吴晓锋，张 楷，赵贞欣，李志强

0 引言

随着经济社会的持续快速发展，电网建设成本大幅度提高，其中输电线路杆塔基础整体造价占项目本体投资约20%～25%[1]。近年，国网公司推进坚强智能电网建设，以进一步提升工程建设技术水平及效益效率，实现输变电工程“两型三新一化”（资源节约型、环境友好型，新技术、新材料、新工艺，工业化）建设技术要求[2]。软土地基中，以往的钻孔灌注桩基础施工劳动强度大、经济性较差，如何提高基础施工中的资源利用率，减少劳动 力投入，降低现场安全风险，是当前基础设计必须考虑的问题。文献[3]提出树根桩基础，其在软土地基中受力能力虽然稍有所提高，但造价成本没有减少。文献[4]提出的大直径人工挖孔扩底灌注桩基础因充分利用了原状土良好的力学特性而具有较高的承载力，从受力分析来看，其横向承载力和竖向承载力有所提高，但其使用大直径桩，经济性较差。国内外关于输电线路以及电气化铁路电力线路新型基础的研究也相对较少。

本文提出新型伞形桩基础，该基础布置形式为中间1根主桩（直径＞300 mm），四周布置4根微型钢管桩（从桩），通过预埋在主桩的地脚螺栓和基础相连，节省了原微型管桩需要的承台和主桩材料。新型装配式伞形桩基础具有如下优点：（1）4根微型管桩稳定性强，具有自平衡功能；（2）中间布置1根主桩承受支柱传递的直接荷载，通过伸长臂将荷载分配到微型管桩，即力的传递性好；（3）通过四周布置的从桩发挥其受拉侧从桩抗拔、受压侧从桩抗压等特点，进而实现主桩、从桩各自发挥自身作用；（4）通过节省承台和主柱的用量，从而降低工程造价。

1 Abaqus有限元数值模拟分析

输电线路及电气化铁路电力线路杆塔基础与一般的建筑基础不同，建筑基础主要考虑受压方向而产生的破坏，但对于杆塔基础，由于受到高压导线的不平衡张力的作用，水平方向受力作用是主要考虑的因素，防止水平方向受力产生的倾覆作用是必须考虑的重要因素之一。为分析新型伞形桩基础受力情况，本次采用荷载为国家电网典型设计采用的2B7-J3-24（即2B7模块，3型转角塔，呼高24 m铁塔）荷载，其中水平x方向受力Tx= 145 kN，水平y方向受力Ty= 132 kN，上拔力T= 868 kN。

1.1 水平力作用下有限元数值模拟

通过分析在水平力作用下新型伞形桩的水平方向位移情况（图1）可以看出，主桩和从桩表现为明显的弹性特征，其中顶部位移最大，最大顶部位移仅为2.067 mm，说明伞形桩基础水平方向位移很小，抗倾覆能力较好，即伞形桩基础的抗水平力较强。

图1 伞形桩水平位移情况（单位：m）

图2所示为主桩和4根从桩沿长度方向水平位移。由图2可知，伞形桩的主桩和4根从桩水平位移均随桩长沿深度方向逐渐减小，其中4根从桩的水平位移均为正向位移，而主桩在5.5 m处水平位移为0，继续向下水平位移为负值。主桩和从桩的横向水平位移接近，说明从桩对维持整体稳定性贡献极大，从桩有效维持了伞形桩的稳定性。

图2 主桩和4根从桩沿长度方向水平位移

1.2 水平力作用下伞形桩和普通钻孔灌注桩对比分析

为分析比较伞形桩和普通钻孔灌注桩在水平力作用下的位移情况，需将两种桩基础均进行有限元数值模拟分析。对普通钻孔灌注桩的模型尺寸和模型参数进行合理选取，见表1，其中钻孔灌注桩与伞形桩主桩材料参数相同，地质条件也相同，故土体参数不再重复叙述。

表1 普通钻孔灌注桩的模型尺寸和模型参数

伞形桩和钻孔灌注桩在水平力作用下横向位移见图3。

图3 横向位移（单位：m）

由图3可知，伞形桩最大正向横向位移为2.077 mm，钻孔灌注桩为5.307 mm。伞形桩反向横向挤压位移为0.205 4 mm，钻孔灌注桩为1.306 mm。且伞形桩最大正向位移在施加荷载的从桩，最大反向位移在施加荷载的对面从桩，两者横向区域均较小。对于钻孔灌注桩，横向位移最大处在桩端且面积较大。由以上数据分析可知，伞形桩在水平力作用下抗侧移性能较好。

图4所示为伞形桩和钻孔灌注桩沿深度方向水平位移。由图4可知，桩基相同深度，钻孔灌注桩横向位移均大于伞形桩，且伞形桩主桩在5.5 m处横向位移为0，之后横向位移为负值，而钻孔灌注桩横向位移沿桩深度均是正值。由此可以得出，虽然新型伞形桩主桩长度（8 m）小于钻孔灌注桩深度（9 m），但伞形桩主桩横向位移经历了正负交替的过程，由此说明，由于从桩的作用，使得伞形桩的抗侧移性能大大提高。

图4 沿深度方向水平位移

1.3 上拔力作用下伞形桩和钻孔灌注桩竖向位移分析比较

伞形桩和钻孔灌注桩在上拔力作用下竖向位移如图5所示。可以看出，上拔力作用下伞形桩最大上拔位移为13.48 mm，钻孔灌注桩最大上拔位移为257.5 mm。故在上拔力作用下，伞形桩基础抗上拔倾覆远好于钻孔灌注桩。

图5 竖向位移（单位：m）

图6所示为两种桩基础沿深度方向竖向位移。由图6可知，在上拔力作用下，伞形桩主桩、从桩和钻孔灌注桩均沿桩深度方向越深，桩的上拔位移越小，并且伞形桩的竖向位移明显小于钻孔灌注桩的竖向位移，伞形桩抵抗上拔位移效果明显。但是伞形桩从桩在桩深3.2 m左右时，桩的上拔位移略微增大，说明此时从桩桩侧发挥的作用增大而桩端发挥的作用减小。

图6 沿深度方向竖向位移

2 伞形桩基础试验分析和数值模拟对比

2.1 试验概况

试验线路选取河北省沧州市东光县境内河北双楼—交河π入东光北变220 kV线路，本次试验地质条件和数值与模拟试验相同，伞形桩采用后注浆。通过试验对伞形桩在2B7-J3-24塔型中的水平力和上拔力分别作用下的位移进行数据分析，结果对比如图7、图8所示。

2.2 试验和数值模拟结果对比分析

由图7可知，在水平力作用下，试验结果和数值模拟结果相似，但试验结果横向位移略微偏小，这是因为采用后注浆的伞形桩注浆的摩擦力偏小，导致数值模拟横向位移偏大，但总体与试验吻合，验证了数值模拟阶段结论的可靠性。

图7 水平力作用下横向位移沿桩深度变化曲线

由图8可知，在上拔力作用下，试验上拔竖向位移和数值模拟结果相似，但试验竖向位移小于数值模拟竖向位移，这是由于试验时采用桩端注浆，而数值模拟中未考虑桩端注浆效应。但数值模拟和试验结果的趋势和大小总体吻合。

图8 上拔力作用下竖向位移沿桩深度变化曲线

3 结论

提出新型伞形桩基础，建立伞形桩基础和钻孔灌注桩基础数值模拟简化模型，并进行有限元数值模拟，得出伞形桩基础具有更好的稳定性和经济性。通过试验对伞形桩基础进行了分析，并对数值模拟和试验结果进行比较，得出数值模拟的合理性。总结以下结论：

（1）不同于引用以往的建筑基础作为输电线路铁塔及电气化铁路支柱基础，新型伞形桩基础符合输电线路基础的受力特性，即抗水平力和抗上拔力较好。

（2）新型伞形桩基础可以有效提高抗倾覆能力，其抗倾覆能力较钻孔灌注桩基础提高了60.86%，伞形桩基础的从桩有效提高了伞形桩基础的横向稳定性。

（3）新型伞形桩基础上拔竖向位移较钻孔灌注桩提高了近10倍（小范围位移波动较大可能性也是存在的，具体仍需试验验证），由此可以看出，伞形桩基础的抗拔能力远远大于钻孔灌注桩基础的抗拔能力，并且伞形桩基础上拔贡献率远大于横向位移贡献率，新型伞形桩基础极大地提高了基础的抗沉降能力。

（4）依托实际工程进行了试验与数值模拟对比，验证了数值模拟结果的可靠性，对于后期推出新型伞形桩基础提供理论依据。

（5）本次模型新型伞形桩基础材料用量为9.309 4 m3，而钻孔灌注桩基础的材料用量为10.173 6 m3，伞形桩基础材料节省8.495%，充分说明伞形桩具有良好的经济性。