盐湖地区输电线路基础沉降控制研究

郑卫锋，满银，喻新强，谭青海，童武，龚兴国，刘毅，张军强，朱岸明

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.西北电网有限公司，陕西西安 710048；3.青海省电力设计院，青海西宁 810008；4.陕西省电力公司规划评审中心，陕西西安 710048）

随着“疆电外送”大通道工程进入全面建设阶段，输电线路路径不可避免跨越盐湖地区，面临盐渍土腐蚀性强、地下水位高、地基土软弱等特殊地质条件[1，2]。采用玻璃钢护套包裹基础可有效避免盐渍土的腐蚀性强[3，4]，通过“浅埋高垫”施工措施可有效避免地下水的不利影响[5]。但是针对盐湖地区软弱盐渍土地基上的单塔双回杆塔基础，随着电压等级的提高和基础荷载的增加，其下压稳定成为设计控制要素[6]，而基础沉降量过大，特别是不均匀沉降，将会影响上部杆塔结构的稳定[7]。

通过归纳分析以往盐湖地区输电线路杆塔基础发生不均匀沉降的原因，提出采用基底换填碎石的方法来有效控制基础最大沉降量和沉降差。但经过碎石垫层换填处理后的盐渍土地基承载力的提高幅度与基础沉降的降低程度，尚无定量数据可供设计参考，需通过平板载荷试验来进行对比分析。

为此，针对不同碎石换填厚度下的盐渍土地基开展了平板载荷试验研究，对比分析了地基承载力的提高幅度，并以新疆与西北主网联网750kV第二通道输变电线路工程的斜柱式基础为设计原型，计算分析了基础的最终沉降量，结果可为盐湖地区杆塔基础的沉降控制提供一定的参考。

1 碎石换填后的盐渍土地基承载力对比试验

1.1 试验场地地层岩性特征

试验场地位于新疆与西北主网联网750kV第二通道输变电线路工程跨越的察尔汗盐湖地区，勘察深度范围内的土体主要为第四系沉积的粉质黏土和砂类土，自上而下依次为：

1）层粉质黏土（Q4l）：属中软土，层厚1.8 m，黄褐色，可塑，局部软塑，韧性中等，干强度中等，摇振无反应，混较多结晶盐颗粒，含量约占30%，表层为约30 cm厚的结晶盐硬壳，呈坚硬状。

2）层粉砂（Q4l）：属软弱土，层厚1.9 m，浅灰色，饱和，含云母，稍密-中密，主要矿物成分为石英和长石，级配一般。

3）层细砂（Q4l）：属软弱土，层厚0.8 m，浅灰色，饱和，稍密-中密，主要矿物成分为石英和长石，级配一般。

4）层粉砂（Q4l）：属中软土，层厚大于5.0 m，浅灰色，饱和，稍密-中密，主要矿物成分为石英和长石，级配一般。

土体主要物理力学性质指标如表1所示。

表1 场地土层的土体物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical property indexes of the soil site

1.2 试验方案

现场试验共包括4组，分别开展原状盐渍土地基，换填0.5 m、1.0 m和2.0 m碎石垫层后的盐渍土地基的平板载荷试验，每组试验平行进行2个。

平板载荷试验采用堆载法进行，反力装置为主次钢梁压重平台，配重为预制的钢筋混凝土墩台，试坑尺寸为9 m×3 m（长×宽），下承压板为直径0.8 m的圆形钢垫板，测试仪器为桩基静载荷测试分析仪，试验过程中的加卸荷方式、数据测读方法均按相关规范标准[8-9]的技术规定要求严格执行。

1.3 试验结果

图1为不同碎石换填厚度下盐渍土地基平板载荷试验的荷载位移关系曲线。

图1（a）、图1（b）、图1（d）的曲线类型为缓变型，故取s/d=0.01（s=8 mm）对应的荷载值为其地基承载力特征值，图1（c）的曲线类型为陡降型，故取比例界限对应的荷载值为其地基承载力特征值[8-9]。

表2为不同碎石换填厚度下盐渍土的地基承载力特征值结果汇总。

从表2可以看出，换填碎石0.5 m、1.0 m和2.0 m后的盐渍土地基承载力特征值显著提高，与原状土相比，分别提高了63%、68%和142%。换填碎石0.5 m、1.0 m后的盐渍土地基承载力特征值相差不大，可能是受施工过程中换填碎石压实度好坏的影响。

2 基础沉降计算

2.1 变形模量计算公式

土的变形模量可根据现场平板载荷试验曲线的初始直线段，按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论由式（1）计算[8]：

式中，I0为刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785，方形承压板取0.886；μ为土的泊松比（碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42）；d为承压板直径，m；p为p-s曲线线性段的压力，kPa；s为与p对应的沉降，mm。

2.2 压缩模量计算公式

根据弹性理论的广义虎克定律，土的压缩模量Es可由泊松比μ和变形模量E0按下式近似计算[10]：

2.3 地基变形计算公式

计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质的线性变形体理论[11-12]，其最终变形量按下式计算：

式中，s为地基最终变形量，mm；s′为按分层总和法计算出的地基变形量，mm；ψs为沉降计算经验系数；n为地基沉降计算深度范围内所划分的土层数；P0为相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力，kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量（应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算），MPa；zi，zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离，m；ai，ai-1为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

图1 不同换填碎石厚度下的地基平板载荷试验p-s曲线Fig.1 p-s curves of plate loading tests with different gravel replacement thickness

表2 地基承载力特征值Tab.2 Characteristic value of subsoil bearing capacity

2.4 基础沉降计算结果

新疆与西北主网联网750kV第二通道输变电工程盐湖地区斜柱式基础的设计尺寸如图2所示，底板尺寸为l×b=4.2 m×4.2 m，埋深为h=3.0 m，露头高度为e=0.2 m。

斜柱式基础下压力的设计值为NE=1107 kN，标准值为N=NE/rG=1107/1.35=820 kN。回填土重度γ=18.7 kN/m3，地下水位高度为0.8 m。基础底面处的压力标准值为（地表以下、基础和基础上的土的平均重度）：

图2 斜柱式基础设计尺寸Fig.2 Design size of the pad and chimney foundation

基础底面处的附加压力标准值为：

式中，γs为基底以上土的加权平均重度，地下水位以下土的重度按浮重度考虑，kN/m3。

无相邻荷载影响且基础宽度4.2 m在1～30 m，故斜柱式基础底面中心处的沉降计算深度可简化计算：

zn=b（2.5-0.41nb）=8.1 m

考虑到不同碎石换填厚度的影响，斜柱式基础底面中心处的地基沉降计算深度最终取zn和最大碎石换填厚度2.0 m两者之和，为10.1 m。

表3为不同碎石换填厚度下的基础沉降量计算结果汇总。

表3 基础沉降计算结果Tab.3 Calculation results of the foundation settlement

从表3可以看出，基底换填碎石0.5 m、1.0 m和2.0 m后的基础沉降量显著降低，与原状土相比，分别降低了12%、21%和48%。

3 结语

针对“疆电外送”大通道建设中遇到的盐湖地区盐渍土软弱的特殊地质条件，开展了盐湖地区不同碎石换填厚度下盐渍土地基的平板载荷试验和基础沉降计算研究，对比分析了地基承载力的提高幅度和基础沉降的降低幅度，主要成果如下：

1）换填碎石处理后盐渍土地基的承载力特征值显著提高，与原状土相比，换填碎石0.5 m提高63%，换填碎石1.0 m提高68%，换填碎石2.0 m提高142%。

2）换填碎石处理后基础的沉降量显著降低，与原状土相比，换填碎石0.5 m降低12%，换填碎石1.0 m降低21%，换填碎石2.0 m降低48%。

综上所述，在盐湖地区输电线路地基基础工程中采用基底换填碎石的方法，可显著提高地基承载力，有效降低基础沉降量，换填碎石垫层的厚度和压实度的质量控制可根据设计要求和施工情况综合确定。

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