输电线路新型复合式基础试验研究

丁士君，鲁先龙，郑卫锋

（中国电力科学研究院，北京100192）

由于经济和社会和谐发展的迫切要求，输电线路工程建设中环境保护问题越来越受到重视[1]，我国相关法规和技术规程都对电力工程建设中的环保提出了明确要求[2-3]。从输电线路基础工程的角度来说，需因地制宜、合理选择基础型式对减少环境破坏、节约材料至关重要[4]。

对于地表由薄粘土层覆盖，其下部为风化岩层，或者原状粘土层-全风化-强风化-中风化岩层连续分布的场地，若输电线路杆塔基础还采用传统的基础型式，如大开挖基础、原状土掏挖基础或岩石嵌固式基础，均不符合经济环保的要求。如采用大开挖基础，易造成环境破坏面积广，基础工程耗材量大，且运输等成本高；如采用原状土掏挖基础，一般原状土层厚度不够，无法满足杆塔荷载要求；如采用岩石嵌固式基础[2-5]，需将表层粘土换填，造成表层原状土浪费，且开挖量增大，不利于环境保护。因此，对于表层由薄原状土粘层覆盖的风化岩体地基，选择新型环保型复合式基础型式，在上部原状粘土层中进行掏挖，在下部岩体中进行岩石嵌固式基础，不仅能有效满足杆塔荷载的要求，且安全、经济、环保，符合输电线路“两型三新”建设的目标。

1 试验概况

1.1 场地条件

试验场地的岩土层分布如下：

1）黏性土、残积土构成的原状土层，厚度为1.8耀2.5 m，通过现场直剪试验[6-7]，得到其基本物理力学性质指标如表1所示，上部黏性土灰黑色，土质较均匀，弱冻胀；下部残积土灰黄色，含风化成的细砂。

表1 原状土层基本物理力学性质

2）原状土层下部至7.0 m范围内为强耀中风化硬质砂岩，灰黄色，夹泥岩，该岩层抗剪强度取为30 kPa[2]。

1.2 试验基础设计与施工

掏挖与嵌固复合式试验基础样式如图1所示，设计尺寸见表2。

图1 掏挖与嵌固复合式基础和掏挖基础

表2 试验基础设计尺寸与数量

掏挖与嵌固复合式试验基础坑主要采用人工掏挖，并辅助小型机械的施工方式，先完成掏挖构件坑，再掏挖嵌固构件坑，成孔过程顺利，坑壁稳定。

1.3 试验加载和承载力确定方法

载荷试验采用慢速荷载维持法，具体加卸载方案、加卸载终止条件、极限承载力的确定见相关规范[2,8]。

2 试验结果

2.1 荷载位移曲线

图2为复合式基础荷载-位移关系曲线，其中，TW1、TQ3进行上拔荷载与水平荷载联合加载，其余基础单纯进行上拔加载。

2.2 基础极限承载力确定

根据图2的试验荷载与位移关系，及地基的裂缝开裂、基顶位移、最大稳定加载情况，得到基础极限承载力，如表3所示。

图2 载荷试验荷载与位移关系曲线图

表3 试验基础极限承载力及取值依据

2.3 基础承载破坏形态

试验基础破坏时，主要表现如下。

1）原状土掏挖基础：破坏状态表现形式主要以基顶位移过大为主，在上拔原水平作用工况下水平位移过大，伴随地表裂缝出现。

2）复合式基础：试验未加载至地基与基础破坏状态，但水平位移达到极限位移状态。

3 复合式基础承载力计算方法

3.1 抗拔承载力计算

复合式基础极限抗拔承载力理论计算如下：

式中，Tu、Tu1和Tu2分别为复合式基础、全掏挖和嵌固构件的极限抗拔承载力，kN；kD和kQ分别为掏挖和嵌固构件的抗拔发挥程度系数；Qf为基础自重，kN。

全掏挖构件抗拔承载力Tu1按“剪切法”[2，9]计算，嵌固构件Tu3由锥角为琢越90毅的倒锥体侧壁破裂面剪切应力竖向分量计算[2]，即：

式中，γs为岩土体等代抗剪强度，kPa；D0为嵌固基础构件基底直径，m；h和h0分别为嵌固和掏挖构件抗拔承载力计算深度，m。

由于岩石嵌固基础抗拔承载力计算不考虑岩体重量对抗剪强度的影响，即岩体剪切破裂面上抗剪强度为定值，掏挖与嵌固复合式基础也同样处理，另外，掏挖与嵌固构件破裂面不重叠（如图3所示），因此，h=h0+h1，其中，h1为嵌固构件长度（如图1所示），岩土体等代抗剪强度γs由土层与岩层的抗剪强度按厚度加权平均取值。

图3 复合式基础上拔破裂面

3.2 抗倾覆稳定分析计算

以掏挖构件和嵌固构件的交界处正截面为分析对象，则掏挖垣嵌固复合式基础倾覆失稳的极限状态弯矩平衡方程如下：

式中，Mh为掏挖基底作用弯矩，kN·m；Mt为掏挖基底土压力引起的抵抗弯矩，kN·m；MQ为嵌固构件抵抗弯矩，kN·m。

1）Mh的计算。Mh是外荷载对掏挖构件基底弯矩作用减去基础侧壁水平抗力对掏挖构件基底弯矩作用，复合基础中掏挖构件按刚性考虑，侧壁土压力计算采用“m法”[2,10]，基底弯矩Mh按下式计算：

式中，d为掏挖构件立柱计算直径，m，当立柱实际直径d0臆1 m时，取d=0.9（1.5d0+0.5）；当d0跃1 m时，取d=0.9（d0+1）[2]；H为基顶水平荷载，kN；h0为掏挖构件埋深，m；△h为水平荷载距地表高度，m；棕为基础倾覆极限状态时立柱旋转角，rad；zA为基础立柱竖向倾覆转动中心，m；m为水平抗力地基系数，kN/m4。

TW1和TQ3基础在上拔与水平荷载复合作用下，倾覆稳定极限状态主要以水平极限位移为控制条件，TW1基础侧壁与地基土间压力测试结果（见图4）表明，转动中心应位于扩大端埋深范围内，这里取为zA=h0-0.2，代入式（4）变换如下：

式中，刚性基础倾覆转角为棕=s0/（h0-0.2）；s0为地表处基础水平位移，m。

图4 试验基础侧壁土压力计算值与实测值对比图

2）Mt的计算。根据相关研究成果[2]，同一土层竖向抗压地基系数是水平抗力地基系数的10倍，且按弹性地基考虑，则基底土抗力抵抗弯矩为：

式中，D为掏挖构件扩底直径，m；W为扩底截面抵抗矩，m3。

3）MQ的计算。由于岩石嵌固基础不计算岩体的抗倾覆作用，认为其抗倾覆能力满足一般上部杆塔结构荷载要求，复合式基础嵌固构件同样如此，则其抗倾覆能力由基础混凝土立柱正截面抗弯能力控制。因此，根据文献2，考虑弯矩较小和截面处于弹性状态，MQ由嵌固构件顶部截面抗弯承载能力计算如下：

式中，As为正截面全部纵向钢筋面积，m2；rs为截面中心与纵向钢筋截面中心距离，m；△滓y为钢筋最大拉应力与中性轴钢筋拉应力差值，MPa，即有△滓y=△着·Es，△着为对应应变差，Es为钢筋弹性模量[11]。

当掏挖构件按刚性考虑，则嵌固构件顶面的转角为棕（计算示意见图5），构件弯曲半径籽=h1/棕，根据材料力学相关知识[12]，得到△着=rg·棕/h1，即有：

图5 嵌固构件弯曲示意图

式中参数意义同前。

对于全掏挖基础，倾覆平衡方程Mh=Mt，得：

对于复合式基础，由式（3）和式（4）联立变换得到：

4 理论计算与试验对比分析

4.1 抗拔极限承载力对比

掏挖和嵌固构件承载力发挥程度系数均取1.0。参照岩土体物理力学指标和基础尺寸参数，复合式基础极限承载力计算参数见表4。其中，不考虑土重对嵌固构件破裂面原状土层段抗剪强度的影响，其竖向分量为sin45毅·c=19.0 kPa，因此，嵌固构件计算深度内岩土体等代抗剪强度为24.0 kPa。

从抗拔承载力的实测值与计算值对比表明：

1）两者较接近，考虑单向上拔荷载作用下试验基础未加载至破坏状态，因此，关于掏挖垣嵌固复合式基础抗拔承载力计算方法可行。

2）考虑加载中复合式基础的表现情况，嵌固构件计算锚固深度可取为基底埋深，掏挖构件和嵌固构件发挥程度系数均可取为1.0。

表4 基础抗拔极限承载力计算表

4.2 倾覆稳定实例分析

根据TW1全掏挖基础和TQ3复合式基础的载荷试验结果，按式（9）和式（10）计算地基土弹性抗力系数值，如表5所示，其中，TQ3基础主筋采用HRB 335，As为123.2 cm2，rg为0.433 m。

表5 “m”值计算表

根据计算结果，可得到地基岩土对基础侧壁水平土压力沿深度的分布如下。

TW1基础：pz=10.4伊1 000伊0.004 0伊（2.1z-z2）

TQ3基础：pz=9.2伊1 000伊0.004 2伊（2.1z-z2）

试验基础侧壁水平土压力计算值与实测值对比见图4。

由表5得该试验场地原状土地基土弹性抗力系数平均值为9.8 MN/m4，按水平极限位移取10 mm控制，其他参数取值同前，已知“m”值时由式（9）和式（10）变换计算TW1和TQ3基础水平承载力值如表6所示。

倾覆稳定实例分析表明：

1）试验场地地表原状土层的弹性抗力系数值为9.8 MN/m4。

2）当掏挖基础埋深较浅时，基础倾覆转动中心竖向位置可通过实测确定，一般位于其扩大端埋深范围内。

3）复合式基础采用“m法”分析倾覆稳定性是可行和可靠的，水平承载力理论计算值与实测值接近，满足工程设计计算需要。

表6 基础水平承载力理论计算表

5 结论

1）复合式基础可充分发挥原状土基础和岩石基础的承载能力，在上拔承载力计算分析时，可取掏挖基础与岩石嵌固式基础的承载力之和。

2）复合式基础的倾覆稳定分析采用“m法”是合理可靠的，能体现地基原状土与基础间相互作用规律。

综合上述，针对地表由薄粘土层覆盖，其下为风化岩层的场地，采用掏挖与嵌固复合式基础是较为安全可靠、经济合理的新型环保型基础，符合建设“两型三新”输电线路建设要求，可在输电线路工程杆塔基础设计中推广应用。

[1]鲁先龙,程永锋.我国输电线路基础工程现状与展望[J].电力建设，2005,26（11）:25-28.

[2]DL/T 5219-2005架空送电线路基础设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,2006.

[3]国家电网公司.国家电网公司环境保护管理办法（试行）[S].北京：国家电网公司,2004.

[4]丁士君,鲁先龙,滕军林.原状土掏挖式基础自立稳定性分析[J].电力建设，2009,30（5）:39-41.

[5]郑卫锋,鲁先龙,程永锋,等.输电线路岩石嵌固式基础抗拔试验研究 [J].岩石力学与工程学报,2009,28（1）:152-157.

[6]GB 50021原2001岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[7]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社,2006.

[8]GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[9]鲁先龙,程永锋,张宇.输电线路原状土基础抗拔极限承载力计算[J].电力建设,北京:2006,27（10）：28-32.

[10]丁士君,王虎长,胡建明,等.带翼板掏挖基础转动中心位置的分析[J].电网与水力发电进展,2007，23（3）：40-44.

[11]GB 50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[12]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2000.