鐘維軍，羅玉鶴

（寧波市電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 寧波 315021）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，架空輸電線路的走廊日趨緊張，城區(qū)難有適合鐵塔架設(shè)的線路走廊。鋼管桿線路由于走廊窄，占地面積小，造價(jià)相對(duì)電纜線路低，適合在空間走廊緊張的城市和城鄉(xiāng)結(jié)合地帶采用。節(jié)約占地面積是鋼管桿設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其中鋼管桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

1 不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

鋼管桿基礎(chǔ)可分為普通淺基礎(chǔ)、普通鉆孔樁基礎(chǔ)、鋼管樁基礎(chǔ)、樹(shù)根樁基礎(chǔ)等。本文基于寧波地區(qū)典型軟土地質(zhì)情況，以直線桿和30°轉(zhuǎn)角桿為例對(duì)不同基礎(chǔ)型式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1.1 地質(zhì)及基礎(chǔ)作用力情況

典型的軟土地質(zhì)，地下水位0.5 m，鋼管桿基礎(chǔ)作用力見(jiàn)表1，各層地質(zhì)情況見(jiàn)表2。

1.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

表1 鋼管桿基礎(chǔ)作用力

1.2.1 直線桿基礎(chǔ)型式

直線桿不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表3。從表3中可以看出，在軟土地質(zhì)情況下，直線桿的不同基礎(chǔ)型式中，鋼管樁基礎(chǔ)占地面積最小，綜合造價(jià)最低；普通淺基礎(chǔ)占地面積最大，綜合造價(jià)較灌注樁基礎(chǔ)小；其他類型的樁基礎(chǔ)型式占地面積均較大，綜合造價(jià)也相對(duì)較高。

1.2.2 轉(zhuǎn)角桿基礎(chǔ)型式

轉(zhuǎn)角桿基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表4。從表4不難看出，在軟土地質(zhì)情況下，30°轉(zhuǎn)角桿的不同基礎(chǔ)型式中，鋼管樁基礎(chǔ)占地面積最小，綜合造價(jià)最低；其他類型基礎(chǔ)型式占地面積均較大，綜合造價(jià)也相對(duì)較高。

表3 直線桿不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

表430°轉(zhuǎn)角桿不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

1.2.3 不同型式基礎(chǔ)的造價(jià)比較

綜合表3、表4，可以得到基礎(chǔ)型式與基礎(chǔ)造價(jià)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)型式與基礎(chǔ)造價(jià)的關(guān)系

從表3、表4和圖1可知：

（1）不管是直線桿還是30°轉(zhuǎn)角桿，鋼管樁基礎(chǔ)的占地面積明顯小于其他型式基礎(chǔ)的占地面積，樁基礎(chǔ)次之，普通淺基礎(chǔ)占地面積最大。

（2）在軟土地基上，鋼管樁基礎(chǔ)的造價(jià)最低，普通淺基礎(chǔ)造價(jià)次之，樁基礎(chǔ)最大。

1.3 本文采用的基礎(chǔ)型式

從以上比較分析可知，鋼管樁基礎(chǔ)能較好地滿足設(shè)計(jì)要求，且造價(jià)低、占地面積最小、施工周期短。鋼管桿線路都在道路兩側(cè)，也為運(yùn)輸和吊裝提供了良好的外部條件，適合工程中的實(shí)際要求。因此，本文重點(diǎn)分析鋼管樁基礎(chǔ)。

2 鋼管樁的設(shè)計(jì)

2.1 鋼管樁基礎(chǔ)的特點(diǎn)

（1）占地小，約為普通基礎(chǔ)的4%，特別適用于城市輸電線路。

（2）強(qiáng)度大，承載力高，與上部桿塔結(jié)構(gòu)一致，便于施工安裝，工期短。

（3）對(duì)附近房屋、城市道路、市政設(shè)施及環(huán)保衛(wèi)生干擾較小，噪聲小，無(wú)污染。

（4）采用靜壓機(jī)械設(shè)備，避免了多人工、大挖方的原始施工，造價(jià)明顯降低。

2.2 鋼管樁基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定計(jì)算

鋼管樁基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)采用法蘭連接或插接，連接有保障，當(dāng)基礎(chǔ)埋深與基礎(chǔ)實(shí)際寬度之比不小于3時(shí)，可按電桿基礎(chǔ)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算。鋼管樁基礎(chǔ)主要承受水平荷載和較大彎距，垂直荷載相對(duì)較小，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中一般都以傾覆穩(wěn)定作為鋼管樁基礎(chǔ)的控制條件。

一般的鋼管樁輸電線路設(shè)計(jì)都滿足電桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論，因此本文按照電桿理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼管樁基礎(chǔ)的極限傾覆力Sj和極限傾覆力矩Mj的計(jì)算都是假定土壤達(dá)到極限平衡狀態(tài)，通過(guò)土壓力的作用，使鋼管樁基礎(chǔ)保持受力平衡。

鋼管樁基礎(chǔ)除傾覆穩(wěn)定外，還必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，一般按壓彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

表2 地質(zhì)參數(shù)

2.3 鋼管樁的樁頂位移計(jì)算

由于寧波地區(qū)地質(zhì)情況較差，屬于典型的軟土地基，鋼管樁的樁頂位移成為鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制條件之一。為了更好地控制樁頂?shù)乃轿灰疲阡摴軜痘A(chǔ)的樁體上部澆筑了1塊混凝土塊，增大了基礎(chǔ)與軟土的接觸面積，可以有效減小鋼管樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移。鋼管樁基礎(chǔ)的水平位移比較見(jiàn)表5。

表5 鋼管樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移比較

為了驗(yàn)證混凝土塊的有效性，采用有限元軟件模擬直線桿鋼管樁基礎(chǔ)實(shí)際受力情況，以校核鋼管樁基礎(chǔ)的樁頂水平位移。

首先建立平面模型，通過(guò)單元擴(kuò)展將平面模型擴(kuò)展為實(shí)體模型，其下部和四周均采用固接，土壤采用半徑為5 m的圓模擬，土壤參數(shù)按實(shí)際情況輸入。鋼管樁采用梁?jiǎn)卧M，樁與土壤用共用節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)共同變形。

樁周?chē)耐馏w為實(shí)體單元，有彈塑性，屬顆粒狀材料，受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，土體受剪時(shí)顆粒會(huì)膨脹。本次采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，能得到較為精確的結(jié)果。

根據(jù)有限元軟件計(jì)算結(jié)果，直線桿鋼管樁基礎(chǔ)樁頂未設(shè)置混凝土塊的樁頂水平位移為9.04 mm，設(shè)置混凝土塊的樁頂水平位移為5.0 mm。該計(jì)算結(jié)果與鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的結(jié)果9.15 mm和5.25 mm比較接近，誤差僅為1.2%和5%，從而驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的正確性。

2.4 鋼管桿的預(yù)偏設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)角桿的受力特點(diǎn)，鋼管桿桿身在實(shí)際運(yùn)行中將產(chǎn)生較大變形，因此施工時(shí)常采用預(yù)偏方式。采用鋼管樁基礎(chǔ)時(shí)，由于鋼管桿根部直接插入鋼管樁內(nèi)，可以通過(guò)三角楔鐵調(diào)整至鋼管桿設(shè)計(jì)所需桿頂位移（長(zhǎng)期荷載工況下的桿頂位移），然后灌漿固定，施工相對(duì)簡(jiǎn)單、直觀。當(dāng)采用灌注樁基礎(chǔ)時(shí)，鋼管桿根部采用法蘭連接，則需要把樁頂做成斜面以保證鋼管桿設(shè)計(jì)的預(yù)偏，施工較前者困難，且不直觀。

2.5 鋼管樁基礎(chǔ)材料的優(yōu)化

鋼管樁基礎(chǔ)的材料主要采用Q235，Q345，Q390等鋼材，不同材料的造價(jià)比較如表6所示。設(shè)計(jì)中，應(yīng)在滿足鋼管樁樁身強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，盡可能降低鋼材使用量。

表6 不同材料鋼管樁造價(jià)的比較

從表6可知，鋼管樁基礎(chǔ)采用Q345鋼材時(shí)的造價(jià)明顯優(yōu)于Q235，主要是因?yàn)樵跐M足鋼管樁樁身強(qiáng)度要求時(shí)，Q235的屈服強(qiáng)度明顯低于Q345，同樣的鋼管樁壁厚不能滿足鋼管樁設(shè)計(jì)荷載的要求，使Q235的鋼管樁壁厚大于Q345，而Q235和Q345的市場(chǎng)單價(jià)相差無(wú)幾，從而導(dǎo)致采用Q235的鋼管樁基礎(chǔ)造價(jià)較高。

考慮到鋼管桿根部壁厚和鋼管樁易腐蝕的關(guān)系，一般情況下，鋼管樁的壁厚除滿足強(qiáng)度要求外，還不宜小于鋼管桿根部的壁厚。在這種設(shè)計(jì)條件下，一般鋼管樁采用普通鋼材就能滿足最小壁厚的要求，從表6可以看出 ，采用Q390鋼材的鋼管樁基礎(chǔ)的造價(jià)不但沒(méi)有降低，反而大大增加，這主要是因?yàn)镼390的市場(chǎng)單價(jià)明顯高于Q235和 Q345。

3 鋼管樁的施工

3.1 施工方案比較

目前在鋼管樁基礎(chǔ)的各種施工方案中，最常用的是機(jī)械鉆孔植樁法和靜壓植樁法。

（1）機(jī)械鉆孔植樁法：首先用鉆機(jī)在地面上鉆孔，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，將鋼管樁放入鉆好的孔中，再在樁內(nèi)外注漿加固。由于鋼管樁的樁徑相對(duì)較大，成孔時(shí)要做好護(hù)壁工作，防止孔壁塌陷。該方法在鉆孔時(shí)噪音較大，施工周期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，但因其適用性較廣，一般的地質(zhì)情況均能采用，因此在目前的輸電線路灌注樁基礎(chǔ)施工中經(jīng)常采用。

（2）靜壓植樁法：只需將表層土挖開(kāi)，直接用靜壓機(jī)壓至設(shè)計(jì)深度。由于受靜壓機(jī)械的限制，一般不適用于貫穿厚度大于2 m的中密以上砂土夾層或中密以上的砂土持力層。

靜壓法施工原理：一般來(lái)說(shuō)，采用靜壓樁工藝時(shí)要求地基土含水量較高，孔隙比較大，樁身在受垂直靜壓過(guò)程中對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行排擠，使地基土發(fā)生側(cè)剪破壞，或先發(fā)生沿樁身土體的直接剪切破壞，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，擾動(dòng)土體結(jié)構(gòu)，使樁周約一倍樁徑的土體抗剪強(qiáng)度降低，發(fā)生嚴(yán)重軟化（粘性土）或稠化（粉土、砂土），出現(xiàn)土的重塑現(xiàn)象，從而可連續(xù)地將靜壓樁送入很深的地基土層中。若遇砂層，超孔隙水壓力消散，則摩阻力增加，壓樁困難。

靜壓法具有靜壓樁震動(dòng)小、噪聲小、場(chǎng)地小等特點(diǎn)，適合在市區(qū)及建筑群中施工。施工速度快，工期短；施工工藝簡(jiǎn)捷、方便。施工費(fèi)用省，土石方開(kāi)挖量幾乎為零，對(duì)原狀土擾動(dòng)小。最適用于軟土地基，不適用于貫穿厚度大于2 m的中密以上的砂土夾層或中密以上的砂土持力層。

3.2 不同施工方案的造價(jià)比較

以上2種施工方案的造價(jià)比較見(jiàn)表7。從表7可知，靜壓法造價(jià)明顯低于鉆孔植樁法，直線桿基礎(chǔ)造價(jià)下降約25%，轉(zhuǎn)角桿基礎(chǔ)造價(jià)下降約17%，可有效降低基礎(chǔ)本身的造價(jià)。

表7 不同施工工藝鋼管樁基礎(chǔ)的費(fèi)用比較

在典型的軟土地基中，鋼管樁基礎(chǔ)的施工采用靜壓法有較大優(yōu)勢(shì)。

4 鋼管樁的補(bǔ)強(qiáng)

鋼管樁基礎(chǔ)在實(shí)際施工過(guò)程中，往往受到地質(zhì)條件不確定的影響，導(dǎo)致鋼管樁還未壓到設(shè)計(jì)需要長(zhǎng)度就已經(jīng)不能繼續(xù)向下壓入，因此，樁長(zhǎng)不夠，產(chǎn)生傾覆彎距不能滿足設(shè)計(jì)要求，且鋼管樁的抗傾覆能力與鋼管樁實(shí)際樁長(zhǎng)的立方成正比，這就產(chǎn)生了很大的彎距差，給結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)造成了很大困難。

一般電桿基礎(chǔ)的補(bǔ)強(qiáng)都采用設(shè)置卡盤(pán)的方式，由于鋼管樁基礎(chǔ)所受的彎距較大、樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，在施工過(guò)程中安裝下卡盤(pán)也不現(xiàn)實(shí)，且工程量會(huì)大大增加。僅僅安裝上卡盤(pán)時(shí)，對(duì)整個(gè)鋼管樁基礎(chǔ)能夠起到一定的抗傾覆作用，但如果設(shè)計(jì)彎距與實(shí)際彎距相差較多，僅僅依靠上卡盤(pán)會(huì)使卡盤(pán)增大很多，造成工程量大大增加。這時(shí)可以在鋼管樁頂部采用混凝土套筒來(lái)增加基礎(chǔ)與軟土的接觸面積，滿足鋼管樁基礎(chǔ)的傾覆彎距要求。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)寧波地區(qū)典型軟土地質(zhì)條件下鋼管桿各種基礎(chǔ)型式進(jìn)行分析比較，從占地面積和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩方面探討最經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)型式，分析表明了鋼管樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)鋼管樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工、補(bǔ)強(qiáng)等進(jìn)行了綜合闡述，表明了鋼管樁基礎(chǔ)良好的應(yīng)用前景。

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