掏挖盘桩基础在特高压线路工程中的应用

马叶

【摘要】随着我国国民经济的快速发展，电力工业的进步日新月异。电网建设方面需要更高电压等级的输电技术，以便使我国的资源开发更为合理，所以发展特高电压直流输电是必要的，是符合国家和社会需要的。输电线路中基础是铁塔和地基之间的连接构件，是输电线路体系重要的组成部分。基础的合理选型直接决定了设计的优劣，合理的基础型式，可以有效的控制工程造价，缩短工程建设周期，延长工程的合理寿命，保证可靠的线路运行安全，降低对自然环境的破坏，实现资源效益的可持续发展。掏挖盘桩基础作为一种新型基础在超高压线路工程中逐渐被广泛的应用。

【关键词】掏挖盘桩；承载力高；位移小；成本低；利于环保

1. 前言

（1）输电线路中基础是铁塔和地基之间的连接构件，是输电线路体系重要的组成部分。基础的合理选型直接决定了设计的优劣，合理的基础型式，可以有效的控制工程造价，缩短工程建设周期，延长工程的合理寿命，保证可靠的线路运行安全，降低对自然环境的破坏，实现资源效益的可持续发展。

（2）送电线路基础设计的优劣关系整条线路的安全运行，一旦某个铁塔基础出现塌陷、滑坡和基础自身破坏等安全事故，整条线路运行将面临瘫痪。由于高压（如±800kV输电线路）输电线路本身的重要性，其承担了十分巨大的输电量，因此针对不同的基础负荷、地质及地形条件因地制宜选择基础型式，不仅降低了工程成本，而且为线路的安全运行提供了必要的保障。

（3）同时，不同的基础型式具有不同的特点，承载能力、材料耗量、土石方量以及对环境的影响等各不相同；工程建设会不可避免的将对自然环境造成破坏，这需要设计根据塔位不同的地质、地形及周边环境因地制宜选择基础型式，充分利用每个基础的优点，减少土石方量，并应在施工完成后采取有效措施恢复自然面貌，将工程对环境的影响减小到最小程度。而掏挖盘桩基础作为一种新型基础在特高压线路工程中逐渐被广泛的应用。

2. 掏挖盘桩基础的特点及承载机理

掏挖盘桩基础由桩身和两个盘组成，共同承担杆塔荷载。在掏挖基础中部增加一个素混凝土盘，成为掏挖盘桩基础，该基础型式具有高承载力和低压缩量的特性，由于桩侧摩阻力、盘端阻力和桩端阻力得到了充分发挥，使得该基础的上拔和下压承载力均有大幅度的提高，施工难度相当，开挖量小，对环境破坏小，适用于基础作用力较大的铁塔基础，具有良好的经济效益和社会效益（掏挖盘桩基础见图1）。

2.1掏挖盘桩基础特点。掏挖盘桩基础具有良好的工程特点：

（1）承载力高：人工掏挖过程对土体扰动小，清孔干净，施工质量有保证，能充分发挥原状土的承载力，更适用于基础作用力较大的转角塔基础；

（2）承载力有保障：施工过程中，可根据现场条件避开软弱土层，使盘尽量位于较坚硬土层，有效保证承载力；

（3）位移小：在原状土中，荷载通过盘传递到土层上去即分层承载，不仅减小桩端作用力，而且扩大了承载面积，基础位移量小于大开挖基础；

（4）成本低：与斜柱板式基础和掏挖基础相比，混凝土耗量少，土方量少，成本低，具有很强的市场竞争力；

（5）施工占地少：采用人工掏挖，施工时不需要大型施工机械，材料占地少，能在狭窄和交通不便地段施工；

（6）施工安全性提高：相同承载力条件下，与掏挖基础相比，扩底直径更小，掏盘时工人无需进入盘内即可操作，降低了工人工作的危险性；

（7）利于环保：开挖面积小，与斜柱板式基础相比，基坑开挖的工作量大大降低，能减少水土流失和护坡难度，减少耕地的占用及青苗的毁坏。

表1基础经济比较表（不含插入角钢或地脚螺栓）基础指标混凝土钢筋量土方量综合造价m3相对值Kg相对值m3相对值万元相对值掏挖盘桩基础110.22 78.7%883257.9%117.96.3%20.7863.2%掏挖基础118.64 84.7%10493 68.8%126.96.8%22.769%斜柱板式基础140.1100%15252100%1864100%32.89100%图1掏挖盘桩基础图2掏挖盘桩破坏形式图3斜掏挖基础 图4直掏挖偏心插入式基础 2.2掏挖盘桩基础承载力机理。

（1）掏挖盘桩由于盘的存在，使整个桩体的承载特性发生了显著的变化。加载初期盘承担的荷载较小，随着荷载的增加，盘承担的总荷载逐渐增大，且随着桩顶荷载的增加，盘承担的荷载增长速率也逐步加快。桩身不同位置的盘表现出了不同的荷载增长规律：上、下盘承载力的发挥具有明显的时间和顺序效应，在加载初期，上盘比下盘承担较多荷载，但下盘分担荷载增长迅速，在受荷后期反而比上盘分担更多荷载。桩侧摩阻力在加载初期增长较快，随着桩顶荷载增加，桩侧摩阻力增长速率逐步减小，在桩顶荷载接近极限承载力时桩侧摩阻力几乎停止增长，说明盘和桩侧摩阻力之间存在互补关系，而且从时间效应上来看，往往是桩侧摩阻力达到极限值以后盘才更有效地发挥端承作用。

（2）在成桩机理上，掏挖盘桩是利用中下部较好的土层，将荷载通过混凝土传递到土层上去，即分层承载，不仅减小了桩端作用力，而且还扩大了承载面积，达到了提高承载力的目的；在荷载传递上，每个混凝土盘都要受力，但上部混凝土盘首先承担大部分荷载，随着桩顶荷载逐渐加大，中下部盘受力也随之加大，从而使单桩承载力逐步提高，由于分层承载，在工作荷载作用下，桩端作用力所占比重减小，从而保证了桩端土的稳定性。因此，掏挖盘桩在受力机制上是非常科学的，并且具有较大的承载潜力。

（3）实际破坏面的描述是建立计算公式的基础，对于满足 （ 为盘间距， 为桩直径）的掏挖盘桩基础，其破坏面为图2（a）所示形式；对于 的掏挖盘桩基础，其破坏面为图2（b）所示形式。该破坏面为规则的圆柱体，按灌注桩的模型，综合考虑桩侧土和桩端土的贡献，可以准确地分析其抗拔承载力和抗压承载力（掏挖盘桩破坏形式见图2）。

2.3掏挖盘桩基础的优化。

（1）掏挖盘桩基础大幅度提高了单桩的上拔和下压承载力，其设计桩径明显减小，却带来了水平承载能力不足的问题，常常因为水平位移不满足规范要求而被迫加大桩径，使掏挖盘桩基础的优势得不到充分发挥。

（2）为突破这一瓶颈，就要降低水平力对掏挖盘桩基础的影响，目前有两种方案：斜掏挖基础和直掏挖偏心插入式基础，如图3和图4所示。斜掏挖基础的桩身坡度与塔腿一致基础所受的水平力大大减小，基础基本上处于轴心拉压受力状态，从而大大减小了水平位移。直掏挖偏心插入式基础通过插入角钢偏心手段，相当于在桩顶施加了一个反向弯矩，在一定程度上抵消了水平力产生的弯矩，也达到减小水平位移的目的。斜掏挖基础可比直掏挖斜插入式基础的偏心值更大，更节省基础材料，但开挖方式是斜掏挖，施工难度大，对地质要求高，而直掏挖偏心插入式基础没有明显增加施工难度，更容易实现。因此采用直掏挖偏心插入的方式来减小水平力的影响，以达到进一步优化桩径的目的（斜掏挖基础见图3，直掏挖偏心插入式基础见图4）。

3. 技术经济比较

（1）由上述分析可知，掏挖盘桩基础的受力性能好，承载力高，设计理论成熟，施工工艺简单，对环境影响小，在±800kV等特高压直流线路中应用是完全可行的。但在工程中是否能够大量采用，还需要比较掏挖盘桩基础与其它基型的经济性。

（2）按照地质条件为：粉质黏土，硬塑，重度γ=16.0KN/m3，黏聚力C=20KPa，内摩擦角Φ=12°，承载力特征值fak=130KPa，qsik=63KPa，qpk=1200KPa。

基础作用力： T=3186KN，HX=384KN，HY=514KN；

N=4269KN，HX=602KN，HY=564KN。

（3）现对掏挖盘桩基础、掏挖基础和斜柱板式基础进行多方案优化设计后，将各基型最优方案的材料耗量和费用列入表1：

（4）由表1可以看出，掏挖盘桩基础的混凝土耗量最小，约为掏挖基础的92.9%，为斜柱板式基础的78.7%。掏挖盘桩基础钢筋量最小，约为掏挖基础的84.2%，约为斜柱板式基础的57.9%。掏挖盘桩基础的土方量最小，约为掏挖基础的92.9%，为斜柱板式基础的6.3%，说明掏挖盘桩基础对生态环境破坏小，具有明显的优势。掏挖盘桩基础的综合造价最低，约为掏挖基础的91.5%，为斜柱板式基础的63.2%。

（5）综上所述，采用掏挖盘桩有效降低了整个工程造价且有良好的经济效益和社会效益。

4. 结语

通过对特高压直流输电线路的杆塔基础进行详细研究，确定杆塔基础型式，对特高压输电线路的杆塔基础设计起到了一定的指导作用，对降低特高压输电线路的工程投资，保证特高压线路的长期安全运行具有重大意义。掏挖盘桩基础作为一种新型基础，具有承载力高、位移小、成本低、施工占地少、施工安全性高、利于环保的等特点，经过在特高压线路工程中试点运用后，逐渐被推广应用。

参考文献

[1]建筑桩基技术规范 JGJ94-2008.

[2]电力工程高压送电线路设计手册.