输电线路钢管桩基础试验研究

郑卫锋，冯自霞，鲁先龙

(中国电力科学研究院，北京市，100055)

0 引言

在农网改造特别是城镇电网改造工程中，电力钢管塔代替水泥杆在输电线路中已越来越被广泛应用。钢管塔通常采用独立式钢筋混凝土基础，但此基础占地面积大、基槽开挖尺寸大、混凝土用量多，对城市道路、地下市政设施及附近建筑物影响较大［1-6］。

为方便农网或城镇电网输配电线路的改造，解决城区输电线路基础施工的矛盾，确保线路安装便捷，提出采用钢管桩基础代替独立式钢筋混凝土基础。钢管桩基础的优点在于:在水泥杆原位换杆打桩不影响原线路布局;占地少，不受地形限制，对附近建筑物没有影响;停电时间短，当天施工当天送电;打桩机不用外接电源，不受野外施工没有电源的影响。

然而，埋置于土体中的输电线路钢管桩基础的承载特性能否满足设计要求，目前尚未有明确的定论，因此需要进行现场真型试验，以获得钢管桩基础的水平承载力、抗拔承载力、抗压承载力值，为其在农网改造中的应用提供第一手技术资料。

1 试验概况

1.1 工程地质条件

现场真型试验选择在河北霸州某设备制造厂院内，厂区场地属河流冲击平原区，地势平坦，地貌单一，厂区相对高程为－0.3～－0.45 m。勘探深度范围内揭露天然地层属第四纪全新统河流冲积夹湖积地层，土质以粉土、粉质粘土和细砂为主，表层有耕植土。厂区地层特征及其分布规律自上而下分别如下。

①粉质粘土夹薄层粉土:层厚2.7～5.7 m，黄灰色，不均匀，可塑，包含锈斑。上部粉土较多，层底部有灰黑色粘性土，含有少量贝壳。粘性土具有高压缩性，光泽反应稍有光滑，无摇振反应，中等强度，中等韧性。

②粉土:层厚0～2.6 m，灰黄色，均匀，中密，湿～稍湿。无光泽反应，中等摇振反应，低强度，低韧性。该层土仅在西部区域钻孔有揭露。

③细砂:层厚0.1 ～18.7 m，黄灰色、灰色，均匀，中密～密实。上部有粉砂，多为细砂，级配良好，土性较好。

以上各层土的物理力学性质指标见表1。

厂区内地下水为季节性孔隙潜水型，水位受季节、降水等因素影响会有所升降，试验期间地下水稳定水位高程为－12.6～－12.76 m。厂区地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。冬季期间场地标准冻深0.7 m。

表1 土体物理力学性质指标Tab.1 Main parameters of soils

1.2 基础设计尺寸

现场分别进行了3根钢管桩的水平试验、3根钢管桩的下压试验、3根钢管桩的抗拔试验，共计9基试验。其中水平试验采用φ920 mm埋深5 m的钢管桩，抗拔、抗压试验采用φ720 mm埋深5 m的钢管桩，壁厚均为5 mm。

1.3 基础施工

钢管桩基础现场施工选择在冬季进行，施工机械设备采用上海工程机械厂生产的D-18、D-25筒式导杆式机械燃油打桩机，现场主要施工流程与施工工艺如下。

(1)技术员在施工前按图纸设计要求，对桩基础和配套的法兰尺寸、螺栓、螺母等各项技术要求进行复核是否符合设计要求，然后检查桩位的准确位置和方向桩的角度是否正确，确认无误后安排机械设备到场进行开工准备。

(2)机械设备到现场指定位置后，对车辆的稳定进行机械加固，确认稳定后按以下工艺进行操作:升起降工作架;提锤;吊桩，锤到达一定高度后，由吊车将桩基础放入锤的下方，对桩基础准确桩位的线路方向、垂直度进行校核，确认后由登高人员拔插板放锤压桩;压桩后检查打桩机、燃油开关及操作挂绳等是否正常;桩基础打平后，提锤放升降架收车，将桩管内填满土。

1.4 试验加载方案

抗压试验采用锚桩法，如图1所示;抗拔试验时利用原始地面做抗压承载力，如图2所示;水平试验时利用试验完毕的抗拔桩、抗压桩提供试验反力。

试验采用慢速荷载维持法，试验加荷等级由RSJYC型桩基静载荷测试分析系统自动控制，但在现场试验过程中，可根据以往类似试验经验对加载初期的低荷载采用快速荷载法。

水平试验终止加载的标准为:桩身折断、水平位移超过30 mm、水平位移达到设计要求的水平位移允许值。

图1 抗压试验装置示意图Fig.1 Sketch of compression loading device

图2 抗拔试验装置示意图Fig.2 Sketch of uplift loading device

抗压与抗拔试验终止加载的标准为:某级荷载作用下，桩顶位移量大于前一级荷载作用下位移量的5倍;某级荷载作用下，桩顶位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定标准;当荷载-位移曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量60～80 mm，上拔位移以40 mm控制。

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［7-10］。

试验极限承载力统计值的确定应符合下列规定:参加统计的试桩结果，当满足其级差不超过平均值的30%时，取其平均值;当级差超过平均值的30%时，应分析级差过大的原因，结合工程具体情况综合确定，必要时可增加试桩数量;对桩数为3根或3根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于3根时，应取低值。

2 试验结果分析

2.1 钢管桩基础的荷载位移曲线

图3为3根钢管桩基础的水平试验时的水平位移和荷载关系曲线。取水平位移10 mm对应的荷载为水平极限荷载。钢管桩基础水平极限承载力统计值为254 kN，如表2所示。

图3 钢管桩基础水平试验荷载位移曲线Fig.3 Curves of lateral load versus displacement for steel pile foundation

图4为3根钢管桩基础的抗压试验荷载和位移关系曲线。取曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值为抗压极限承载力。钢管桩基础的单桩抗压极限承载力统计值为867 kN，如表3所示。

图4 钢管桩基础下压试验荷载和位移关系曲线Fig.4 Curves of compression load versus displacement for steel pile foundation

表3 钢管桩基础下压承载力统计表Tab.3 Compression bearing capacity of steel pile foundation

图5为3根钢管桩基础的上拔试验荷载和位移关系曲线。若本级荷载的上拔位移为5倍于前1级位移时，取本级荷载为抗拔极限承载力。钢管桩基础的单桩抗拔极限承载力统计值为317 kN，如表4所示。

图5 钢管桩基础上拔试验荷载和位移关系曲线Fig.5 Curves of uplift load versus displacement for steel pile foundation

表4 钢管桩基础上拔承载力统计表Tab.4 Uplift bearing capacity of steel pile foundation

2.2 钢管桩基础的极限承载力

通过钢管桩的荷载位移关系曲线可得，对于φ920 mm埋深5 m的钢管桩，其水平极限承载力为254 kN。由于施工与试验均在冬季进行，场地表层土有冻结现象，试验得到的水平极限承载力可能部分偏大，在具体设计时应折减取值。

对于φ720 mm埋深5 m的钢管桩，其抗压极限承载力为867 kN，其抗拔极限承载力为317 kN。在抗压与抗拔试验过程中，钢管桩周围的表层土体位移变化量很小，可忽略不计，因此钢管桩的抗拔承载力主要与桩周土体的极限侧阻力有关，而钢管桩的抗压承载力主要与桩周土体的极限侧阻力、桩底土体的极限端阻力值有关。

3 结语

目前，钢管桩基础主要应用在10 kV以上的农网改造工程中。钢管桩与上部钢管塔之间的连接方式往往采用法兰盘连接，同时增加混凝土基座，进一步增加钢管桩的抗倾覆能力，减少杆塔倾斜，可用于受荷较大的转角塔、终端塔。

钢管桩基础的现场真型试验为其在城镇电网建设和改造中广泛、安全应用提供了第一手技术资料，为今后类似工程提供参考。

［1］章晓明.钢管桩基础的应用及施工方法［J］.供用电，2003，20(5):35-36.

［2］王大国.钢管杆桩基础的主要特点［J］.吉林电力技术，1996(5):14-17.

［3］王庭华，吉俊峰.静压钢管桩在城网改造工程中的设计与应用［J］.江苏电力技术，2001(5):28-29.

［4］唐山，孔健，李凤丽，等.海上风电场单根钢管桩基础的设计与计算［J］.土工基础，2009，23(6):52-54.

［5］张德美.500 kV海上斜钢管桩基础沉桩施工工艺［J］.电力建设，2008，29(12):58-62.

［6］俞振全.钢管桩的设计与施工［M］.北京:地震出版社，1993.

［7］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，2005.

［8］GB 50007—2002建筑地基基础设计技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［9］JGJ 94—1994建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，1995.

［10］中国电力科学研究院.输电线路钢管桩基础试验报告［R］.北京:中国电力科学研究院，2011.