换土垫层法在架空配电线路台阶式基础中的应用

林子元，陈维忠，施纯聪，李 勤，高 克

（1.国网浙江玉环县供电公司，浙江 台州 317600；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 102206）

0 引言

在杆塔基础施工中，一些特殊地质条件（如地下夹层为淤泥土质、湿陷性黄土等）地基承载力较差，混凝土台阶式基础施工存在作业面大、塌方引起的施工难度大等问题。为提高基础承载能力，减小开挖面积，需要采取适当有效的方法对地基进行处理。目前基础处理的主要方法有碾压及夯实、换土垫层、排水固结等方法[1]。对于软弱土地基，换土垫层法是较为有效和应用广泛的方法[2]。

除施工因素外，在造价方面，配电网线路杆塔基础的费用约占整个工程本体造价的25%～35%，在某些特殊条件下的工程，甚至占比更多。在满足工程设计要求的情况下减小基础尺寸对节约工程成本具有重要意义。

本文讨论了换土垫层法在配电网杆塔现浇台阶式基础设计中的应用。在理论上分析了采用换土垫层法对减小基础尺寸和开挖面积的作用；并以玉环县供电公司某工程中的30°耐张转角钢管杆现浇台阶式基础作为实例进行了分析验算，分析了采用换土垫层法对节约工程造价的作用。

1 换土垫层法介绍

换土垫层法是一种地基浅层处理方法。当软弱地基的承载力或变形不能满足杆塔承受的荷载要求，可将基础下一定深度内的软弱土层挖除，然后换填强度较高、压缩性较低且无侵蚀性的散体材料，并夯实或振压至要求的密实度。提高地基的承载力，消除地基的湿陷性和胀缩性，减小基础沉降量。常用于下列土组成的地基情况：淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、膨胀土、素填土以及暗沟、暗塘等。

2 设计要求及换土垫层法对减小基础尺寸的作用

混凝土台阶式基础的设计需满足《架空输电线路基础设计技术规程DL/T5219-2014》的要求。下面根据混凝土台阶式基础上拔稳定、基础下压、倾覆稳定的设计要求，分析换土垫层法对减小基础尺寸的作用。

2.1 上拔稳定

依据《架空输电线路基础设计技术规程DL/T5219-2014》，对于一般单独的混凝土台阶式基础，上拔稳定需要满足下式要求

式中：γθ1为基础底板上平面坡角影响系数，当基础底板上平面坡角θ1≥45°时取γθ1=1.0，当坡角θ1＜45°时取γθ1=0.8 ；γf为基础附加分项系数；γE为水平力影响系数（见表1）；γS为基础底面以上土的加权平均重度（kN/m3）；Vt为ht深度内土和基础的体积（m3）；V0为ht深度内基础的体积（m3）；TE为基础上拔力设计值（kN）；ht为基础上拔埋置深度（m）；hc为基础上拔临界深度（m）；Gf为基础自重力（kN）；B为基础底面宽度（m）；α为上拔角。土重法计算上拔稳定参数如图1所示。

图1 土重法计算上拔稳定Fig.1 Pull-up stable by soil weight method

表1 水平力影响系数γETab.1 Impact factor of horizontal force

式(1)中杆塔基础上拔力设计值与基础附加分项系数的乘积γfTE是定值，水平力影响系数γE也是定值。因此，土质的重度γS和上拔角α对同样深度ht内有效的土重力起着决定性作用。不同土质的重度和上拔角如表2所示。

通过换土垫层法，将软土层置换为更高重度的土质并压实，上拔角会随之增大，当基础底面宽度B不变时，Vt会显著增大。这样，在保证满足式(1)的条件下，可以在一定范围内缩减基础底面宽度B，基础体积V0随之缩减，就可以在一定程度上减小基础尺寸，从而减小开挖面积。在一些特殊区域，开挖范围受限又无法采用其他基础类型的情况下，有着非常重要的作用。

表2 土的重度和上拔角Tab.2 Soil weight and pull-up angle

2.2 基础下压

对于耐张杆塔，混凝土台阶式基础底面的压力应满足以下要求：

式中：γγf为地基承载力调整系数；Pmax为基础底面边缘最大压力设计值（kPa）；F为上部结构传至基础底面的竖向压力设计值（kN）；G为基础自重和基础上的土重（kN）；A为基础底面面积（m2）；γG为永久荷载分项系数，对基础有利时，取γG=1.0，对基础不利时，取γG=1.2；Mx、My为作用于基础底面的x和y方向的力矩设计值（kN·m）；fa为修正后的地基承载力特征值（kPa）。

式（2）中上部结构传至基础底面的竖向压力设计值F为定值。通过换土垫层，提高地基承载力特征值 fa，就可以在一定程度上缩小基础底面面积A，减小基础尺寸。

2.3 倾覆稳定

混凝土台阶式基础倾覆稳定应满足以下条件：

式中：m为土压力参数（kN/m3）；β为等代内摩擦角（°）；E为被动土压力（kN）；S0为上部结构水平作用力（kN）；H0为S0作用点至设计地面处的距离（m）；K0为空间增大系数；a为基础底板侧面宽度（m）；a0为基础底板侧面的计算宽度（m）；b为基础主柱侧面宽度（m）；b0为基础主柱侧面的计算宽度（m）。

当基础埋深一定时，式（3）中上部结构水平作用力与作用点至设计地面处的距离和基础附加分项系数的乘积γfS0H0为定值，若基础尺寸a和b不变，那么对混凝土台阶式基础倾覆稳定起决定性作用的就是回填土的特性。土压力参数m与被动土压力E成正比，等代内摩擦角β对抗倾覆起着较大的作用。换填为土压力参数m和等代内摩擦角β更大的土质，有利于抗倾覆，当抗倾覆要求满足式，就可以适当缩小基础的尺寸。

3 换土垫层的设计与分析

3.1 提高承载力的换土材料

土的承载力特征值随着土质的内摩擦角增大而增大[3]。各种换土材料的承载力如表3所示。

换土材料一般采用砂石垫层，包括中粗砂垫层和碎石垫层。有足够的厚度以置换可能受到剪切破坏的软弱土层，要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出从而增加沉降量，并做到经济合理。

3.2 换土垫层厚度确定

依据《建筑地基处理技术规范JGJ 79-2012》，换土垫层厚度应该根据需置换软土的深度或下卧土层的承载力确定，需要符合下式要求

表3 各种换土垫层的承载力Tab.3 Bearing capacity of replacement underlayer

式中：pz为相应于作用的标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；pcz为垫层底面处土的自重压力值（kPa）；faz为垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。

混凝土台阶式基础按照矩形基础计算，垫层底面处的附加压力值为

当基础底面为正方形时，公式（8）可以简化为

式中：b为矩形基础底面的宽度（m）；l为矩形基础底面的长度（m）；B为正方形基础底面的宽度（m）；pk为相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）；pc为垫层底面处土的自重压力值（kPa）；Z为基础底面下垫层的厚度（m）；θ为换土垫层（材料）的压力扩散角（°），宜通过试验确定。无试验资料时，可参考表4。

换土垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，符合下式要求

式中：Bz为换土垫层底面的宽度（m）；垫层顶面每边超出基础底边缘不应小于300 mm。

表4 土和砂石材料压力扩散角 单位：（°）Tab.4 Soil and gravel expansion angle of pressur

换土垫层一般采用砂石垫层，包括中粗砂垫层和碎石垫层，压实系数应满足承载力要求，见图2～3。

图2 换土垫层示意图Fig.2 Replacement underlayer

图3 换土垫层压力扩散角Fig.3 Replacement underlayer expansion angle of pressure

综上，换土垫层的厚度Z与宽度Bz，与换填土的材料性质有关，换填提高地基承载力特征值faz后，可以适当缩小基础宽度B。经过计算分析，可以达到基础尺寸和换填土厚度的最佳、最经济的数值。

3.3 换土垫层沉降计算

沉降量等于换土垫层自身的变形量与下卧层的变形量之和

式中：s为基础沉降（mm）；s1为垫层自身的竖向压缩量（mm）；s2为垫层底面以下各压缩层压缩变形之和（mm）；Es为垫层的压缩模量；a为基地有效压力扩散系数；p0为基地平均有效应力（kPa）；

垫层的压缩模量应由荷载试验确定。当无试验资料时，砂垫层的压缩模量可以选用24～30 MPa,其它垫层的压缩模量可以查阅相关规范。

4 湿陷性黄土的换土垫层分析

4.1 湿陷性黄土的特性

湿陷性黄土指在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土。湿陷系数δs值按下式计算，

式中：hp为保持天然湿度和结构的试样，加至一定压力时，下沉稳定后的高度（mm）；为上述加压稳定后的试样，在浸水饱和作用下，附加下沉稳定后的高度（mm）；h0为试样的原始高度（mm）。

取7个150mL锥形瓶，分别加入0、0.25、0.50、1.00、3.00、5.00和7.00mL硫酸根标准溶液，各加水至50mL，显色和测定步骤同1.3.3。标准溶液系列中硫酸根的质量浓度分别为0、5.0、10.0、20.0、60.0、100.0、140.0μg/mL。以硫酸根的质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制校准曲线。

湿陷性黄土的湿陷程度，可根据湿陷系数δs值的大小分为下列三种：

（1）当0.015≤δs≤0.03时，湿陷性轻微；

（2）当0.03≤δs≤0.07时，湿陷性中等；

（3）当δs＞0.07时，湿陷性强烈。

4.2 含水率对湿陷变形的影响

当黄土的天然含水量低于塑限时，水分变化对强度影响最大，含水量由7.8%增加到18.2%时，内摩擦角和内聚力都降低1/4左右。当黄土的天然含水量超过塑限时，抗剪强度降低幅度小。黄土的湿陷变形特点是变形量大，常常超过正常压缩变形的几倍甚至几十倍，发生快，受水浸湿约1～3 h就开始湿陷。这种量、速率快而又不均匀的变形往往使建筑物发生严重变形甚至破坏。湿陷的出现完全取决于受水浸湿的概率。黄土的湿陷变形量会随着浸水量的增加而增大。国内许多研究资料都发现，含水量对黄土的湿陷变形有着显著影响。黄土在遭受水体入渗前，土的稳定性较高，可以承受较大的上部荷载。在水体入渗后，结构迅速破坏，导致地基不均匀沉降，在土体浸水饱和后，力学性能和水理特性发生了巨大变化。

当黄土发生湿陷变形时，在土体上部施加附加压力后，不仅会引起竖向的湿陷变形，还会产生横向的水平位移。使黄土在湿陷过程中发生明显的横向挤出效应，湿陷量也随之变大[4]。

4.3 湿陷性黄土的换土垫层处理

根据规范，甲类建筑湿陷性黄土的地基处理采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层（表5），一般杆塔的混凝土台阶式基础、板柱基础，若遇上较厚的黄土层，成本巨大，不宜采用。体积和范围较小的基础，采用换土垫层法处理，是成本较低且行之有效的处理方法。换填成透水性差，承载力受含水量影响小的土质材料，保障杆塔基础稳定性。

表5 湿陷性黄土地基常用的处理方法Tab.5 Common methods to deal with collapsible loess foundation

5 计算实例

5.1 换土换填前基础数据

下面以玉环县供电公司某工程中的30°耐张转角钢管杆现浇台阶式基础作为实例。经计算，钢管杆基础计算荷载为：Fx=76.68 kN，Fy=0 kN，Fz=-53 kN，Mx=600 kN·m，My=0 kN·m。土壤参数如表6所示。

表6 土壤参数Table.6 Soil parameters

图4 换土换填前计算结果Fig.4 Calculations of initial datas

5.2 采用换土垫层法处理后的计算参数

采用换土垫层法进行处理，换为砂土夹石垫层，回填砂夹粉质黏土，取换填土层厚度z=0.7 m，并适当缩小基础尺寸，参数如图5所示。

图5 计算条件Fig.5 Calculations

5.3 验算

根据《建筑地基处理技术规JGJ 79-2012》和《架空输电线路基础设计技术规程DL/T5219-2014》，采用换土垫层法处理后，应满足以下条件

对于耐张杆塔，混凝土台阶式基础换填后应满足以下条件

根据前述基础参数和计算条件，在换填土层厚度z=0.7 m的条件下进行计算，可得换填土处理后垫层底面以上土的加权平均重度

垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值

基础底面面积

垫层底面处土的自重压力值

地基承载力调整系数

永久荷载分项系数

1）根据规范，基础下压应满足式(13)的不等式关系，代入数据进行验算：

可知基础下压满足式(13)的设计要求。

2）基础底面边缘最小压力设计值

满足设计要求。

3）根据规范，倾覆稳定应满足式(3)和式(4)的不等式关系，代入数据进行验算：

满足式（3）的设计要求；满足式（4）的设计要求。

通过以上验算可知，采用换土垫层法，在换土垫层厚度z=0.7 m的条件下，换土后各项指标符合《建筑地基处理技术规JGJ 79-2012》和《架空输电线路基础设计技术规程DL/T5219-2014》要求。

5.4 经济效益分析

根据规范要求，z/B<0.25时，其他材料均取θ=0°，需满足Bz≥B+2Ztanθ。按要求，垫层顶面每边超出基础底边缘不应小于300 mm。根据以上条件，换土垫层底面的宽度Bz=5.5 m。

按Bz=5.5 m的条件，对采用换土换填法后的造价变化进行分析，计算结果如表7所示。

表7 采用换土换填法后造价的变化Tab.7 Cost changes caused by replacement method

根据表7可知，采用换土换填法后，按照市场价计算，换土垫层增加造价1 400元。由于基础尺寸缩小，混凝土和钢筋减少造价分别为4 000元和1 100元，总计造价材料费节约3 700元。可以看出，采用换土垫层法后，能够有效降低工程造价。

6 结语

通过分析和计算可以发现，淤泥土质等地基承载力较差区域，通过换土垫层和换填法处理，可以有效提高地基承载力和抗倾覆能力，一定程度上减小配电网杆塔混凝土台阶式基础的尺寸。一方面，可以在一定程度上节约基础总造价；另一方面，可以满足基础尺寸受限制等特殊区域下基础的实施，如与附近建筑物、地下管线等安全距离不足等情况，采用换土换填的方式，可以减小开挖尺寸，减小施工难度。对于湿陷性黄土区域的杆塔基础，采用换土垫层和换填法处理，是行之有效且相对经济的方案。

本文的计算和分析是参照相关规范和规程，换土垫层和换填法是完全可以在架空配电线路台阶式基础中运用和实施。在此需要指出的是，考虑到换土垫层自身的变形量与下卧层的变形量，实际开挖深度需综合考虑沉降量和变形量，充分发挥经济效益。

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