螺旋锚复合基础在软土地基中的应用

张文涛

（东北电力设计院，长春 130021）

近年来，随着特高压输电线路的电压等级不断提高，导线截面不断加大，同塔多回路的使用等，使输电线路铁塔的基础作用力成倍增加。目前，1 000 kV 交流特高压输电线路双回路直线塔的基础作用力（下压、上拔）达3 000～4 500kN，转角塔的基础作用力更大，尤其是基础上拔力的提高，原有输电线路铁塔基础使用较多的普通混凝土基础已不适应目前的需要。我国特别是南方部分河网地区设计的输电线路工程，尽管基础设计方案一再优化，但每km的混凝土指标仍居高不下，对控制工程造价作用不大，其主要原因是现有的基础类型已不再适应现代工程的需要。近年来，设计了一种新的基础类型，即螺旋锚复合基础，在高电压等级输电线路软土地基中推广应用。

1 原有基础形式

1.1 普通混凝土基础

输电线路铁塔的基础受力特性与一般的建筑物基础不同，它既要满足上拔，又要满足下压，而一般的建筑物多数受下压控制，只要满足下压即可。铁塔基础对于下压力，当地基承载力较好时，是比较好处理的，基础底板尺寸一般控制在3～8m，埋深在3～6m。

按DL/T 5219—2005《架空输电线路基础设计技术规定》，铁塔基础上拔稳定力γfTE计算公式为：

式中：γf为基础附加分项系数；TE为基础上拔力设计值；γE为水平影响系数；γS为基础底面以上土的加权平均重度；γθ1为基础底板上平面坡角影响系数；Vt为基础埋置深度ht内土和基础体积；ΔVt为相邻基础影响的微体积；V0为h0深度内的基础混凝土体积；Qf为基础自重力。

式中：B为方形底板宽度；α为土体计算上拔角。

从公式（1）、（2）可以看出，要满足基础上拔稳定的要求，有2种方法，一是加大基础埋深，增加Vt的土方量；第二，加大基础的底板宽度和底板的高度（即重力式基础的方法）增加Qf值。从理论计算看这2种方法都是可以做到的，但软弱地质情况一般为淤泥质或粉质黏土，饱和，流塑或软塑，地下水位较高，开挖难度极大。为了满足上拔要求，从计算角度来说，埋深越深越好，但从施工来说，则埋深越浅越好。鉴于多方面的原因，基础的设计埋深一般控制在2.5～4.0m。当基础作用力较小时，可以设计出较合理的基础，当基础作用力较大时，就很难设计出合理的基础。500kV 徐家—沈东2回输电线路水平力为128kN、上拔力1 500kN，220kV 哈大高铁牵引站线路工程基础水平力为68.6kN、上拔力600kN，在软塑地基上设计的不同埋深基础，计算上拔角为10°，有地下水的情况下，设计的普通混凝土基础每km 线路混凝土指标及基础尺寸见表1。

表1 混凝土指标及基础尺寸

从表1可知，基础作用力的大小，对基础的底板宽度影响较大，基础作用力较大时，混凝土用量成倍增加，基础尺寸也随之加大。在野外没有机械施工条件下，开挖3.0m×7.2m 见方的基坑，在地下水位较高的情况下，其开挖工作量和难度很大。如果采用重力式基础，基础底板尺寸可能有所减少，但混凝土量会增加较多，使工程造价剧增。电力规划设计总院颁发的《电网工程限额设计控制指标》中，关于每km 线路基础混凝土用量规定见表2［1］。

表2 限额设计km 线路基础混凝土指标 m3

从表2可以看出，实际工程的基础每km 线路的混凝土大大超过了电网工程限额设计控制指标，由此可见，普通混凝土基础类型不十分理想。

1.2 灌注桩基础

灌注桩基础可以减少开挖土方量，但它需要专用的施工机械，而线路基础分布较零散，有的地方机械进场难度较大，且灌注桩基础的混凝土方量一般情况在500kV 直线塔采用单桩情况下与普通混凝土基础混凝土用量基本相当，如基础作用力再大一些或用在耐张塔上将改作群桩，混凝土量会成倍增加，在特高压输电线路上使用混凝土量增加更多。灌注桩基础用在500kV 转角塔及更高电压等级的输电线路上，其经济指标是目前基础形式中较高的一种，因此，在高电压等级输电线路上除大跨越塔基础和十分需要的地方外，一般情况下不宜采用。

2 螺旋锚复合基础

2.1 螺旋锚复合基础原理及上拔力的计算

二十世纪九十年代，国内一些设计院、科研单位对螺旋锚复合基础进行了研究和探讨，但由于当时输电线路最高电压等级不超过500kV，铁塔基础均较小，很少应用于工程中。随着输电线路电压等级的提高，铁塔基础作用力的增大，使用普通混凝土基础与螺旋锚结合形成一种新的基础形式，即螺旋锚复合基础，在工程中使用有较突出的优越性。螺旋锚复合基础示意图见图1。

图1 螺旋锚复合基础示意图

螺旋锚复合基础原理是利用螺旋锚来承担一部分上拔力，减少普通混凝土基础所承担的上拔力，使普通混凝土基础的尺寸减小，减少混凝土用量，同时也减少土方开挖量。由于螺旋锚承受水平力的性能较差，基础水平作用力仍由上部普通混凝土基础来承担。Q/GDW 584—2011《架空输电线路螺旋锚基础设计技术规范》中规定，在黏土中锚盘上拔承载力Tpi按式（3）计算，在砂土中Tpi按式（4）计算。

式中：Tpi为第i片锚盘抗拔力标准值；DP为锚盘直径；h1为螺旋锚锚盘埋置有效深度；Nu为上拔承载量系数；C为按饱和不排水剪或相当于饱和不排水剪方法确定的凝聚力；QP为螺旋锚锚盘自重力；γS为螺旋锚锚盘上面土的平均加权重度；Nqu为支承承载量系数。

从以上计算方法来看，螺旋锚的上拔承载力与地质条件关系较大，地质条件越好，螺旋锚的上拔承载力越高。一般情况下地层越深地质条件会好些，可见较好的下层土可以承担较大一部分上拔力。综合普通混凝土基础和螺旋锚2部分的上拔承载力，其螺旋锚复合基础的上拔稳定力可按DL/T 5219—2005、Q/GDW 584—2011规范给出的公式计算：

式中：γf为螺旋锚基础附加分项系数；Tm为螺旋锚基础上拔力设计值；Tt为螺旋锚基础混凝土部分上拔抗力标准值；Tg为螺旋锚锚杆杆身上拔力设计值；K1为螺旋锚上拔组合系数；n为螺旋锚数量。从公式（5）可以看出，螺旋锚复合基础上拔承载力由普通混凝土和螺旋锚两部分承担。

2.2 螺旋锚复合基础在工程中的应用

某油田供电工程采用的4根4层螺旋锚复合基础，地质条件为黏土、有水，螺旋锚锚深5m，4层螺旋锚锚盘上拔承载力：

4根螺旋锚的容许承受上拔力：

螺旋锚锚杆杆身上拔力设计值Tg值影响较小，暂忽略不计。4 根螺旋锚的质量为1 200kg。从以上计算可以看出，增加4根螺旋锚后，基础上拔力被螺旋锚抵抗掉的部分相当大，减小了普通混凝土基础部分的混凝土量和基础尺寸，而钢材量增加不多，可见这种基础形式可以充分利用下面地层较好的特点，减少普通混凝土基础部分的尺寸，从而减小土方开挖量和对农田、环境的破坏。

普通混凝土基础和采用4根4层螺旋锚复合基础在相同地质条件下，不同埋深时混凝土用量及基础尺寸对比见表3。

从表3可以看出，增加4根螺旋锚后，螺旋锚复合基础的普通混凝土基础部分的基础尺寸和混凝土量大为减少，而4根锚的质量约1.2t，钢材量增加不多，可见这种基础形式可以充分利用地层较好的特点，减少基础的混凝土量和土方开挖，充分利用原状土，减少对农田和植被的破坏，有较大的经济效益和社会效益。

表3 基础作用力1 500N时混凝土用量及基础尺寸对比

3 结束语

近年来，我国螺旋锚基础的应用不断发展，2011年Q/GDW 584—2011《架空输电线路螺旋锚基础设计技术规范》发布实施，标志着螺旋锚基础的应用日渐成熟，部分输电线路有条件的地方已经探索性地采用了螺旋锚基础，并对螺旋锚复合基础进行了较多的研究探讨。螺旋锚复合基础与通常采用的混凝土基础、灌注桩基础相比，混凝土用量及基坑开挖量小，充分利用原状土，减少对农田和植被的破坏。螺旋锚加工工厂化，便于施工，节省投资，在输电线路上使用有较好的经济性。

［1］ 电力规划设计总院.电网工程限额设计控制指标［M］.北京：中国电力出版社，2011.