钢管桩基础在软土地基110kV钢管杆输电线路中的应用

2012-09-12钟维军罗玉鹤

浙江电力 2012年10期

钟维军，罗玉鹤

（宁波市电力设计院有限公司，浙江宁波 315021）

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，架空输电线路的走廊日趋紧张，城区难有适合铁塔架设的线路走廊。钢管杆线路由于走廊窄，占地面积小，造价相对电缆线路低，适合在空间走廊紧张的城市和城乡结合地带采用。节约占地面积是钢管杆设计的重要内容，其中钢管杆基础的设计尤为关键。

1 不同基础型式的技术经济比较

钢管杆基础可分为普通浅基础、普通钻孔桩基础、钢管桩基础、树根桩基础等。本文基于宁波地区典型软土地质情况，以直线杆和30°转角杆为例对不同基础型式进行技术经济比较。

1.1 地质及基础作用力情况

典型的软土地质，地下水位0.5 m，钢管杆基础作用力见表1，各层地质情况见表2。

1.2 技术经济比较

表1 钢管杆基础作用力

1.2.1 直线杆基础型式

直线杆不同基础型式的技术经济比较见表3。从表3中可以看出，在软土地质情况下，直线杆的不同基础型式中，钢管桩基础占地面积最小，综合造价最低；普通浅基础占地面积最大，综合造价较灌注桩基础小；其他类型的桩基础型式占地面积均较大，综合造价也相对较高。

1.2.2 转角杆基础型式

转角杆基础型式的技术经济比较见表4。从表4不难看出，在软土地质情况下，30°转角杆的不同基础型式中，钢管桩基础占地面积最小，综合造价最低；其他类型基础型式占地面积均较大，综合造价也相对较高。

表3 直线杆不同基础型式的技术经济比较

表430°转角杆不同基础型式的技术经济比较

1.2.3 不同型式基础的造价比较

综合表3、表4，可以得到基础型式与基础造价的关系如图1所示。

图1 基础型式与基础造价的关系

从表3、表4和图1可知：

（1）不管是直线杆还是30°转角杆，钢管桩基础的占地面积明显小于其他型式基础的占地面积，桩基础次之，普通浅基础占地面积最大。

（2）在软土地基上，钢管桩基础的造价最低，普通浅基础造价次之，桩基础最大。

1.3 本文采用的基础型式

从以上比较分析可知，钢管桩基础能较好地满足设计要求，且造价低、占地面积最小、施工周期短。钢管杆线路都在道路两侧，也为运输和吊装提供了良好的外部条件，适合工程中的实际要求。因此，本文重点分析钢管桩基础。

2 钢管桩的设计

2.1 钢管桩基础的特点

（1）占地小，约为普通基础的4%，特别适用于城市输电线路。

（2）强度大，承载力高，与上部杆塔结构一致，便于施工安装，工期短。

（3）对附近房屋、城市道路、市政设施及环保卫生干扰较小，噪声小，无污染。

（4）采用静压机械设备，避免了多人工、大挖方的原始施工，造价明显降低。

2.2 钢管桩基础的倾覆稳定计算

钢管桩基础与上部结构采用法兰连接或插接，连接有保障，当基础埋深与基础实际宽度之比不小于3时，可按电杆基础的相关理论进行计算。钢管桩基础主要承受水平荷载和较大弯距，垂直荷载相对较小，因此在实际工程设计中一般都以倾覆稳定作为钢管桩基础的控制条件。

一般的钢管桩输电线路设计都满足电杆基础的设计理论，因此本文按照电杆理论进行设计。钢管桩基础的极限倾覆力Sj和极限倾覆力矩Mj的计算都是假定土壤达到极限平衡状态，通过土压力的作用，使钢管桩基础保持受力平衡。

钢管桩基础除倾覆稳定外，还必须满足强度设计的要求，一般按压弯构件进行计算。

表2 地质参数

2.3 钢管桩的桩顶位移计算

由于宁波地区地质情况较差，属于典型的软土地基，钢管桩的桩顶位移成为钢管桩基础设计的控制条件之一。为了更好地控制桩顶的水平位移，在钢管桩基础的桩体上部浇筑了1块混凝土块，增大了基础与软土的接触面积，可以有效减小钢管桩基础的桩顶水平位移。钢管桩基础的水平位移比较见表5。

表5 钢管桩基础的桩顶水平位移比较

为了验证混凝土块的有效性，采用有限元软件模拟直线杆钢管桩基础实际受力情况，以校核钢管桩基础的桩顶水平位移。

首先建立平面模型，通过单元扩展将平面模型扩展为实体模型，其下部和四周均采用固接，土壤采用半径为5 m的圆模拟，土壤参数按实际情况输入。钢管桩采用梁单元模拟，桩与土壤用共用节点来实现共同变形。

桩周围的土体为实体单元，有弹塑性，属颗粒状材料，受压屈服强度远远大于受拉屈服强度，土体受剪时颗粒会膨胀。本次采用Drucker-Prager屈服准则，能得到较为精确的结果。

根据有限元软件计算结果，直线杆钢管桩基础桩顶未设置混凝土块的桩顶水平位移为9.04 mm，设置混凝土块的桩顶水平位移为5.0 mm。该计算结果与钢管桩基础设计的结果9.15 mm和5.25 mm比较接近，误差仅为1.2%和5%，从而验证了本次设计的正确性。

2.4 钢管杆的预偏设计

由于转角杆的受力特点，钢管杆杆身在实际运行中将产生较大变形，因此施工时常采用预偏方式。采用钢管桩基础时，由于钢管杆根部直接插入钢管桩内，可以通过三角楔铁调整至钢管杆设计所需杆顶位移（长期荷载工况下的杆顶位移），然后灌浆固定，施工相对简单、直观。当采用灌注桩基础时，钢管杆根部采用法兰连接，则需要把桩顶做成斜面以保证钢管杆设计的预偏，施工较前者困难，且不直观。

2.5 钢管桩基础材料的优化

钢管桩基础的材料主要采用Q235，Q345，Q390等钢材，不同材料的造价比较如表6所示。设计中，应在满足钢管桩桩身强度设计要求的同时，尽可能降低钢材使用量。

表6 不同材料钢管桩造价的比较

从表6可知，钢管桩基础采用Q345钢材时的造价明显优于Q235，主要是因为在满足钢管桩桩身强度要求时，Q235的屈服强度明显低于Q345，同样的钢管桩壁厚不能满足钢管桩设计荷载的要求，使Q235的钢管桩壁厚大于Q345，而Q235和Q345的市场单价相差无几，从而导致采用Q235的钢管桩基础造价较高。

考虑到钢管杆根部壁厚和钢管桩易腐蚀的关系，一般情况下，钢管桩的壁厚除满足强度要求外，还不宜小于钢管杆根部的壁厚。在这种设计条件下，一般钢管桩采用普通钢材就能满足最小壁厚的要求，从表6可以看出，采用Q390钢材的钢管桩基础的造价不但没有降低，反而大大增加，这主要是因为Q390的市场单价明显高于Q235和 Q345。

3 钢管桩的施工

3.1 施工方案比较

目前在钢管桩基础的各种施工方案中，最常用的是机械钻孔植桩法和静压植桩法。

（1）机械钻孔植桩法：首先用钻机在地面上钻孔，达到设计深度后，将钢管桩放入钻好的孔中，再在桩内外注浆加固。由于钢管桩的桩径相对较大，成孔时要做好护壁工作，防止孔壁塌陷。该方法在钻孔时噪音较大，施工周期较长，费用较高，但因其适用性较广，一般的地质情况均能采用，因此在目前的输电线路灌注桩基础施工中经常采用。

（2）静压植桩法：只需将表层土挖开，直接用静压机压至设计深度。由于受静压机械的限制，一般不适用于贯穿厚度大于2 m的中密以上砂土夹层或中密以上的砂土持力层。

静压法施工原理：一般来说，采用静压桩工艺时要求地基土含水量较高，孔隙比较大，桩身在受垂直静压过程中对周围土体进行排挤，使地基土发生侧剪破坏，或先发生沿桩身土体的直接剪切破坏，从而产生超孔隙水压力，扰动土体结构，使桩周约一倍桩径的土体抗剪强度降低，发生严重软化（粘性土）或稠化（粉土、砂土），出现土的重塑现象，从而可连续地将静压桩送入很深的地基土层中。若遇砂层，超孔隙水压力消散，则摩阻力增加，压桩困难。

静压法具有静压桩震动小、噪声小、场地小等特点，适合在市区及建筑群中施工。施工速度快，工期短；施工工艺简捷、方便。施工费用省，土石方开挖量几乎为零，对原状土扰动小。最适用于软土地基，不适用于贯穿厚度大于2 m的中密以上的砂土夹层或中密以上的砂土持力层。

3.2 不同施工方案的造价比较

以上2种施工方案的造价比较见表7。从表7可知，静压法造价明显低于钻孔植桩法，直线杆基础造价下降约25%，转角杆基础造价下降约17%，可有效降低基础本身的造价。

表7 不同施工工艺钢管桩基础的费用比较

在典型的软土地基中，钢管桩基础的施工采用静压法有较大优势。

4 钢管桩的补强

钢管桩基础在实际施工过程中，往往受到地质条件不确定的影响，导致钢管桩还未压到设计需要长度就已经不能继续向下压入，因此，桩长不够，产生倾覆弯距不能满足设计要求，且钢管桩的抗倾覆能力与钢管桩实际桩长的立方成正比，这就产生了很大的弯距差，给结构的补强造成了很大困难。

一般电杆基础的补强都采用设置卡盘的方式，由于钢管桩基础所受的弯距较大、桩长较长，在施工过程中安装下卡盘也不现实，且工程量会大大增加。仅仅安装上卡盘时，对整个钢管桩基础能够起到一定的抗倾覆作用，但如果设计弯距与实际弯距相差较多，仅仅依靠上卡盘会使卡盘增大很多，造成工程量大大增加。这时可以在钢管桩顶部采用混凝土套筒来增加基础与软土的接触面积，满足钢管桩基础的倾覆弯距要求。