挤扩支盘桩在输电线路杆塔基础设计中的应用

张文心，卢 彬，王朝辉，王 斌，刘艳斌

(1. 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021；2. 辽宁省送变电工程有限公司，辽宁 沈阳 110021；3. 国网吉林省电力有限公司建设分公司，吉林 长春 130000；4. 长春东电电力工程有限公司，吉林 长春 130021)

0 引言

挤扩支盘灌注桩基础(以下简称“挤扩支盘桩基础”)是由普通钻孔灌注桩发展而来的一种变径桩，是依据树根的抗拔、抗压原理，结合变截面钻孔灌注桩的形状进行构思、研究而发明的一种新型灌注桩基础。其成孔工艺与普通钻孔灌注桩相同，成孔后利用特制的支盘器沿桩身在不同部位设置支撑挤扩造支或造盘。

区别于常规建筑荷载，高压输电线路的杆塔基础荷载具有上拔、下压交变工况下的大荷载特点。挤扩支盘桩基础伸出桩身的承力盘、分支不仅能增大桩的表面积，而且能够利用各土层的端承力，从而提高桩自身的承载能力。桩身的成力盘、分支受土体的支撑作用，不仅改善了桩自身的刚度，提高了桩自身的抗压、抗拔能力，而且增加了桩体的稳定性能，提高了桩抵抗水平荷载和地震荷载的能力。

该桩型1992 年以后在国内建筑工程试点应用，2000 年前后陆续在路桥、民用建筑等行业推广应用，已经具有成熟的机械化使用程度和施工经验，但在高压输电线路行业尚未普及应用。我国特高压电网中的首次应用是2016 年投运的淮南―南京―上海1 000 kV 特高压交流输电线路工程(以下简称“淮上线”)。本文在此基础上，研究输电线路杆塔基础设计中应用挤扩支盘桩型的可行性。

常规灌注桩与挤扩支盘桩桩型及成孔方式示意如图1 所示。

图1 挤扩支盘桩与常规灌注桩成孔示意图

1 挤扩支盘桩适用条件

挤扩支盘桩理论上属于对常规钻孔灌注桩的一种优化桩型，因此，常规灌注桩适用的软弱地基条件也适用于挤扩支盘桩，但如果要发挥挤扩支盘桩的技术经济优势，必须重点分析桩深范围内是否具有可以适合设置分支及承力盘的优势土层，即：可塑、硬塑的粘性土；中密、密实的粉土、砂土或卵石、砾石层；全风化岩石、强风化软质岩石。

在地下水位以下成孔施工时(水下施工)，承力盘宜设置在力学性能相对较好、压缩性能低的中密、密实的砂土、粉土、卵石等土层中；由于泥浆的作用，存在相对密实的水头压力，更加容易成盘，支盘的承载力可显著提高。而在承载力较低的土层，例如流塑、软塑等粘性土以及松散的砂土、粉土中，则不适宜设置承力盘，不易成型，且不能明显提高桩的承载力，无法发挥挤扩支盘桩的技术优势。

地下水位以上成孔时(干法施工)，在松散粉土、砂性土中成盘时容易塌孔，因此不宜设置承力盘或分支。

此外，根据桩型特点，挤扩支盘桩基础不宜在可液化土层、流塑状粘性土以及中等风化、微风化和未风化的岩石层中设置承力盘。

2 承载力计算方法

2.1 单桩抗压承载力计算

本文采用中国工程建设标准化协会标准CECS 192：2005《挤扩支盘灌注桩技术规程》[1]推荐的支盘桩抗压极限承载力标准值估算公式计算单桩抗压承载力Qu，表示如下：

式中：u为主柱桩干周长，m；Li为当第i层土中设置承力盘时，桩穿越第i层土折减盘高的有效厚度；对于粘性土、粉土，Li=Hi-1.2h，其中Hi为第i层土的厚度，未设置承力盘时h=0；qsi为桩侧第i层的极限阻力标准值，可按勘察报告提供的值采用，也可参照当地经验或国家现行相关标准的规定取值；η为盘底土层极限端阻力标准值的修正系数，根据工程试验情况，在规范给出的数值范围基础上再进行适当折减得到，针对粉质粘性土，建议取值范围为0.60 ～0.85；Ap为单桩底盘面积，m2；Apj为第j层扣除桩身截面积的盘投影面积，m2；qp为底盘所在土层的极限端阻力标准值，kPa；qpj为第j个盘处土层的极限端阻力标准值，kPa。

2.2 单桩抗拔承载力计算

本文采用CECS 192：2005[1]推荐的公式估算挤扩支盘桩单桩竖向抗拔极限承载力标准值Uu：

式中：λi为桩周第i层土的侧阻力折减系数。

根据试验结果，针对粉质粘性土给出的λi建议值为0.7 ～0.8。

3 试点应用实例

在我国的输电线路设计领域，首次在淮上线特高压交流线路杆塔基础设计中试点应用了挤扩支盘桩基础，积累了一定设计经验。该线路导线采用8×LJG-630/45 钢芯铝绞线，设计基准风速29 m/s(10 m 高)，设计覆冰厚度10 mm，同塔双回路架设。

试点应用区段位于江苏省宝应县境内。应用区段地貌单元为平原，线路沿线以稻田地为主，跨越部分河流、鱼塘。该区域地层岩性差异性较小，桩基础应用条件具有典型性，主要为第四系冲湖积、冲海积层，地面以下30.0 m深度范围内地层分布主体为粉质粘土，软塑；粉质粘土(可塑)与粉土(软塑)互层。

淮上线的6 基杆塔基础试点应用了挤扩支盘桩，包含了SZ302、SZ303、SZ304、SZ305 和SZ306 这五种不同使用条件的直线塔型，作用力覆盖全面。根据铁塔基础作用力情况，利用前述单桩抗压承载力及单桩抗拔承载力公式进行计算，每个塔腿基础均采用了“4 根群桩+承台”的设计如图2 所示，每根桩配置单承力盘或双承力盘如图3 所示，承力盘主要构造尺寸如表1 所示。挤扩支盘桩主要技术指标如表2 所示，各基杆塔的挤扩支盘桩都采用C30 混凝土，基础钢材主筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。

图2 挤扩支盘桩基础平面图

图3 挤扩支盘桩基础立面图

表1 挤扩支盘桩承力盘构造尺寸 mm

表2 挤扩支盘桩主要技术指标

在相同地质条件、相同基础作用力情况下，普通灌注桩设计需采用的主要技术指标如表3所示。

表3 普通灌注桩主要技术指标

经测算，在前述相同地质条件、相同作用力下，挤扩支盘桩基础较普通灌注桩基础混凝土用量减少23%～45%；随着基础作用力的增大，混凝土减少的用量有所下降；基础钢材用量减少12%～35%；综合造价节省19%～35%，单个基础费用比较如图4 所示。与普通灌注桩基础相比，试点应用的挤扩支盘桩基础具有缩小桩径、减少桩长和节省工程材料量等优势，从而显著降低了基础工程造价。

图4 试点应用单基础造价柱形图

4 在不同电压等级输电线路中的适用性

挤扩支盘桩在我国特高压输电线路杆塔基础设计中已得到了成功应用。现对在不同电压等级输电线路采用挤扩支盘桩与常规灌注桩(以下简称“普通桩”)设计分别进行计算。

选取《国家电网公司输变电工程通用设计输电线路分册》[2-5]杆塔模块中不同导线、不同回路的典型铁塔的经济呼高，分析其在前述相同典型设计气象条件(设计风速29 m/s，设计覆冰厚度10 mm)及地质条件下的基础尺寸及混凝土用量，对比表如表4 和表5 所示。其中的地质条件为：主体为粉质粘土，粉质粘土(可塑)与粉土(软塑)互层。

表4 直线塔混凝土用量(单腿)对比表

表5 转角塔混凝土用量(单腿)对比表

为了分析挤扩支盘桩相对普通灌注桩混凝土用量降幅比例在不同塔型的变化情况，分别绘制直线塔和转角塔混凝土用量降幅折线图，如图5 和图6 所示。可以看出：直线塔能够平均降低混凝土用量24%，2×300 mm2导线220 kV 双回路及4×400 mm2导线双回路的混凝土用量降幅最高可达34%、32%；转角塔能够平均降低混凝土用量28%，其中，2×400 mm2导线220 kV单回路及4×400 mm2导线500 kV 单回路的混凝土用量降幅高达46%和36%。随着电压等级的提高，基础作用力不断增大，混凝土用量降幅呈非线性的波状分布，直线塔的降幅折线总体变化趋势较平缓，转角塔的降幅折线总体呈下降趋势。

图5 直线塔挤扩支盘桩相对普通桩混凝土用量降幅

图6 转角塔挤扩支盘桩相对普通桩混凝土用量降幅

5 结论

本文对《国家电网公司输变电工程通用设计输电线路分册》中选取的220 kV 以上各电压等级下典型单双回路高压输电线路杆塔模块在相同典型设计气象条件(设计基准风速29 m/s，设计覆冰厚度10 mm)及地质条件下的基础尺寸分别进行计算。经过对比分析可以看出：

1)与常规灌注桩基础相比，挤扩支盘桩能够有效降低混凝土用量12%～46%(不考虑1 000 kV 双回路转角塔)；

2)在1 000 kV 淮上线双回路直线塔试点应用中的实际混凝土用量节省范围为23%～45%；

3)随着电压等级及基础作用力的升高，混凝土降幅呈波状分布，直线塔降幅总体趋势平缓，转角塔降幅总体趋势向下；

4)1 000 kV、750 kV、±800 kV 输电线路塔型基础作用力较大，单桩基础不能满足设计需要，需采用群桩设计，但1 000 kV 双回路转角塔基础作用力过大，一般受到挤扩支盘机桩径不超过1.2 m，盘径不超过1.9 m 的制约，已不能体现出挤扩支盘桩的优势。

挤扩支盘桩相对普通灌注桩基础能够显著节省工程造价、缩短工期，优势明显，在高压输电线路设计领域具有推广应用价值。