王麗歡,任亞寧,柴林杰,郭計(jì)元

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,石家莊 050021)

輸電線路軟土地基基礎(chǔ)方案研究

王麗歡,任亞寧,柴林杰,郭計(jì)元

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,石家莊 050021)

針對(duì)軟土地基具有高含水量、高壓縮性、結(jié)構(gòu)性顯著等特點(diǎn),結(jié)合桿塔基礎(chǔ)所承受的荷載特性復(fù)雜的受力特點(diǎn)、工程造價(jià)及環(huán)境保護(hù)等要求,在常規(guī)桿塔基礎(chǔ)型式上加以優(yōu)化,提出了螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)、新型CFG復(fù)合基礎(chǔ)2種輸電桿塔基礎(chǔ)型式,通過(guò)計(jì)算分析,這2種基礎(chǔ)型式具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

輸電線路;軟土地基;桿塔基礎(chǔ);經(jīng)濟(jì)分析

1 概述

近年來(lái),我國(guó)特高壓輸電事業(yè)迅猛發(fā)展,架空線路越來(lái)越長(zhǎng),其費(fèi)用越來(lái)越大,并且在輸電線路的工程建設(shè)中,不可避免地要通過(guò)淤泥質(zhì)土等軟弱地質(zhì)區(qū)。針對(duì)這種情況,以往多采用柔性大板基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)深埋或重力式基礎(chǔ)等。雖能保證輸電線路的運(yùn)行安全,但開(kāi)挖回填式基礎(chǔ)具有材料用量較多,基坑開(kāi)挖量大且開(kāi)挖困難、土體擾動(dòng)較大、投資較大、工期較長(zhǎng)、植被破壞導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重等缺點(diǎn);而灌注樁適于有洪水沖刷的粘性土和砂土地基,其缺點(diǎn)是施工占地面積較大、施工工藝要求較高、且需要大型機(jī)具、進(jìn)場(chǎng)費(fèi)用昂貴,從而導(dǎo)致工程造價(jià)較高[1]。

科研設(shè)計(jì)人員根據(jù)桿塔基礎(chǔ)的受力特點(diǎn),并將“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的設(shè)計(jì)理念貫穿于桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中。同時(shí),在河北省南部電網(wǎng)印發(fā)的電網(wǎng)工程綠色建設(shè)導(dǎo)則下,提出適于軟土地基中的少開(kāi)挖甚至是零開(kāi)挖的螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)、新型CFG樁 板復(fù)合基礎(chǔ)兩種基礎(chǔ)型式。因此,這2種基礎(chǔ)型式具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)

螺旋錨基礎(chǔ)是一種利用深層土體抗力的錨固結(jié)構(gòu),由一片或多片螺旋板等間距焊接在長(zhǎng)螺桿或鋼桿上,如圖1所示。

圖1 螺旋錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在施工現(xiàn)場(chǎng),通過(guò)機(jī)械方式在螺桿頂部施加一定扭矩使之旋入土層中,使螺旋錨基礎(chǔ)具有良好的雙向抗壓和抗拉性能[2]。常用的有玻璃鋼螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)和金屬螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)。

2.1 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)及其特點(diǎn)

螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)(如圖2所示)是一種新型基礎(chǔ)形式,它是在螺旋錨基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)所得,是由剛性基礎(chǔ)承臺(tái)與復(fù)合材料螺旋錨組成的輸電線路桿塔的基礎(chǔ)。通過(guò)承臺(tái)和螺旋錨共同承擔(dān)豎向荷載和水平作用,同時(shí)提高基礎(chǔ)的抵抗豎向、水平變形能力。該種新型基礎(chǔ)通過(guò)兩種基礎(chǔ)的復(fù)合作用,荷載小時(shí)可以采用承臺(tái)柱基礎(chǔ)和雙錨型式,甚至只采用螺旋錨基礎(chǔ),荷載較大時(shí)可以采用承臺(tái)柱基礎(chǔ)和群錨的型式。

圖2 螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)示意

在軟土地基中,玻璃鋼螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)以其輕質(zhì)高強(qiáng)、占地少、對(duì)原狀土破壞小的特點(diǎn)更加適用,并且其承載力較高、基礎(chǔ)工程量較小、施工簡(jiǎn)單、操作方便、質(zhì)量可靠易于控制,從而降低基礎(chǔ)綜合成本。同時(shí),玻璃鋼螺旋錨群作為整體抵抗上拔、下壓、水平力,沉降小于普通基礎(chǔ);不易產(chǎn)生電腐蝕和化學(xué)腐蝕,后期維護(hù)費(fèi)用低,且不易老化,能用于永久工程。加拿大等國(guó)已將玻璃螺旋錨用于超高壓輸電線路桿塔的基礎(chǔ)和拉線地錨[3]。

2.2 玻璃鋼螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)效益分析

以某工程中2種直線塔和2種耐張塔為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。造價(jià)比較列于表1。

表1直柔板式基礎(chǔ)和玻璃鋼螺旋錨基礎(chǔ)材料量和造價(jià)比較

由表1可以看出,對(duì)于前兩種直線塔的情況,由于基礎(chǔ)主柱的直徑和埋深均偏小,混凝土減少約48.35%,鋼筋用量減少約18.56%,總造價(jià)減少約21.19%,經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。當(dāng)后兩種轉(zhuǎn)角塔的基礎(chǔ)作用力較大時(shí),玻璃鋼螺旋錨基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性也能得到很好的體現(xiàn),混凝土減少約35.09%,鋼筋用量減少約12.02%,總造價(jià)減少約7.18%,同樣具有具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

由此可見(jiàn),隨著基礎(chǔ)作用力的增大,玻璃鋼螺旋錨的效益增長(zhǎng)速度變的緩慢,所以,在該條線路工程中,基礎(chǔ)作用力較小的直線塔,使用玻璃鋼螺旋錨更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。

3 新型CFG樁-板復(fù)合基礎(chǔ)

3.1 新型CFG樁-板復(fù)合基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的CFG樁是指在碎石樁體中摻加適量的石屑、砂、粉煤灰和水泥攪合從而制成的一種粘結(jié)強(qiáng)度較高的樁體,稱之為水泥粉煤灰碎石樁,簡(jiǎn)稱CFG樁[4]。

新型CFG樁是在傳統(tǒng)CFG樁基礎(chǔ)上進(jìn)行適量配筋,由原來(lái)的低強(qiáng)度剛性樁[5],向柔性樁轉(zhuǎn)變,通過(guò)與柔性大板共同來(lái)滿足鐵塔基礎(chǔ)的上拔要求。通過(guò)柔性大板基礎(chǔ)和新型CFG樁共同承擔(dān)豎向荷載和水平作用,同時(shí)提高基礎(chǔ)的抵抗豎向、水平變形能力[6]。該種基礎(chǔ)即可以減小大板尺寸,又可以縮短樁長(zhǎng),適用于軟土地基,且持力層或基巖埋深較大的地質(zhì)情況,可減少基坑開(kāi)挖量,同時(shí)CFG樁樁徑較小,采用小型機(jī)械即可施工,對(duì)進(jìn)場(chǎng)道路要求較低。如圖3所示。

圖3 新型CFG復(fù)合基礎(chǔ)

由于CFG樁樁徑較小,Ⅰ型直線塔采用3根樁與板相連,Ⅰ型轉(zhuǎn)角塔采用4根樁與板相連,其材料量與造價(jià)見(jiàn)表2。

表2新型CFG復(fù)合基礎(chǔ)和常規(guī)基礎(chǔ)材料量和造價(jià)比較

表2新型CFG復(fù)合基礎(chǔ)和常規(guī)基礎(chǔ)材料量和造價(jià)比較

基礎(chǔ)型式 混凝土/m3鋼筋/tⅠ型直線塔 Ⅰ型轉(zhuǎn)角塔 Ⅰ型直線塔 Ⅰ型轉(zhuǎn)角塔灌注樁基礎(chǔ) 52.91 76.38 8.37 9.57直柔大板基礎(chǔ) 21.88 49.87 2.68 2.43新型CFG樁板復(fù)合基礎(chǔ) 48.56 66.15 5.75 7.89

同時(shí),采用這種組合方式,其極限承載力大于單樁基礎(chǔ)和大板基礎(chǔ)極限承載力之和,提高率約20%,同時(shí)可以減少混凝土量78%,鋼筋量減少15.4%。在考慮基礎(chǔ)承載30%、45%、60%荷載后,與樁基礎(chǔ)相比基礎(chǔ)工程造價(jià)分別降低約25. 23%、31.25%、38.68%。綜合比較,采用新型CFG復(fù)合基礎(chǔ)較合理。

3.3 主要材料與復(fù)合基礎(chǔ)承載力確定

3.3.1 基礎(chǔ)材料綠色環(huán)保

基于本文所提出的新型CFG樁-板復(fù)合基礎(chǔ),其原材料組成之一為粉煤灰。粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一,年排放量高達(dá)1.8億t[7]。發(fā)達(dá)國(guó)家已將其作為一種新的資源來(lái)利用,利用率高達(dá)70%～80%,而我國(guó)利用率僅為30%[7]。

粉煤灰回收利用,可以有效減少揚(yáng)塵,大氣污染,減輕對(duì)人體和生物造成危害;有效減輕電力企業(yè)3.1%的粉煤灰處置成本,同時(shí),由于其成本低,進(jìn)而可以有效降低桿塔基礎(chǔ)造價(jià)。

3.3.2 復(fù)合基礎(chǔ)承載力確定

式中:Q u為單樁極限承載力,k N;n為樁數(shù),根; QLPF為無(wú)樁時(shí)大板極限承載力,k N;α為大板效應(yīng)系數(shù),主要與大板幾何形式、尺寸、施工工藝及天然地基承載力有關(guān)。根據(jù)有限元和試驗(yàn)結(jié)果,單樁-板復(fù)合基礎(chǔ)抗壓時(shí),α=0.8～1.0;群復(fù)合基礎(chǔ)抗壓時(shí),α=1.2;單復(fù)合基礎(chǔ)抗拔時(shí),α =0.5。

a.改善了大板基礎(chǔ)抵抗水平變形的性能,基礎(chǔ)的水平位移較單樁基礎(chǔ)和大板基礎(chǔ)均小很多;同時(shí)提高了基礎(chǔ)的受水平荷載的極限承載力,其極限承載力大于單樁基礎(chǔ)和大板基礎(chǔ)極限承載力之和,提高率約19%。

d.該新型基礎(chǔ)型式利用大板柔性基礎(chǔ)+樁基的組合形式,使這兩種基礎(chǔ)發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)彌補(bǔ)對(duì)方的不足,揚(yáng)長(zhǎng)避短。即減小了大板基礎(chǔ)的尺寸,又減小了樁基的長(zhǎng)度和數(shù)量。從而減少混凝土和鋼筋用量,降低工程造價(jià)。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.在軟土地基中采用可自旋進(jìn)入較深土層的螺旋錨基礎(chǔ),混凝土減少約41.72%,鋼筋用量減少約15.29%,總造價(jià)減少約14.18%;

因此這2種基礎(chǔ)型式均具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 楊二敏,嚴(yán)行健,仇鳳鳴,等.免開(kāi)挖輸電線路金屬錨基礎(chǔ)應(yīng)用與研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(2

[2] 郝冬雪,陳 榕,符勝男.砂土中螺旋錨上拔承載特性模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2015,37(1):126132.

[3] 施月泉,謝 芳,馮 炳.復(fù)合螺旋錨基礎(chǔ)在輸電線路中的應(yīng)用研究[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào),2013,33(9):4247.

[4] 薛新華,魏永幸,楊興國(guó),等.CFG樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2012,33(2):712.

[5] 馬明正,海振雄,葉陽(yáng)升,等.高速鐵路CFG樁復(fù)合地基沉降計(jì)算適用方法研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2014,35(02)

[6] 倪輝輝,張大長(zhǎng),李布輝,等.輸電桿塔結(jié)構(gòu)新型復(fù)合基礎(chǔ)下壓承載力特性模擬分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,37 (5)

[7] 雷 瑞,付東升,李國(guó)法,等.粉煤灰綜合利用研究進(jìn)展[J].潔凈煤技術(shù),2013,19(3)

本文責(zé)任編輯:靳書(shū)海

Study on Soft Soil Foundation Scheme of Transmission Line

Wang Lihuan,Ren Yaning,Chai Linjie,Guo Jiyuan
(State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Aiming at the soft soil foundation physical and mechanical properties are very complex,with high water content, high compression and visible structure.Meanwhile,Based on the complex stress characteristics of tower,engineering cost and environmental protection and other requirements,this paper puts forward two transmission tower foundation,they are respectively helical anchor composite foundation,new CFG pile-composite foundation.After calculation,these two basic types have good economic benefits.

transmission line;soft soil foundation;transmission tower foundation;economic analysis

TU475.9

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王麗歡(1986-),女,工程師,主要從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。