掏挖基础保护范围优化研究

王强（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410000）

掏挖基础保护范围优化研究

王强（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410000）

随着我国经济形势的迅速发展，人们对电能的需求日益增加，输电线路作为整个电网系统中的重要一环，受到了越来越多的重视。杆塔基础方案的优劣直接关系到线路的安全性和经济性，对杆塔基础开展设计优化等方面的研究，对保障线路的安全稳定运行和经济环保都具有重要的现实意义。随着人们对自然环境保护意识的加强，对输电线路基础的优化设计显得日益重要，因此，线路基础在优化设计时，在考虑基础本体优化的前提下，应在最大限度减少土石方量、维持塔位上下边坡及基础自身的稳定性、施工余土的合理堆放等方面进行。掏挖基础是将基础的钢筋骨架和混凝土直接浇入人工掏挖成型的土胎内，利用天然土组成的抗拨土体和基础自身重量之间的相互作用，从而使基础的上拨稳定得以保持，它利用自然原状土自身的土体强度，不但具有较好的抗拨性能．同时能承受一定的水平力。掏挖基础结构简单，既能降低基础自身的钢筋重量和混凝土的方量，还能减少基坑开挖的土石方量。基坑开挖过程中保证了自然土体的完成性，浇筑时不需要模板进行固定，施工方便。此外，掏挖基础还可减少对自然环境的破坏，有利于减少水土流失和环境保护。

经济合理；掏挖基础；环境保护

1 研究背景及意义

随着近年来环境保护要求越来越高，山区输电线路广泛采用了全方位高低塔腿配合不等高基础设计。而对于加高基础来说，基础的加高值是由基础保护范围与地形来决定的，如果基础保护范围取值偏保守，则会进一步造成基础加高值增加，从而增加了工程造价。因此，确定合理的基础保护范围是使输电线路工程造价合理的关键因素。

掏挖式基础作为国内推广较早的基础型式，是一种利用原状土工程特性抵抗上拔力的基础型式，但其抗拔承载能力的计算公式为半经验半理论公式，因此规范未直接给出掏挖基础的保护范围概念。这就使得工程设计人员对掏挖基础的保护范围难以定夺，通常为工程安全考虑偏保守取值，从而造成了浪费。

另一方面，在我院开展其他省市地区输电线路工程设计时发现很多省份甚至不考虑保护范围的概念，对加高值统一取基础自然外露值，并在设计审查中多次提出我院设计的掏挖基础埋深太深，而我设计人员对此没有反驳的依据，因为缺乏相关的专题研究，有时不得不被迫更改设计方案，造成了人力的浪费。

输电线路所经区域各式各样，地形也千差万别，当铁塔处于有斜度的山坡或梯田等有台阶的地方，铁塔的各塔腿就会出现高差，通常我们会用长短腿来平衡此高差，长短腿在铁塔的任何方向都可以随意连接。目前我们设计的塔腿级差为1.0m。我们一方面可以采用主柱露出地面，另一方面塔腿级差可缩短为1.0m，长短腿的鼍太差值也可以扩大，来平衡地面不等级的高差，做到不开方或少开方。设计杆塔时，应考虑在杆塔位于陡峭山顶控制铁塔的正侧面根开，减少施工基面开方量．对于坡度较大的地形，塔腿长短腿已用到最大高差，仍不能平衡地面高差时，可采用长腿对应基础主柱升高的办法来平衡过多的高差，必要时可做特殊基础，在基础设计无法满足或其他具体因素主柱不宜升高时，可对短腿所在基面做适当开方。综上，进行掏挖基础的保护范围优化研究工作对降低工程造价和提高设计质量具有积极意义。

2 剪切法计算参数A1和A2理论研究

由于输电线路的特殊性，在进行杆塔基础设计时，最重要的一项内容就是抗拔稳定计算。一般而言，主要有“剪切法”和“土重法”，其中“剪切法”的抗拔承载力由两部分组成，一部分是基础自重，另一部分是土体的破裂面产生的剪切阻力的竖向分量组成。“剪切法”因为考虑了土壤自身的承载力而比“土重法”合理。

但在具体实践中，遇到土质情况较好，基础作用力大（大荷载），我们按照《架空送电线路基础设计技术规定》中“剪切法”计算掏挖基础时，其计算出来的基础尺寸比按“土重法”计算出来的还要大，造成这种不正常现象出现的主要原因就是剪切法计算无因次系数A1和A2的取值问题。

图1 土微元体的应力

图2 土微元体的应力状态和滑移线

2.1 计算参数A1和A2的理论公式

2.1.1 极限平衡状态滑裂面应力基本方程

假设极限平衡状态下抗拔土体滑动面为一旋转曲面，滑动面上微分六面体的应力关系可近似简化为如上图所示的二维应力状态。按照弹性力学理论，当只考虑土体重力时，土微元体静力平衡基本方程为：

式中：σx、σy和τxy为微单元体相应面上的正应力和剪应力，γ为土体容重。

按Mohr-Coulomb屈服准则，土体滑动面上任意一点应力可用图所示极限Mohr圆表示（见图3～4）。

通过计算得到：

上式是输电线路原状土基础上拔极限平衡状态时滑动面应力分布基本方程式。

图3 土体极限平衡状态Mohr圆表示法

图4 抗拔土体“计算剪切面”

2.1.2 土体破裂面方程确定

《架空送电线路基础设计技术规定》认为，由于基础底板上方土体的“推挤”作用，抗拔土体处于被动朗肯土压力状态，并建立了土体极限抗拔承载力“计算剪切面”。

《架空送电线路基础设计技术规定》认为该“计算剪切面”是图中沿滑移线Sβ的连续滑动微面形成，形状为一向外弯曲的半径为r随H/D增大而减小的圆弧曲面，其形状由下列参数确定：

式中：r为圆弧曲面半径，α表示半径r随H/D而变化的特征；n为随土体的物理特性而异的系数，对砂土n=2、粘性土n=3～4、粉土n=1.5，为建立计算公式时简化起见，均取n=2；α1为圆弧曲面在水平地面处与水平面夹角；α2为圆弧曲面在底板处与水平面夹角。

2.1.3 滑裂面极限抗拔承载力计算

根据Mohr-Coulomb屈服准则和极限应力Mohr圆，土体处于极限平衡时滑动面上的有效剪应力可表示为：

τn=（σm+c·cotφ）·cosφ·sinφ

通过计算及《架空送电线路基础设计技术规定》通用公式确定的A1和A2《架空送电线路基础设计技术规定》关于“剪切法”的条文说明中给出了由剪切阻力构成的基础土体极限抗拔承载力通用计算公式，将式代入并化简后得到对应的A1和A2的表达式：

2.2 不同计算方法的A1和A2的对比分析

虽然本专题报告的抗拔土体的极限承载的理论公式和无因次计算参数A1和A2的表达式与DL/T5219-2005中确定的通用公式中A1和A2的表现形式不同。但以相同情况（例如：土壤情况、基础大小、埋深）设计参数为依据，以本文所得出的理论公式与DL/T5219-2005中通用公式采用特定的计算软件和手算进行计算，得出以下结论：φ和H/D相同时，无因次系数A1和A2的理论值和DL/T5219-2005中通用计算公式所确定的A1和A2计算值是相同的。

我们拿理论值同曲线图值进行对比，从中可以得出：

（1）无因次系数A1理论值和DL/T5219-2005查曲线图所确定的值相差很大，理论值大于查曲线图得到的结果。当H/D一定时，A1随φ增大而增大，与DL/T5219-2005中查曲线图中曲线变化趋势相反。

（2）当φ≤20°时，无因次系数A2理论值和查曲线图所得结果接近，考虑到制图及查图误差，可近似认为两者相等。但当φ＞20°时，理论值和查图值存在很大的差异，查图值大于理论值。

3 理论结果与试验值对比

在验证理论公式时，我们采用其他经过论证过的文献中有关掏挖基础的试验值来进行对比。从对比出来的结果可以看出，本论文计算出来的原状土抗拔承载力与试验结果的统一性比较合适，在工程设计中完全可以采用。

表1 无因次系数A1和A2理论值与规范曲线图值对比分析

图5 计算算例的计算结果

表2 基础极限承载力的理论值和试验值对比

4 结论

通过以上内容可以看出，掏挖基础是现今国内送电线路基础中普遍采用的基础型式，由其基本直掏挖基础衍生而来的各类掏挖基础也多种多样，适应于不同类型的地质条件。

掏挖式基础与传统的大开挖柔性板式基础比较，土石方开挖工程量、混凝土填筑工程量和钢筋用量均可节省许多。掏挖基础具有减小基础变形、降低工程造价、减少对原地貌及植被的破坏、便于施工等优点。

由此可见，掏挖基础是一种及经济又环保的基础。致力于掏挖基础的创新性研究，并将大量研究成果应用于工程中，将会取得了良好的经济和社会效益。

［1］《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219-2005）.

TM769

A

2095-2066（2016）30-0043-03

2016-10-10

王强（1982-），男，工程师，本科，主要从事输变电设计工作。