输电线路筒桩基础理论计算研究

王世杰 柴少磊 田源 李维 胡江涛 马冬波

摘 要：依据国家电网公司新技术研究项目安排，开展了大荷载条件下筒桩基础的设计计算方法分析研究，并开展了其承载特性原位试验测试验证。结果表明：与普通实心挖孔桩基础相比，筒桩基础的结构型式合理，承载性能良好，可降低基础本体造价，消纳基坑开挖施工过程中产生的多余弃土，保护周围环境，经济和环境效益显著，能够在依托工程中进行试点推广应用。

关键词：输电线路;筒桩基础;设计计算;

1、概述

高压输电线路基础普遍采用实心桩基础，基础埋深经常超过10米。掏挖过程中遇到夹砂层，经常塌孔，造成人员伤亡和重复工作。为了减少塌孔，提高安全性，提出本新型基础：筒桩基础。

筒桩基础提高了安全性，投资减少了8%。由于直径增大，塌孔概率减少30%以上，安全效益明显。

项目来源：本项目任务是来源于《国家电网公司2016年公司依托工程基建新技术研究应用项目的通知》。  按国家电网公司任务要求开展本次研究。本项目属于国家级重要课题。本次研究经费110万元。

2、 筒桩基础桩身内力理论计算与有限元模拟

2.1 桩身内力理论计算

筒桩的桩身内力计算模型如图2-1所示，其中、分别为筒桩外、内直径，h为基础埋深（入土桩长），e为基础露头高度，l为总桩长，F为荷载效应基本组合下的桩顶轴向作用力设计值，H为荷载效应基本组合下的桩顶水平力合力设计值。

当筒桩为弹性桩时，其换算埋深应满足式（2-1）的要求;当筒桩为刚性桩时，其换算埋深应满足式（2-2）的要求。

下端支承于土层或岩面上的桩，当其受横向力作用而发生扰曲变形时，桩底也可能会转动和发生横向位移，即和均可能不为零，此时将相应的引起和。由对应的和对应的建立两个边界条件，x0和φ0便可求得。

2.2 桩身内力有限元模拟

为了校核桩身内力理论简化计算的合理性，采用大型商用有限元程序ABAQUS对桩身内力进行了模拟分析和结果比对。

筒桩桩体混凝土的本构模型为线弹性模型，黄土地基土体的本构模型为Mohr-Coulomb模型，樁和地基土体均采用C3D8R（三维八节点六面体线性减缩积分单元）进行模拟。桩底与土体的接触面类型为法向硬（hard）接触和切向（Frictionless）接触，桩身与土的接触面类型为硬（hard）接触和切向罚函数（penalty）接触，摩擦系数取值为0.5。

上拔+水平荷载工况下，按环形截面进行简化的理论计算、ABAQUS有限元数值模拟分析、按实心圆形截面理论计算得到的筒桩基础桩身弯矩、剪力沿埋深的分布结果对比如图2-6所示。从图2-6中可以看出：

（1）按环形截面进行简化的理论计算结果与ABAQUS有限元数值模拟的分析结果基本一致，误差在3%以内，可见筒桩基础桩身内力可以按环形截面进行简化计算。

（2）筒桩基础的桩身内力与实心挖孔灌注桩基础比较接近，误差在12%以内，说明空腔尺寸对筒桩基础的受力性状影响不很明显。

3、 结论

本文开展了输电线路黄土地基大荷载筒桩基础的设计计算方法研究，分析了其竖向和水平承载性状。通过ABAQUS有限元数值模拟分析和结果比对，验证了采用环形截面进行筒桩基础桩身内力简化计算的合理性。筒桩基础完全可以代替实心桩基础。