特高压输电线路支盘桩群桩受力性能及经济性分析

王德弘,师人杰，赵小盘，鞠彦忠，白俊峰

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林 吉林 132012;2.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001)

随着特高压输电工程的兴起和发展，由于其线路电压等级高，铁塔基础承受的荷载较大，采用普通的灌注桩往往需要增大基础设计尺寸，进而增加工程造价.挤扩支盘桩是在普通灌注桩的基础上，在桩身不同位置挤扩成支或盘，以扩大直径[1-2]，与等直径灌注桩相比，支盘桩具有抗压和抗拔承载力高、工程造价低等优点[3-5].

在特高压输电线路工程中，基础荷载大，桩基多以群桩形式出现，目前对支盘桩群桩的承载性能和荷载传递机理的试验研究资料较少，特别是支盘桩群桩在竖向和水平荷载共同作用下的受力性状研究尚未见相关报道.输电线路基础由于所受荷载条件的复杂性，基础作用力往往由竖向和水平力共同控制，且竖向荷载和水平荷载之间的耦合作用，使群桩的承载性能和受力性状等比较复杂[6-11].

本文以特高压交流线路工程为背景，通过有限元方法模拟支盘桩群桩的承载性能，比较分析支盘桩群桩在荷载作用下的受力变形特点，以期为输电线路工程挤扩支盘桩的设计提供有价值的参考.

1 支盘群桩有限元模型

图1 模型网格划分

1.1 低承台群桩模型建立

文献[12]依托实际工程，进行了复合荷载作用下特高压铁塔挤扩支盘群桩真型试验，为了验证建模方法的有效性，本文首先对文献[12]中的支盘桩进行建模，模型尺寸和土体参数与试验一致.桩周土体宽度从4桩中间对称面算起取40倍桩径，土体深度取1倍桩长.根据模型的对称性，取1/2模型进行分析，荷载施加在柱顶对称面内，在加载之前首先进行土体的初始地应力平衡[13-14].有限元模型网格划分如图1所示.

1.2 有限元模型验证

将有限元计算得到的群桩荷载-位移曲线与试验结果进行比较，如图2所示.由图2可知，有限元得到的位移结果略大于试验值，竖向和水平位移最大差值分别为4.2 mm、2.5 mm.且二者整体变化趋势及曲线特征较为接近.

图2 有限元结果和试验结果比较

2 计算结果分析与讨论

2.1 基桩位移变化曲线

2.1.1 桩顶竖向沉降变化曲线

支盘桩群桩在荷载作用下的基桩桩顶沉降量变化曲线,如图3所示.由图3可知，在仅受竖向荷载作用下，前、后排桩的桩顶沉降量几乎相同，而在水平荷载和竖向荷载同时作用下，前、后排桩顶沉降差别比较大，前排桩的沉降量明显大于后排桩，主要由于群桩基础在沉降的过程中，水平荷载的作用对后排基桩沉降的抵制作用较明显，使得其竖向位移相对较小.

2.1.2 基桩桩身挠度变化曲线

支盘桩群桩在荷载作用下的桩身水平位移沿深度的变化曲线,如图4所示.从图4可以看出，前、后排桩的桩身位移变化规律基本一致，且水平位移差别不大，主要由于承台和桩顶刚性连接，而使得桩和承台作为整体共同发挥作用的缘故.

图3 基桩的荷载-沉降曲线图4 桩身水平位移随桩长变化曲线

2.2 基桩桩身应力分布

支盘桩群桩在竖向和水平荷载作用下的桩身竖向应力分布云,如图5所示.桩身应力在桩身前、后侧分布不同，基桩的桩身最大应力发生在上部桩身前侧表面，且前排桩的桩身竖向应力水平大于后排桩，这是由于水平荷载作用的过程中，桩身前侧与土体产生挤压，后侧与土体逐渐脱离，且后排桩对土体挤压的同时对前排桩有一定的推动作用.

图5 桩身竖向应力云图

2.3 桩身轴力分布

群桩分别在竖向荷载作用及竖向和水平荷载共同作用两种情况下的桩身轴力沿深度的分布曲线，如图6所示.由图6可知，在支盘位置处轴力曲线发生突变，支盘下部的轴力明显降低，降低的荷载由支盘承担.在竖向荷载单独作用下，前排桩身轴力稍大于后排桩，且二者支盘承担的荷载分别为190 kN、189 kN，基本相同.而在竖向和水平荷载作用下，前、后排桩身轴力差距明显变大，且前排桩支盘承担荷载值(298 kN)大于后排桩支盘分担荷载值(98 kN)，这也是支盘桩群桩在竖向和水平荷载共同作用下受力特点的明显体现.

图6 桩身轴力分布曲线图7 桩土相对位移变化曲线

2.4 桩土相对位移分析

支盘桩群桩在仅受竖向荷载与承受竖向和水平组合荷载两种工况下的前、后排桩侧表面与土体竖向相对位移沿深度的变化曲线，如图7所示.从图7中可看出，桩土相对位移在支盘位置和桩端位置处发生明显突变，主要因为在加载过程中，支盘下表面及桩端与土体发生挤压接触而使二者相对位移减小.在单独受竖向荷载作用时，前、后排桩土竖向相对位移变化曲线比较接近，而在竖向和水平荷载共同作用下，前、后排桩土相对位移差别较大，且前排桩土相对位移整体上大于竖向荷载单独作用时的桩土相对位移，后排桩土相对位移要小于竖向荷载单独作用时的桩土相对位移.这是由于水平荷载作用使承台发生倾覆，导致前、后排基桩沉降不同，从而使其与土体之间滑离程度有所差别.

2.5 桩间土体沉降分析

相同荷载等级下支盘桩群桩分别在竖向荷载作用及竖向和水平荷载共同作用两种工况下桩间土体的沉降云图，如图8所示.由图8可知，桩间土体的沉降整体上比外侧大，这是由于桩间土体存在应力叠加，导致相同深度不同位置处的土体沉降不同.比较两图可看出，在竖向荷载单独作用下，群桩桩间土体沉降呈左右对称分布，且最大沉降区发生在承台与桩顶连接处的土体，而在竖向和水平荷载共同作用下，最大沉降区相对于图8(a)向右偏移，且前排桩端土体沉降明显大于后排桩端土体，这主要是由于水平荷载的作用使承台发生抗压倾覆，使得承台与前排桩顶处土体挤压作用比较明显且使得前排桩沉降大于后排桩.

图8 桩间土体竖向沉降

3 技术经济分析

以某1 000 kV特高压交流输电线路工程为例，在相同地质条件且满足同等基础作用力等技术条件下，比较分析挤扩支盘桩基础与普通钻孔灌注桩基础的经济性能.

3.1 单腿设计方案尺寸对比

在相同地质及荷载条件下，塔位E13、E14、E16、E28、E29、E34等6基挤扩支盘桩基础及其对应的普通灌注桩设计尺寸比较，如表1所示.

从表1可以看出，同等条件下，挤扩支盘桩相对于普通等径灌注桩，桩径及承台尺寸有所减小，桩长有所缩短，通过计算可知，主桩直径可减小12.5%～25%左右，桩长可缩短19.1%～28.6%左右.

表1 设计尺寸比较(单位：m)

注：所有基础均为4桩群桩基础

3.2 单腿材料用量对比

各塔位分别采用挤扩支盘桩和等径灌注桩时的单腿混凝土及钢筋用量比较，如表2所示.并将单腿混凝土及钢筋总量进行汇总比较，如图9所示.由表2可知，相同条件下，挤扩支盘桩基础相对于等径灌注桩，同一塔腿各部分混凝土用量及钢筋用量有明显地减少，从单腿材料用量汇总比较柱状图分析可知，挤扩支盘桩基础的混凝土用量比等径灌注桩节省21.8%～43.6%，钢筋用量比等径灌注桩节省12.2%～34.8%左右.

表2 材料用量比较

注：混凝土用量单位为m3，钢筋用量单位为kg.

图9 单腿材料总量比较

表3 施工造价比较

表4 施工工期比较

3.3 单腿施工造价对比

根据E13、E14、E16、E28、E29、E34等6基塔单腿基础工程量，计算得到等直径灌注桩基础与挤扩支盘桩基础的单腿施工造价，如表3所示.

通过对表3中的数据分析可知，同等条件下，挤扩支盘桩基础施工造价要比等径灌注桩基础节省7.0%～32.3%左右，且6基挤扩支盘桩单腿总造价比等径灌注桩基础单腿总造价节省20%左右，具有较好的经济效益.

3.4 单塔基础施工工期对比

E13号塔位基础为例，在相同基础尺寸下，对分别采用挤扩支盘桩基础和等径灌注基础的施工工期进行比较，如表4所示.由表4可知，挤扩支盘桩与普通等径灌注桩各工序工期仅在钻桩成孔阶段有差异.挤扩支盘桩虽然比普通钻孔灌注桩增加挤扩支盘等工艺，但由于同等桩基作用力等指标条件下，挤扩支盘桩的设计桩长、桩径、桩混凝土量、钢筋量等指标均小于普通等径灌注桩，因此单塔塔腿的总体施工工期相比于普通灌注桩会有所缩短.

4 结 论

本文通过有限元数值模拟方法研究了支盘桩群桩在竖向及竖向和水平荷载共同作用下的承载变形性能，并对挤扩支盘桩基础的技术经济性进行了分析，主要结论如下：

(1)由于水平荷载的作用，使得承台在发生竖向变形的同时产生抗拔倾覆，造成基桩的变形性能、桩身轴力分布、桩土竖向相对位移以及桩间土体的受力情况等与竖向荷载单独作用时有所不同，说明竖向荷载和水平荷载之间存在耦合作用，对群桩基础的受力性状具有较显著的影响.

(2)通过技术经济分析可知，相同条件下，挤扩支盘桩相对于普通等径灌注桩，减小桩径，缩短了桩长，混凝土用量节约21.8%～43.6%，钢筋用量比等径桩节约12.2%～34.8%；单腿施工造价节约7.0%～32.3%；且单塔总体施工工期会有所缩短，说明挤扩支盘桩具有较大的经济性能及应用优势.