǔ)負(fù)荷、地質(zhì)及地形條件因地制宜選擇基礎(chǔ)型式，不僅降低了工程成本，而且為線路的安全運行提供了必要的保障。

（3）同時，不同的基礎(chǔ)型式具有不同的特點，承載能力、材料耗量、土石方量以及對環(huán)境的影響等各不相同；工程建設(shè)會不可避免的將對自然環(huán)境造成破壞，這需要設(shè)計根據(jù)塔位不同的地質(zhì)、地形及周邊環(huán)境因地制宜選擇基礎(chǔ)型式，充分利用每個基礎(chǔ)的優(yōu)點，減少土石方量，并應(yīng)在施工完成后采取有效措施恢復(fù)自然面貌，將工程對環(huán)境的影響減小到最小程度。而掏挖盤樁基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)在特高壓線路工程中逐漸被廣泛的應(yīng)用。

2. 掏挖盤樁基礎(chǔ)的特點及承載機(jī)理

掏挖盤樁基礎(chǔ)由樁身和兩個盤組成，共同承擔(dān)桿塔荷載。在掏挖基礎(chǔ)中部增加一個素混凝土盤，成為掏挖盤樁基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)型式具有高承載力和低壓縮量的特性，由于樁側(cè)摩阻力、盤端阻力和樁端阻力得到了充分發(fā)揮，使得該基礎(chǔ)的上拔和下壓承載力均有大幅度的提高，施工難度相當(dāng)，開挖量小，對環(huán)境破壞小，適用于基礎(chǔ)作用力較大的鐵塔基礎(chǔ)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益（掏挖盤樁基礎(chǔ)見圖1）。

2.1掏挖盤樁基礎(chǔ)特點。掏挖盤樁基礎(chǔ)具有良好的工程特點：

（1）承載力高：人工掏挖過程對土體擾動小，清孔干凈，施工質(zhì)量有保證，能充分發(fā)揮原狀土的承載力，更適用于基礎(chǔ)作用力較大的轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)；

（2）承載力有保障：施工過程中，可根據(jù)現(xiàn)場條件避開軟弱土層，使盤盡量位于較堅硬土層，有效保證承載力；

（3）位移小：在原狀土中，荷載通過盤傳遞到土層上去即分層承載，不僅減小樁端作用力，而且擴(kuò)大了承載面積，基礎(chǔ)位移量小于大開挖基礎(chǔ)；

（4）成本低：與斜柱板式基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)相比，混凝土耗量少，土方量少，成本低，具有很強(qiáng)的市場競爭力；

（5）施工占地少：采用人工掏挖，施工時不需要大型施工機(jī)械，材料占地少，能在狹窄和交通不便地段施工；

（6）施工安全性提高：相同承載力條件下，與掏挖基礎(chǔ)相比，擴(kuò)底直徑更小，掏盤時工人無需進(jìn)入盤內(nèi)即可操作，降低了工人工作的危險性；

（7）利于環(huán)保：開挖面積小，與斜柱板式基礎(chǔ)相比，基坑開挖的工作量大大降低，能減少水土流失和護(hù)坡難度，減少耕地的占用及青苗的毀壞。

表1基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)比較表（不含插入角鋼或地腳螺栓）基礎(chǔ)指標(biāo)混凝土鋼筋量土方量綜合造價m3相對值Kg相對值m3相對值萬元相對值掏挖盤樁基礎(chǔ)110.22 78.7%883257.9%117.96.3%20.7863.2%掏挖基礎(chǔ)118.64 84.7%10493 68.8%126.96.8%22.769%斜柱板式基礎(chǔ)140.1100%15252100%1864100%32.89100%圖1掏挖盤樁基礎(chǔ)圖2掏挖盤樁破壞形式圖3斜掏挖基礎(chǔ) 圖4直掏挖偏心插入式基礎(chǔ) 2.2掏挖盤樁基礎(chǔ)承載力機(jī)理。

（1）掏挖盤樁由于盤的存在，使整個樁體的承載特性發(fā)生了顯著的變化。加載初期盤承擔(dān)的荷載較小，隨著荷載的增加，盤承擔(dān)的總荷載逐漸增大，且隨著樁頂荷載的增加，盤承擔(dān)的荷載增長速率也逐步加快。樁身不同位置的盤表現(xiàn)出了不同的荷載增長規(guī)律：上、下盤承載力的發(fā)揮具有明顯的時間和順序效應(yīng)，在加載初期，上盤比下盤承擔(dān)較多荷載，但下盤分擔(dān)荷載增長迅速，在受荷后期反而比上盤分擔(dān)更多荷載。樁側(cè)摩阻力在加載初期增長較快，隨著樁頂荷載增加，樁側(cè)摩阻力增長速率逐步減小，在樁頂荷載接近極限承載力時樁側(cè)摩阻力幾乎停止增長，說明盤和樁側(cè)摩阻力之間存在互補關(guān)系，而且從時間效應(yīng)上來看，往往是樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值以后盤才更有效地發(fā)揮端承作用。

（2）在成樁機(jī)理上，掏挖盤樁是利用中下部較好的土層，將荷載通過混凝土傳遞到土層上去，即分層承載，不僅減小了樁端作用力，而且還擴(kuò)大了承載面積，達(dá)到了提高承載力的目的；在荷載傳遞上，每個混凝土盤都要受力，但上部混凝土盤首先承擔(dān)大部分荷載，隨著樁頂荷載逐漸加大，中下部盤受力也隨之加大，從而使單樁承載力逐步提高，由于分層承載，在工作荷載作用下，樁端作用力所占比重減小，從而保證了樁端土的穩(wěn)定性。因此，掏挖盤樁在受力機(jī)制上是非?？茖W(xué)的，并且具有較大的承載潛力。

（3）實際破壞面的描述是建立計算公式的基礎(chǔ)，對于滿足 （ 為盤間距， 為樁直徑）的掏挖盤樁基礎(chǔ)，其破壞面為圖2（a）所示形式；對于 的掏挖盤樁基礎(chǔ)，其破壞面為圖2（b）所示形式。該破壞面為規(guī)則的圓柱體，按灌注樁的模型，綜合考慮樁側(cè)土和樁端土的貢獻(xiàn)，可以準(zhǔn)確地分析其抗拔承載力和抗壓承載力（掏挖盤樁破壞形式見圖2）。

2.3掏挖盤樁基礎(chǔ)的優(yōu)化。

（1）掏挖盤樁基礎(chǔ)大幅度提高了單樁的上拔和下壓承載力，其設(shè)計樁徑明顯減小，卻帶來了水平承載能力不足的問題，常常因為水平位移不滿足規(guī)范要求而被迫加大樁徑，使掏挖盤樁基礎(chǔ)的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。

（2）為突破這一瓶頸，就要降低水平力對掏挖盤樁基礎(chǔ)的影響，目前有兩種方案：斜掏挖基礎(chǔ)和直掏挖偏心插入式基礎(chǔ)，如圖3和圖4所示。斜掏挖基礎(chǔ)的樁身坡度與塔腿一致基礎(chǔ)所受的水平力大大減小，基礎(chǔ)基本上處于軸心拉壓受力狀態(tài)，從而大大減小了水平位移。直掏挖偏心插入式基礎(chǔ)通過插入角鋼偏心手段，相當(dāng)于在樁頂施加了一個反向彎矩，在一定程度上抵消了水平力產(chǎn)生的彎矩，也達(dá)到減小水平位移的目的。斜掏挖基礎(chǔ)可比直掏挖斜插入式基礎(chǔ)的偏心值更大，更節(jié)省基礎(chǔ)材料，但開挖方式是斜掏挖，施工難度大，對地質(zhì)要求高，而直掏挖偏心插入式基礎(chǔ)沒有明顯增加施工難度，更容易實現(xiàn)。因此采用直掏挖偏心插入的方式來減小水平力的影響，以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化樁徑的目的（斜掏挖基礎(chǔ)見圖3，直掏挖偏心插入式基礎(chǔ)見圖4）。

3. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

（1）由上述分析可知，掏挖盤樁基礎(chǔ)的受力性能好，承載力高，設(shè)計理論成熟，施工工藝簡單，對環(huán)境影響小，在±800kV等特高壓直流線路中應(yīng)用是完全可行的。但在工程中是否能夠大量采用，還需要比較掏挖盤樁基礎(chǔ)與其它基型的經(jīng)濟(jì)性。

（2）按照地質(zhì)條件為：粉質(zhì)黏土，硬塑，重度γ=16.0KN/m3，黏聚力C=20KPa，內(nèi)摩擦角Φ=12°，承載力特征值fak=130KPa，qsik=63KPa，qpk=1200KPa。

基礎(chǔ)作用力： T=3186KN，HX=384KN，HY=514KN；

N=4269KN，HX=602KN，HY=564KN。

（3）現(xiàn)對掏挖盤樁基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)和斜柱板式基礎(chǔ)進(jìn)行多方案優(yōu)化設(shè)計后，將各基型最優(yōu)方案的材料耗量和費用列入表1：

（4）由表1可以看出，掏挖盤樁基礎(chǔ)的混凝土耗量最小，約為掏挖基礎(chǔ)的92.9%，為斜柱板式基礎(chǔ)的78.7%。掏挖盤樁基礎(chǔ)鋼筋量最小，約為掏挖基礎(chǔ)的84.2%，約為斜柱板式基礎(chǔ)的57.9%。掏挖盤樁基礎(chǔ)的土方量最小，約為掏挖基礎(chǔ)的92.9%，為斜柱板式基礎(chǔ)的6.3%，說明掏挖盤樁基礎(chǔ)對生態(tài)環(huán)境破壞小，具有明顯的優(yōu)勢。掏挖盤樁基礎(chǔ)的綜合造價最低，約為掏挖基礎(chǔ)的91.5%，為斜柱板式基礎(chǔ)的63.2%。

（5）綜上所述，采用掏挖盤樁有效降低了整個工程造價且有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4. 結(jié)語

通過對特高壓直流輸電線路的桿塔基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)研究，確定桿塔基礎(chǔ)型式，對特高壓輸電線路的桿塔基礎(chǔ)設(shè)計起到了一定的指導(dǎo)作用，對降低特高壓輸電線路的工程投資，保證特高壓線路的長期安全運行具有重大意義。掏挖盤樁基礎(chǔ)作為一種新型基礎(chǔ)，具有承載力高、位移小、成本低、施工占地少、施工安全性高、利于環(huán)保的等特點，經(jīng)過在特高壓線路工程中試點運用后，逐漸被推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑樁基技術(shù)規(guī)范 JGJ94-2008.

[2]電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊.