朱江峰，冯　炳，谢　芳

（1.国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司，浙江　绍兴　312000；2．绍兴文理学院　土木工程学院，浙江　绍兴　312000）

0　引言

中国的经济和科技发展迅猛，城市对电力的需求也在快速增长，各种电压等级的城区输电线路建设正如火如荼的展开[1-2]。自立杆是输电线路杆塔的常见型式，由于其具有占地小、外形美观等优点，越来越多的应用在寸土寸金的经济发达地区中[3-6]。输电线路自立杆基础相比常规铁塔有以下特点：

（1）自立杆基础受力不同于常规铁塔基础只承受竖向荷载作用，主要是弯矩作用，如图1箭头所示。

（2）自立杆基础受力相比常规铁塔要大的多，是相同使用条件铁塔基础作用力的2倍以上。

基础工程是输电线路工程建设的重要组成部分，它的造价、工期和劳动力消耗量在整个线路工程中占很大比重[7-11]。同时，输电线路基础工程关系整条线路的运行安全，一旦某个塔位基础出现安全事故，整条线路运行将面临瘫痪。因此，选择合理的基础型式并进行优化研究，对降低输电线路工程投资、保障线路安全运行至关重要。

图1　输电线路自立杆与铁塔基础受力对比

1　城区输电线路自立杆常用基础型式及其特点

1.1　大开挖回填基础

城区输电线路的大开挖回填基础主要有板式基础与台阶基础，如图2所示。此类基础技术成熟、施工简单，在常规输电线路中应用最广。板式基础的底板配置受力钢筋，以充分发挥混凝土和钢筋的承载性能，且一般控制基础底板的宽高比不大于2.5，以满足底板刚度要求。刚性基础往往底板不配筋，通过同步增加台阶数量和高度来增加底板宽度。大开挖回填基础依靠基础自重及地基反力来抵抗杆塔倾覆弯矩，因此其底板宽度与混凝土方量均较大。

图2　城区输电线路常见大开挖回填基础型式

1.2　灌注桩基础

灌注桩基础指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩基础，可分为单桩与多桩承台，如图3所示。单桩基础主要靠侧向土压力抵抗倾覆弯矩，而多桩承台则主要靠桩身下压或上拔力来抵抗倾覆弯矩。灌注桩基础是一种深基础型式，其具有适应性强、后期质量稳定和承载力大等优点，因此，近年来在城区电网建设中得到了广泛应用。但该基础施工费用较高，且施工时产生的泥浆会对城区环境产生一定影响。

图3　城区输电线路灌注桩基础

1.3　钢管桩基础

钢管桩基础是将上部钢管杆进行延伸，直接打入土中，用少量混凝土注浆填满空隙的一种深基础型式，如图4所示。钢管桩基础的受力特点与单桩基础类似，依靠侧向土压力抵抗倾覆弯矩。其质量稳定、承载力大，而且施工方式简单环保。但钢管桩基础的施工对地质情况要求较高，在土质较硬或者有碎石的情况下，钢管桩要被打入到指定深度有一定的困难。

图4　城区输电线路自立杆钢管桩基础

2　新型“砝码式”钢管桩基础

2.1　“砝码式”钢管桩基础特点

“砝码式”钢管桩基础是在钢管桩基础上的一种改进型。当钢管桩无法直接打入地基中时，采用旋挖钻机机械成孔，放入底部带圆形钢板的钢管桩，再像加砝码一样逐个加装预制混凝土重块，然后在基坑与混凝土重块缝隙处注浆，保证基础与土体的粘结作用。同时，可根据实际需要加装上部预制混凝土承台，如图5所示。

图5　“砝码式”钢管桩基础示意

由图5可知，该基础型式各个部件均是预制构件，既保证了施工质量，同时也加快了施工进度，满足全过程机械化施工的要求。在基础受力上，混凝土砝码有效的加大了单桩基础与土体的接触面，增加了侧向土压力，从而大幅增加基础的抗倾覆性能。钢管桩基础采用内部反向法兰与上部钢管杆连接，保证了混凝土砝码的顺利安装，如图6所示。

图6　砝码式钢管桩基础上部内法兰

“砝码式”钢管桩在性能上综合了钢管桩和装配式基础的优点，具有以下特点和优势：

（1）基础所有构件均采用预制，保证了构件质量，有效缩短施工工期，节约施工成本。

（2）内部钢管可视为基础配钢筋，承受基础绝大部分弯矩，外部预制混凝土可不配钢筋或少配钢筋，同时设计上不受构件含钢率限制，构件承载力较钢筋混凝土基础可提高30%以上。

（3）混凝土砝码有效加大了单桩基础与土体的接触面，增加了侧向土压力，从而大幅增加基础的抗倾覆性能。

（4）该结构延性远高于钢筋混凝土结构，具有更高的变形能力和抗震性能。

（5）该基础直接通过钢管内法兰与上部钢管杆连接，无需地脚螺栓。

（6）基础下压荷载直接通过内部钢管传递给底部钢板。

2.2　“砝码式”钢管桩基础的抗倾覆承载力计算

“砝码式”钢管桩基础的抗倾覆承载力计算仍然可以按照《架空送电线路基础设计技术规定》中电杆基础倾覆稳定公式计算[8-14]，计算简图见图7。

式中：X为土压力；m为土压力参数；β为等代内摩阻角，按表1确定；y为自设计地面起算的深度；γs为基础底面以上土的加权平均重度，按表1确定。

图7　电杆基础计算简图

表1　加权平均重度、等代内摩阻角参数

2.3　“砝码式”钢管桩基础有限元计算

2.3.1数值建模及参数选择

本次数值分析采用MIDAS-GTS岩土工程专业有限元软件。该软件能模拟复杂的工程地质条件和实际工程的加、卸载工序，通过合理的本构模型来模拟岩土体材料的非线性和时间相关性，可用于分析基础承载力、软基处理、桩基础和隧道等多种岩土工程的变形和稳定问题。

为模拟“砝码式”钢管桩基础在承受弯矩荷载后土体和基础的应力和位移发展情况，本次分析按实体建模。土体本构关系选择为莫尔库伦模型，基础本身按线弹性材料考虑，其弹性模量分别按混凝土和钢的模量取值。

另外，为模拟土体、基础界面上及钢管、混凝土块界面上的滑动，在基础土体接触面、钢管、混凝土块接触面上添加界面单元[15]。其中钢管、混凝土块之间采用线性界面单元，混凝土块、土体之间采用莫尔库仑接触单元。界面单元属性如表2所示。

表2　界面单元参数

以某220 kV直线钢管杆为基本分析对象，其基础作用力设计值为：N=150 kN，Qx=85 kN，Qy=85 kN，M=1 500 kN·m。钢管直径取1 200 mm，埋深取6 m，外部混凝土块直径取2.4 m。

土体底部水平向和竖向均固定，两侧边界水平向固定，竖向可移动。在柱顶施加杆塔荷载，迭代计算时通过增加荷载因子控制施加杆塔荷载，当土体位移过大破坏时终止计算。网格划分如图8所示。土体和基础的计算参数分别如表3—表4所示。

图8　“砝码式”钢管桩基础计算模型网格划分

2.3.2“砝码式”钢管桩基础的有限元计算

采用MIDAS GTS软件对该基础型式进行非线性分析。图9为整体变形示意图；图10为“砝码式”钢管桩基础的内力与位移云图；图11为联合沉井基础土体等效应力示意图。

表3　地基土体计算参数

表4　基础材料计算参数

图9　整体变形示意

图10　“砝码式”钢管桩基础内力云图

由图9—图11可知，“砝码式”钢管桩基础在上部钢管杆荷载作用下，其地面最大位移为10 mm，满足规范要求。同时，基础各部件的应力值均在规范允许范围内，说明该基础结构受力合理，整体性和稳定性较好。

表5　不同基础型式技术经济比较

图11　“砝码式”钢管桩基础土体塑性区分布示意

3　“砝码式”钢管桩基础技术经济比较分析

3.1　基本设计条件

以某城区220 kV双回路输电线路自立杆为例，导线采用2×LGJ-630/40，地线采用JLB20A-120。导地线安全系数分别取4.5和6.0，设计气象条件为：基本风速27.0 m/s、覆冰5 mm。设计水平档距250 m，垂直档距300 m。地基土类型为粉质粘土并考虑0.5 m覆盖层厚度。

3.2　技术经济比较结果

该自立杆分别采用灌注桩基础、钢管桩基础、板式基础以及“砝码式”钢管桩的技术经济指标进行了对比分析，如表5所示。

计算结果表明，在地质条件相同的情况下，采用“砝码式”钢管桩基础，其指标优于普通板式基础与钢管桩基础，与灌注桩基础相当，且施工工艺更为简洁，更好的满足机械化、模块化施工的要求，经济与社会效益显著。

4　结论与展望

目前城区输电线路自立杆常规基础型式主要有：大开挖回填基础、灌注桩基础和钢管桩基础，这些基础各有特点和不足。“砝码式”钢管桩基础是一种新型基础型式，是在钢管桩基础上的一种改进型，具有预制化、模块化和机械化的特点。有限元分析和技术经济比较结果表明，该基础结构受力合理，其在自立杆荷载下作用下整体性和稳定性较好，变形、内力均能满足规范要求。在地质条件相同的情况下，采用“砝码式”钢管桩基础，其指标优于普通板式基础与钢管桩基础，与灌注桩基础相当，且施工工艺简洁、施工周期短，能更好地满足预制化、模块化、机械化施工的要求，在城区输电线路中具有一定的推广价值。

以上对于砝码式钢管桩基础的设计作了初步研究，仅涉及到基本理论和数值模拟，要将该基础型式运用于实践，还需采用试验手段对其受力性能、承载力计算公式、构件设计方法等进行深入研究，同时对具体的施工机械、施工技术、施工流程也需进行进一步的研究。