送電線路桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析

1當(dāng)前線路基礎(chǔ)工程1.1中國(guó)典型的區(qū)域基礎(chǔ)工程中國(guó)幅員遼闊，巖層含量高，分布廣泛。不同地區(qū)的地形和地質(zhì)條件差異很大。該區(qū)域地質(zhì)基礎(chǔ)的基本類型有多種。1.1.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型軟土地基主要分布于我國(guó)沿海地區(qū)、華東地區(qū)和天津部分地區(qū)等。軟土地基線路基礎(chǔ)主要型式有:擴(kuò)展式基礎(chǔ)、大板式基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)等。擴(kuò)展式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)單,但其配筋量和土方開(kāi)挖量大、占地面積大、施工機(jī)具笨重、搬運(yùn)困難。大板式基礎(chǔ)成本較高、土方量大、施工復(fù)雜、特別是在淤泥土質(zhì)中施工難度較大,不易保證工程質(zhì)量,易產(chǎn)生不均勻沉降。灌注樁基礎(chǔ)造價(jià)高、質(zhì)量不易控制,尤其是在淤泥土質(zhì)中成孔施工較難把握,易出現(xiàn)鉆孔收縮和塌落。此外,還有螺旋錨基礎(chǔ)、擠密碎石樁和擠密砂樁等其他類型基礎(chǔ)?？傮w上看,軟土地基基礎(chǔ)型式多,但處理費(fèi)用高,在近海地區(qū)還存在基礎(chǔ)腐蝕問(wèn)題。1.1.2電線路基礎(chǔ)型式黃土地基主要分布在我國(guó)西北黃土高原、黃河中游的甘肅、寧夏、陜西和河南等省,在河北、山東、內(nèi)蒙、青海、新疆及東北等地也有零星分布。黃土地區(qū)送電線路基礎(chǔ)型式主要有:剛性臺(tái)階基礎(chǔ)和插入式基礎(chǔ),部分軟弱黃土地基也采用鉆孔灌注樁。剛性臺(tái)階基礎(chǔ)因受力不合理,浪費(fèi)材料,造價(jià)高,己逐漸被淘汰。插入式基礎(chǔ)受力合理,采用較多。但是,黃土地基的濕陷性和地震液化病害往往是造成地基承載力降低、產(chǎn)生大變形和不均勻沉降、危及線路安全的主要原因。長(zhǎng)期以來(lái),因?qū)S土工程特性認(rèn)識(shí)不足而造成電力工程建設(shè)事故屢見(jiàn)不鮮。目前,工程中常采用2∶8或3∶7比例的石灰和素土對(duì)重點(diǎn)塔位進(jìn)行地基處理。1.1.3凍土工程的主要病害凍土地基約占我國(guó)國(guó)土面積的五分之一,主要分布于東北地區(qū)、新疆地區(qū)和青藏高原。凍土地區(qū)線路基礎(chǔ)在地基特性判定、工程材料選用、施工工藝選擇等方面都和非凍土地基不同。這主要是因?yàn)閮鐾猎趦鼋Y(jié)和融化兩種狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)、強(qiáng)度指標(biāo)、變形特點(diǎn)與構(gòu)造的熱穩(wěn)定性等方面相差懸殊,凍脹與融沉是凍土工程的主要病害,且冬季施工的質(zhì)量隱患顯現(xiàn)具有滯后性。凍土地區(qū)線路基礎(chǔ)防止凍害的最佳方法是結(jié)構(gòu)措施,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件特殊,采用結(jié)構(gòu)措施不能滿足要求時(shí),常采用換填法、物理化學(xué)法、保溫法、排水隔水等方法對(duì)地基進(jìn)行預(yù)處理。凍土地區(qū)主要基礎(chǔ)型式有插入式基礎(chǔ)、掏挖式基礎(chǔ),部分永凍土地區(qū)可采用樁基礎(chǔ)。插入式基礎(chǔ)雖有良好的結(jié)構(gòu)和工程特性,但受非對(duì)稱凍脹力作用后,基礎(chǔ)的上拔和水平荷載會(huì)增加,導(dǎo)致其在凍土地基中使用受到限制。1.1.4節(jié)理裂隙巖體地基的基本特征節(jié)理裂隙巖體地基主要分布于我國(guó)西南山區(qū)、長(zhǎng)江三峽和宜昌地區(qū)。為了保護(hù)環(huán)境,減小土石方量,節(jié)理裂隙巖體地基一般優(yōu)先采用巖石錨桿基礎(chǔ)、嵌固式基礎(chǔ)和掏挖式基礎(chǔ)等,在缺水及砂石采集較困難的地區(qū),因地制宜地設(shè)計(jì)和應(yīng)用裝配式基礎(chǔ),則顯得比較經(jīng)濟(jì)合理。但目前對(duì)節(jié)理裂隙巖體在靜、動(dòng)外荷載作用下的強(qiáng)度、變形及穩(wěn)定特性尚難做出準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià),從而嚴(yán)重影響基礎(chǔ)型式的設(shè)計(jì)與施工。1.1.5計(jì)算拔定穩(wěn)定性風(fēng)積砂地基主要分布在內(nèi)蒙古廣大地區(qū),其抗剪強(qiáng)度較低。文獻(xiàn)按“土重法”和“剪切法”計(jì)算線路基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定性?！巴林胤ā睂儆诮?jīng)驗(yàn)公式,不能從本質(zhì)上全面反映土體抗拔強(qiáng)度機(jī)理;因砂土顆粒之間不存在粘聚力,而“剪切法”公式中引入了粘聚力,致使該公式在風(fēng)積砂地基中的使用范圍受到限制。1.1.6其他省區(qū)我國(guó)鹽漬土主要分布在青海、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏等省(區(qū)),其對(duì)輸變電工程的危害是浸水后的溶陷,含硫酸鹽地基的鹽脹和鹽漬土地基對(duì)基礎(chǔ)的腐蝕等。1.2在基礎(chǔ)分析和設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)架空送電線路基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)、施工與檢測(cè)等方面具有明顯的行業(yè)特點(diǎn):首先,送電線路距離長(zhǎng)、跨越區(qū)域廣、沿途地形與地質(zhì)條件復(fù)雜、地基土物理力學(xué)性質(zhì)差異性大,設(shè)計(jì)和施工中需要考慮的邊界條件較多。其次,桿塔基礎(chǔ)所承受的荷載特性復(fù)雜,基礎(chǔ)在承受拉/壓交變荷載作用的同時(shí),還承受著較大的水平荷載作用。荷載特性,如荷載的大小、分布、偏心程度以及出現(xiàn)頻率等都決定著基礎(chǔ)的受力特征,而荷載分布、地基土或巖的工程特性、基礎(chǔ)材料特性等決定了基礎(chǔ)的工作特性,如破壞面與滑移變形等。通常情況下,桿塔基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性是其設(shè)計(jì)控制條件,而建筑等其他行業(yè)基礎(chǔ)下壓穩(wěn)定性才是其設(shè)計(jì)控制條件,與桿塔基礎(chǔ)差異較大,因而可供線路桿塔基礎(chǔ)直接借鑒與應(yīng)用的資料較少。此外,由于科研條件和研究經(jīng)費(fèi)的制約,線路基礎(chǔ)的研究還比較薄弱,科研成果和技術(shù)儲(chǔ)備相對(duì)不足。又由于線路基礎(chǔ)有其獨(dú)特的分析和設(shè)計(jì)方法,這些內(nèi)容在一般教科書(shū)中難以找到,如一般基礎(chǔ)工程書(shū)籍對(duì)基礎(chǔ)上拔問(wèn)題僅附帶提一下。結(jié)果導(dǎo)致了我國(guó)在輸電線路基礎(chǔ)方面受過(guò)專門(mén)訓(xùn)練的人才偏少,專門(mén)從事輸電線路桿塔基礎(chǔ)的高級(jí)研究人員則更少。目前,常規(guī)線路設(shè)計(jì)中都是將地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)三者作為彼此獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析。分析步驟為:首先,假定基礎(chǔ)為絕對(duì)剛性(即基礎(chǔ)不存在差異沉降),將上部結(jié)構(gòu)分離出來(lái),根據(jù)給定荷載采用結(jié)構(gòu)力學(xué)或彈性力學(xué)方法,對(duì)內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次,將上部結(jié)構(gòu)分析得到的支座反力,反作用于基礎(chǔ)上,并假定地基反力按某一種規(guī)定方式分布,求得基礎(chǔ)各截面的內(nèi)力和變形。最后,根據(jù)地基的反力分布,用土力學(xué)方法計(jì)算出地基各點(diǎn)的位移。這種方法雖簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程,但從嚴(yán)格意義上說(shuō),它只適用于基礎(chǔ)剛度相對(duì)較大的特殊工況。事實(shí)上,地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)是一個(gè)相互作用、共同承載的統(tǒng)一整體,應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)條件。地基特性、基礎(chǔ)剛度和上部結(jié)構(gòu)都會(huì)影響地基反力分布,而且地基的不均勻沉降必然會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布。綜合考慮三者間的相互作用規(guī)律是工程設(shè)計(jì)中迫切需要解決的問(wèn)題,但卻是目前常規(guī)設(shè)計(jì)所難以解決的。送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中需要考慮許多因素,但其中最富變化和最難于定量分析的是地基問(wèn)題,地基條件將直接影響著桿塔定位和桿塔結(jié)構(gòu),并決定著基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)。地基特性參數(shù)是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要依據(jù),但它與取樣過(guò)程、試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和隨機(jī)性有關(guān)。送電線路基礎(chǔ)分布“點(diǎn)多面廣”,在地質(zhì)資料勘測(cè)方面表現(xiàn)為測(cè)點(diǎn)多而分散,造成沿線地基勘測(cè)資料比較粗淺,精度和詳細(xì)程度都難以做到像建筑物地基那樣精確可靠。此外,同一條線路可以使用許多基本相同的桿塔,而這些桿塔基礎(chǔ)的工作特性卻因土質(zhì)條件的不同而存在差異。因此,在沒(méi)有深入了解地基土或巖的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律前,不得不對(duì)線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法做出一定的簡(jiǎn)化。當(dāng)前,我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)仍采用的是安全系數(shù)法,而且其中所規(guī)定的設(shè)計(jì)方法并不能完全滿足實(shí)際工程需要。如無(wú)專門(mén)針對(duì)凍土地基、黃土地基、膨脹土地基等輸電工程基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法,也無(wú)角鋼插入式基礎(chǔ)等新型基礎(chǔ)型式的計(jì)算方法。這使得設(shè)計(jì)、施工遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)章可循、無(wú)據(jù)可查,不利于輸電線路工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。文獻(xiàn)雖采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則和分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)方法,但因某些基礎(chǔ)工作跟不上,使某些參數(shù)確定困難,某些過(guò)細(xì)的硬性規(guī)定在一定程度上起了阻礙作用。尚缺乏勘察、測(cè)試、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)幾個(gè)階段的相互銜接的整體性與統(tǒng)一性?？傊?根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法和技術(shù)規(guī)范,送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)于保守,基礎(chǔ)尺寸比國(guó)外同等級(jí)的基礎(chǔ)大,基礎(chǔ)的安全系數(shù)過(guò)高,基礎(chǔ)混凝土及鋼筋用量過(guò)大,工期較長(zhǎng),在國(guó)外投標(biāo)中,處于不利地位。1.3施工技術(shù)與設(shè)備眾所周知,送電線路基礎(chǔ)的施工方法對(duì)基礎(chǔ)破壞和極限承載能力有直接影響。如草率施工和馬虎回填,會(huì)造成對(duì)原狀土或巖的過(guò)分?jǐn)_動(dòng),降低基礎(chǔ)承載力;反之,則可有效地增加基礎(chǔ)的承載力,減小基礎(chǔ)受力時(shí)產(chǎn)生的滑移。由于線路基礎(chǔ)建設(shè)常受地形、施工場(chǎng)地限制,一些大型施工機(jī)具難以進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng),研制輕巧、高效的施工機(jī)具尚需加強(qiáng)。目前,我國(guó)線路基礎(chǔ)主要還是靠人工施工,機(jī)械化程度低,施工質(zhì)量尚難以保障。此外,由于線路基礎(chǔ)所處位置的地形地貌情況復(fù)雜,傳統(tǒng)建筑地基基礎(chǔ)的檢測(cè)方法與手段在不同程度上受到限制,導(dǎo)致輸電線路地基基礎(chǔ)檢測(cè)技術(shù)水平在一定程度上落后于其他行業(yè)。為了改變我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)落后的現(xiàn)狀,國(guó)電電力建設(shè)研究所已經(jīng)成立了專門(mén)的輸電線路地基基礎(chǔ)巖土工程實(shí)驗(yàn)室。近些年,在人工斜掏挖原狀土基礎(chǔ)、山區(qū)斜坡地面不等高基礎(chǔ)等方面進(jìn)行了大量研究。今后將針對(duì)線路基礎(chǔ)共性、前沿和關(guān)鍵的學(xué)科問(wèn)題,探索桿塔基礎(chǔ)工作機(jī)理,形成我國(guó)線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和計(jì)算的理論體系,開(kāi)發(fā)出安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的科技成果,更好地為我國(guó)送電線路工程建設(shè)服務(wù),提高線路工程的可靠性。2中國(guó)鐵路基本工程的總結(jié)2.1線路基礎(chǔ)型式的選擇和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化據(jù)統(tǒng)計(jì),桿塔基礎(chǔ)在整個(gè)輸電線路工程中,工期約占一半、運(yùn)輸量約占60%、費(fèi)用約占15%～35%。由此可見(jiàn),減少桿塔基礎(chǔ)混凝土量、鋼筋用量,縮短建設(shè)工期,降低建設(shè)費(fèi)用,選用更科學(xué)與合理的基礎(chǔ)型式勢(shì)在必行。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外輸電線路基礎(chǔ)工程建設(shè)總的發(fā)展趨勢(shì)有兩方面:一是采用合理的結(jié)構(gòu),改善基礎(chǔ)的受力性能,減小基礎(chǔ)的水平作用力和彎矩,使基礎(chǔ)立柱主要承受軸向拉壓力;另一方面是盡可能充分利用原狀土地基承載力高、變形小的良好力學(xué)性能,因地制宜采用原狀土基礎(chǔ)型式。2.2治理和環(huán)保問(wèn)題在架空送電線路建設(shè)中,很多巖土工程都與環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān),屬于環(huán)境巖土工程課題,需要用巖土工程的觀點(diǎn)、技術(shù)和方法為治理和保護(hù)環(huán)境服務(wù)。在線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中,要認(rèn)真貫徹執(zhí)行《中華人民共和國(guó)水土保持法》和《開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)的地方規(guī)定,最大限度地減少土方開(kāi)挖,加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。2.3新類型和線路設(shè)計(jì)的研究近年來(lái),我國(guó)線路基礎(chǔ)工程建設(shè)中出現(xiàn)了很多新的基礎(chǔ)型式與方案,且具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。2.3.1“以土代?！钡奶攸c(diǎn)人工斜掏挖原狀土基礎(chǔ)是一種新型的輸電線路基礎(chǔ),與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)相比具有如下特點(diǎn):原狀土地基承載力高、變形小,消除了回填土質(zhì)量不可靠帶來(lái)的安全隱患;“以土代模”,開(kāi)挖量少,施工方便,節(jié)省材料。此外,人工斜掏挖原狀土基礎(chǔ)具有主角鋼斜插式基礎(chǔ)水平作用力和彎矩小的優(yōu)點(diǎn)。因此,在適宜的土質(zhì)條件下,如覆蓋層較厚的硬、可塑粘性土中采用人工斜掏挖原狀土基礎(chǔ),可提高基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性,因而具有良好的推廣應(yīng)用前景,但目前其設(shè)計(jì)與工程經(jīng)驗(yàn)尚不成熟,仍存在著理論和實(shí)踐難題。2.3.2網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)布置在軟弱地基線路工程建設(shè)中,國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始研究和應(yīng)用復(fù)合式小樁(微型樁)來(lái)代替大直徑灌