输电塔回填土基础计算露头调整方法

孙启刚，赵 勇，刘利鹏，宋卓彦，何春晖，伊 敏

（1．国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南250000；2．国网山东省电力公司，山东 济南250000；3．国网山东省电力公司建设公司，山东 济南250000）

0 引言

回填土基础是输电塔最常见的基础形式，其主要通过一定上拔角范围内的土体重量抵抗其所受到的上拔力。因此土体的上拔角对于回填土基础的设计和经济技术指标影响很大。

表1示出了典型220kV转角塔基础按照粉土和粉质粘土计算所得基础的材料量。

由表1可以看出，相同的计算露头和地下水情况下，按照粉土计算基础材料量较按照粉质粘土计算材料量增加20%～80%不等。事实上，按照大量工程的工程经验，粉土地质条件基础综合材料量较粉质粘土情况增加30%左右。

但是输电线路中常见地层结构为表层覆盖较薄的素填土或者粉土等上拔角较小的土壤，下层为砂土或者粉质粘土等上拔角较大的土壤。在设计回填土基础时，对该种地质结构的处理方式没有严谨的计算依据，常常因设计人的工程经验而异，造成工程经济技术指标不合理。因此，确定一种科学合理的并且利于工程上应用的对该种地质结构的计算简化处理方式对于线路基础工程具有重要的实际意义。

表1 基础计算材料量

1 回填土基础上拔计算分析

1.1 单层地质结构

对于单层地质结构的情况，基础上拔土体范围内的土体上拔角相同（均为β），基础主要依靠本身重量和上拔角范围内土体（体积为V）重量，抵抗所承受的上拔力（如图1所示）。

通常情况下，基础混凝土的自身重量约抵抗基础上拔荷载的1／3左右，其余2／3的基础上拔荷载将由上拔角度范围内的土体重量承担。

图1 单层土体基础上拔受力示意图

1.2 双层土体基础上拔受力分析

当上拔土体范围内的地质分两层时，如图2所示。假设下层较优土体的上拔角为β1，体积为V1，重度为γ1；上层较差土体的上拔角为β2，体积为V2，重度为γ2。则要求得计算有效深度的调整值可按下式计算：

式中：

式中：B2上为上层土体棱台上部宽度；B2下为上层土体棱台下部宽度；B′2上为等效上层土体棱台上部宽度。

根据几何关系可得：

将以上公式（1）～（6）联立，可得到：

图2 回填土基础双层地质上拔示意图

2 算例分析

根据现有规范[1]，粉质粘土、粉土和素填土的上拔角和重度如表2所示。由表2可以看出粉土和素填土的重度与粉质粘土相差不大，但是其上拔角较粉质粘土大幅减小。

表2 常见地质类型土重度和上拔角

将上表数据带入式（7）、（8），可以得到关于等效埋深H′的三次函数，该函数手算求解困难。但是借助电子表格excel合理设置中间变量，采用其自带的“单变量求解”模块可以方便的求解；更换不同的参数即可批量得到不同底板宽度、计算有效深度和不同下卧较好土体深度、上覆较差土体时的等效深度。

本文以220kV线路工程常见基础埋深（以埋深4 m为例）和底板宽度（底板宽度4.5 m）的基础尺寸为算例，计算了上部较差土体折减深度如图3所示。

图3 上覆较差土体折减厚度

由图3可以看出，素填土对于计算露头的影响要远远大于粉土的影响，相同的覆土厚度，素填土的折减程度约为粉土的2～7倍。

表3示出了上覆粉土和素填土时折减厚度与原覆土厚度百分比情况。

由表3可以看出，土体分层时，上覆较差土体对上拔计算深度具有较大影响，且上覆土体上拔角越小，影响程度越大。

表3 常见基础尺寸的折减深度（H=4 m，B=4.5 m）

对常见的下卧粉质粘土，上覆素填土或粉土的地质条件，在基础宽度4.5 m左右，埋深4 m左右时，可将上部素填土厚度的50%或粉土厚度的20%计入计算露头后按照全部土层为粉质粘土进行基础上拔计算。

3 几种常见地形情况讨论

输电线路不同于普通的民用建筑，其整体为线状分布，往往绵延数十公里，沿线地形条件复杂，且为了减少对优质国土资源的占用，线路沿线多为地形条件相对较差的丘陵、山地。线路工程中常见的塔位地形情况主要包括斜坡地形和梯田坎子地形，分别如图4、图5所示。

下面就以上两种地形条件下上覆较差土体的考虑方法分别讨论。

图4 斜坡地形计算

图5 梯田坎子地形

3.1 斜坡地形

该种情况上拔范围内土体为图4所示，但是在计算基础时，通常将其等效为平地计算。具体等效方式为取基础实际露头h与基础主柱中心至上拔范围内边缘点高差e的一半之和作为计算露头高度。即实际的计算模型如图6所示。

图6 斜坡地形实际计算模型

由图6经过简单的相似三角形分析可知，当e／2大于上覆较差土体厚度时，区域ABCD范围内的土体体积大于区域EFGH范围内的土体体积，因此即使不再考虑上覆较差土体的重量，按照图6所示范围内的下部较好土体计算基础，计算结果也是偏于安全的。但是，当e／2小于上覆较差土体厚度时，则上覆土体的处理方法因上覆土体厚度而定，无法无条件的得到确定的处理方法。

3.2 梯田坎子地形

该种地形计算基础时，通常也等效为平地计算，等效方法为取基础实际露头h与坎子高度e的一半之和作为基础的计算露头，即实际的计算模型如图7所示。

图7 梯田坎子地形实际计算模型

由图7可以看出，此时无论e／2与上覆较差土层厚度孰大孰小，均无法得到无条件的确定处理方法。具体的处理方法取决于上覆土层具体的密度、上拔角等。并且，实际工程中该种情况下大多数上覆土层为素填土，其对基础计算的影响更大。因此该种情况下，参考本文第2节的分析，建议偏于安全的取计算露头为斜坡地形的计算露头（h＋e／2）加上覆土层的折减厚度。

4 结论

经过上述讨论，本文的主要结论如下：

1）双层地质条件上覆土层参数对基础经济技术指标有重大影响。

2）平地地形条件下，220kV线路常见底板宽度和埋深范围内，下卧层为粉质粘土时，可将上部素填土厚度的50%或粉土厚度的20%计入计算露头，然后按照全部为下部较好土体进行基础设计。

3）在斜坡地形情况下，若因地形而增加的计算露头高度大于上覆较差土层的厚度时，可不再考虑上覆较差土层的影响；在梯田坎子地形情况下，可以偏于安全的在因地形增加计算露头的同时，再考虑上覆较差土层的折算厚度作为计算露头。