输电线路软土地基基础设计分析

于天文，王 新

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

0 引 言

基础是构成输电线路体系重要内容之一，其行业特点体现在施工设计、试验、检测等方面，考虑输电线路基础同时承受上拨力、下压力、水平力。因此，必须保证安全可靠的基础设计，同时，充分考虑环境保护理念，做到经济与环保，最大程度降低施工对环境的危害，实现其综合效益最大化。在逐渐加大电网建设与改造力度背景下，城镇化建设一定程度上限制了线路路径走向，尤其是输电线路基础工程具有输电线路长、跨越区域多、地形复杂多变等特点。想要使工程造价、施工难度有所下降，同时保护环境，有必要将合理的基础形式选择出来。因此，分析输电线路基础和软土地基基础设计具有重要性和必要性。

1 板式基础

1.1 板式直柱基础

板式直柱基础主要是通过连接地脚螺栓与基础主柱后，形成此基础型式，以抵抗基础上拨作用，并通过具有一定承载力的地基抵抗下压作用，其优势比较明显，如便于施工、可以浅埋、节省混凝土方量，具有广阔地质适用范围。

通常情况下，软土地基的上拨角较小，这就使得基础上部能够抵抗上拨作用的土体量较小，为有效增强软土地基承载力，就需要在板式基础设计上加大地板尺寸，同时为防止施工过程中因失稳坠入基坑，确保基坑边坡稳定性，还需要采用基坑深埋技术。基础底板加大或深埋，通过借助对基础埋深深度的修正，能够促进地基耐力的提升，使承载力需求得以满足。对比台阶基础，在底板是2.4 m，埋深是2.0 m时，经过测算可知，相同大小运输距离等同于综合造价。增大底板之后，虽然一定程度上增加钢筋用量，但是会减少约35 %混凝土方量，获取十分明显的综合效益[1]。

1.2 插入角钢斜柱基础

连接铁塔主材角钢与基础主柱后，保证基础主柱与铁塔主材坡度一致，形成此基础，具有保护环境、节省材料、降低造价成本等优势，已被广泛应用于输电线路中。插入角钢斜柱基础对数据尺寸的要求较为严格，需要基础误差特别小、质量要求高，以保证基础主柱中心线重合于铁塔心线。对比板式基础，可减少50 %以上水平力，保证基础与地基合理受力。减少水平力之后，会相应减少偏心弯矩，随之减少受控制的基础底板尺寸，使混凝土与钢筋用量不断降低。

然而，此类基础对施工精度提出较高要求，外加角钢加工是非标产品，其在加工制造过程中受多种因素影响会存在误差，这就需要现场施工人员认真复查、核对有关数据，及时发现异议数据，保证各部尺寸准确无误，避免因插入角钢在加工制造过程中产生下料长短不齐、切割长度不一、距离不规范等问题而产生实际操作误差，进一步明确坡度、角钢顶棱相对高差以及角钢是否会产生强行扭转等问题，及时完成发料与现场安装进行対料，最大限度避免因人工操作失误而造成返工等不良现象，为后续浇筑工序的有序开展奠定基础。

1.3 预偏心板式直柱基础

预偏心板式直柱基础结构主要包括用于连接上部铁塔的地脚螺栓，主要为钢筋混凝土结构的立柱以及主要承受上部构件传递荷载的底板，通过连接地脚螺栓与基础主柱后，便形成此基础型式。预偏心板式直柱基础与插入角钢斜柱基础的区别在于其将立柱直接安装在底板的非中心位置，使其在上拨与水平力或者下压与水平力联合作用下产生合力作用线与基础整体的形心重合，可以降低基础弯矩以及基础立柱与底板的截面尺寸和配筋率，有助于降低工程造价成本。

另外，为了使水平力产生的弯矩得以减少或消除，改善基础立柱的弯曲受力状态，降低基础立柱与基础底板的最大弯矩，优化基础结构，改善基础受力性能，解决直柱板式基础偏心问题，反向预偏心沿水平力方向的地脚螺栓处理预偏心与未偏心的板式直柱基础，可以将20 %混凝土节省下来，节省10 %钢材，混凝土指标等同于斜柱基础，并且便于此基础施工，既能不提高输电线路工程施工难度，又能具有较小施工误差以及较低的工程造价，减少基础混凝土方量。

1.4 地脚螺栓型斜柱基础

连接地脚螺栓与基础主柱，促进此基础型式的形成，其将插入角钢斜柱基础、板式基础优势吸收进来，具有较高的技术与经济价值。对比插入角钢斜柱基础，其具有相同受力型式，相同混凝土量，然而，会显著降低钢材量。对比板式基础，可以减少50 %以上水平力，进而使混凝土与钢筋用量减少，并减少了开挖量，能够有效降低输电线路工程施工对周边环境的破坏，符合绿色环保施工理念。考虑铁塔底脚板与基础柱轴线保持垂直关系，同时与铁塔主材垂直，对于铁塔主材而言，向下传力过程中，底脚板和主柱顶面摩擦力会有所增加，对部分横向力发挥抵抗作用，使地脚螺栓剪切力减少[2]。

地脚螺栓型斜柱基础相比普通的平顶面施工增加了施工难度，其主要体现在需要考虑基础立柱的斜率控制、顶面浅浇对基础根开的影响以及预偏值带来的根开变化对铁塔根开产生的多种影响。这就需要现场施工人员在采用地脚螺栓型斜柱基础时能够严格规范自身行为，保证其按照输电线路软土地基基础设计规范开展工作，通过立柱近角点根开和远角点根开以及立柱近角点与远角点的高差双向控制斜率，保证立柱表面均低于基础施工模板5～10 cm，且严禁在基础浇制过程中出现浅浇，以实现斜柱基础模板坡度、高差以及菱形的精确控制。

2 桩基础

软土地基的桩端承载能力相对较低，桩基础凭借自身受力特点及形式简洁、施工步骤简单易行等优点，使此种模式的使用在3种基础模式中最为广泛。它在所有软土地基中都适用，是能够共同承受动静荷载的一种深基础，可以将软土地基不能满足承载力和变形要求的荷载使用基桩传递到更硬、更密实的地基持力层，以保证其承载力要求，并且将其应用于施工过程中，不会出现类似板式基础问题，具有简单施工流程，单一形式，方便施工人员开展操控工作。但是，仍然有一定不足存在于桩基础模式中，因为应对上拨力与下压力的仅仅是桩和土侧摩擦力，其承载方式单一，想要对大荷载进行满足，必须在设计工作中加大桩径、桩长，具有简单形式的桩基础模式面临过大增加工程量问题，且浇筑混凝凝土过程中的浮浆厚度难以控制，不仅会导致桩基础投资成本大大增加，降低输电线路整体效益，还会受软土地基特性影响，导致桩基灌注混凝土过程中出现局部塌孔或者因插拔导管过程中用力过猛而影响混凝土质量等现象。

以施工方法为依据，可将桩基础模式分为3个类别，具体是人工挖孔桩基础、预制桩基础、钻孔灌注桩基础，3种模式都具有与众不同特征。

通常不会将人工挖孔桩基础应用于软土地基中，究其原因，主要是人工开挖基坑增加坍塌风险，容易发生安全事故，或者增加工程造价。这主要是由于人工挖孔桩基础在实际施工过程中，既需要认真研究地质资料，在做好各类防护措施的基础上对地基进行处理，而人工挖孔桩的单桩施工速度较慢、安全性较差，又需要在桩基施工过程中保证相应桩孔具有送风装置，一旦出现缺氧现象，难以确保施工人员的施工安全，这对输电线路工程施工建设的持续发展十分不利。

比较适合在一定集中区域内应用预制桩基础，因为预制桩基础是将桩体在工厂进行提前统一化、标准化预制，然后再将其运输到施工现场，采用打桩机将桩体打入提前设计好的规定位置，它具有较少施工流程、机械化施工程度、较快施工速度、适用多种土层施工以及坚固耐久、承受较大荷载等优势。然而，考虑设备与材料不方便运输，在采用预制桩基础时不仅需要将桩体设计成直径较小、长度较短的管桩，到现场施工再进行拼接，从而增加现场施工工程量，还需要充分考虑桩体在运输过程中的碰撞现象，并做好起吊运输质量防范工作，以避免冲击和振动等多种因素影响而导致其出现变形等损害，这会增加输电线路软土地基基础工程施工成本。因此，预制桩基础基本不应用于输电线工程中。

输电线路中常用的是钻孔灌注桩基础，其只需要将钻孔机械运输到施工现场完成指定位置的打孔，再放入钢筋笼浇筑混凝土便可使桩基成型。它便于运输，具有较低设备要求，借助钻孔机等小型机械可以将工程施工工作完成。另外，钻孔灌注桩基础在施工过程中产生的施工噪声相对较小，可以建造比预制桩直径大且多的桩，其适用于多种地基，因此，它对输电线路软土地基基础设计具有重要意义，此种桩基础得到大力推广[3]。但钻孔灌注桩基础在实际施工过程中对混凝土质量、施工质量等要求较高，需要现场施工人员做好基础材料质量把控、合理把控压浆参数以及提高施工人员综合素质与专业能力，加强施工现场监督管理力度，以保证钻孔灌注桩技术施工质量，使其满足输电线路工程的实际需求。

3 复合基础

板桩复合基础融合另外2种模式，其普及范围十分广阔，以不同桩截面大小为依据，分为微型桩复合基础、板式中型桩复合基础、变截面桩复合基础。对比板桩复合基础与其他2种基础模式，其具有的特征非常明显：①板桩复合基础可将上部结构荷载共同承担起来，使组合桩、板、土优势充分发挥出来，促进更强优势的形成，这不仅可以使基础工程量减少，还能使施工费用不断下降，最终持续减少工程整体造价；②板桩复合基础能够最大程度发挥板式基础优势，可以削弱上部结构水平作用力对基础产生的不利影响，稳定基础与上部结构；③对比其它2种基础模式，安装施工板桩复合基础更具灵活性，便于开展施工工作，促进工程效率的提高。

3.1 螺旋锚复合基础

螺旋锚复合基础是一种新型基础形式，既保证了螺旋锚基础的优势，又能通过承台和螺旋锚共同承担竖向荷载和水平作用而提高基础的抵抗变形能力。通常情况下，螺旋锚技术在钢杆或较长螺杆上焊接一片或多片具有相同间距的螺旋板，主要针对深层土体抗力锚固结构，具有机械化程度高、施工快捷、环境影响小等特点。施工中通常借助机械运作方式将压力施加在螺杆顶部，使其扭转到土层中，促进螺旋锚基础抗拉力、抗压力的提高，将更具承载力的技术研发出来，不需要开挖基坑，能够充分发挥原状土体固有强度，提高承载能力，满足安全可靠、经济适用、环境保护要求。可将常见螺旋锚基础分为2种类型，包括金属螺旋复合基础、玻璃钢螺旋锚复合基础[4]。其中玻璃钢螺旋锚复合基础具有承载力较强、基础工程量较小、本身轻质高强、对原状土破坏小以及质量可靠易于控制等优势，可以整体抵抗上拨、下压和水平力，且使用混凝土、钢筋用量较少，不易老化和发生腐蚀，前期造价成本与后期维护成本较低，适用于永久工程。

3.2 新型CFG桩-板复合基础

将一定量水泥、石屑、粉煤灰掺入碎石桩中，经过充分搅拌，制成具有较高黏度的桩体，被称为水泥粉煤灰碎石桩，也就是传统CFG桩，具有施工操作简单、施工费用较低以及对桩间土的挤密效应显著等优势，属于复合地基刚性桩。新型CFG桩以传统CFG桩为基础，适当配筋，促进桩强度和刚性的提高，使其逐渐转变成柔性桩，之后搭配应用柔性桩与柔性大板，共同承担竖向荷载和水平作用，进而发挥抵抗桩基础上拨压力作用，全面提高基础的抗变形能力与极限承载力。

应用新型CFG桩-板复合基础除了可以使大板尺寸减少外，还能使桩长一定程度缩短，主要用于处理软土地基，或应用于具有较大基岩埋深的地质情况中，使基坑开挖工程量不断减少。另外，CFG桩具有相对较小桩径，必须应用小型机械完成施工任务，对施工场地内道路和环境具有较低要求，为施工处理质量提供保障[5]。

新型CFG桩-板复合基础的应用效益十分明显，对于直线塔而言，仅需要连接3根柱与板，转角塔可连接4根柱和板。对比常规灌注桩，应用新型CFG桩-板复合基础可以节省很多材料，减少至少20 %钢筋量，节约10 %混凝土量。另外，新型CFG桩-板符合基础使用的基础材料为排放量较大的工业废渣之一的粉煤灰，其通过实现粉煤灰的回收利用，既能减轻电力企业粉煤灰的处置成本与杆塔基础造价成本，又能有效减少扬尘等大气污染现象，避免其对人体和周边生物造成危害，最终实现人与自然、工程施工与周边生态的和谐相处。

4 结 语

总而言之，在输电线路软土地基的施工过程中，相关施工人员需要遵循因地制宜、安全可靠、便于施工、绿色环保、节省投资等原则与理念，必须以基础作用力大小为依据，设计位于软土地基的输电线路基础，充分考虑软土地基特性，从地基承载力和地下水情况出发，理解铁塔荷载与基础可靠性之间的关系，将合理的基础形式配置出来，以全方位增强基础的抗载承载力与抵抗变形能力，并最大限度降低工程施工难度与基础工程量，从而提高输电线路软土地基基础设计的安全性、可靠性、经济性、环保性、合理性，尽量避免破坏环境，积极保护环境，并能加强施工现场监督管理力度，确保原材料质量与绿色环保性能，为输电线路软土地基基础设计获取良好经济效益和社会效益提供保障。