姜寶寶

（青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司，山東 青島 266061）

0 引言

自“一帶一路”倡議提出以來(lái)，在“共商共建共享”的原則下，中非之間一大批合作項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)，大量中國(guó)企業(yè)參與到非洲輸電項(xiàng)目建設(shè)之中。由于歷史原因，非洲大部分國(guó)家采用歐洲規(guī)范體系，通常招標(biāo)文件中要求采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。對(duì)于輸電線路而言，非洲大部分地區(qū)的地質(zhì)條件良好，基礎(chǔ)通常采用大開挖形式，其基礎(chǔ)的大小由上拔力控制。

針對(duì)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，將歐標(biāo)EN 50341－1—2012與我國(guó) DL／T 5219—2014的關(guān)于抵抗上拔的計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比分析，為要求采用歐標(biāo)設(shè)計(jì)的輸電線路工程提供參考。

1 基本設(shè)計(jì)原理

輸電線路鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與普通基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)存在較大的不同，普通基礎(chǔ)的主要荷載通常是地上結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的豎直方向的下壓力，基礎(chǔ)的大小由基底土的土壤承載力及土壤沉降決定；但是對(duì)于輸電線路桿塔而言，其所承受的荷載主要來(lái)自于導(dǎo)線的張力及風(fēng)吹導(dǎo)線所引起的橫向風(fēng)荷載，這兩種荷載將在距地面一定高度處對(duì)鐵塔產(chǎn)生較大的橫向拉力作用，由此導(dǎo)致鐵塔的4個(gè)腿通常是2個(gè)腿處于受拉狀態(tài)，另外2個(gè)腿處于受壓狀態(tài)，而對(duì)大開挖基礎(chǔ)而言，其基礎(chǔ)的大小通常是由拉力（即在基礎(chǔ)中產(chǎn)生上拔力）控制的。

輸電線路基礎(chǔ)抵抗上拔的方法分為純理論計(jì)算的剪切法和采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的土重法兩種。按土體的破壞機(jī)理，剪切法比較符合土體破壞的實(shí)際情況，但是剪切法計(jì)算需要的各項(xiàng)參數(shù)是針對(duì)自然土體的，大多數(shù)形式基礎(chǔ)施工過(guò)程中均會(huì)對(duì)自然土體產(chǎn)生一定程度的破壞，尤其是對(duì)于大開挖基礎(chǔ)，施工過(guò)程中基坑開挖的尺寸遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)自身，基礎(chǔ)施工完畢后，基坑必須回填，而且對(duì)于某些比較松散的土體，回填甚至需要采取換填措施。在此過(guò)程中，回填抗拔土體的夯實(shí)程度難以準(zhǔn)確控制、回填后土壤自然固結(jié)等因素?zé)o法準(zhǔn)確衡量，由此導(dǎo)致回填土的物理力學(xué)特性與自然土體有較大的不同，各項(xiàng)參數(shù)難以合理確定，故對(duì)于大開挖基礎(chǔ)，各國(guó)均保留了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。

DL／T 5219—2014對(duì)回填抗拔土體采用土重法計(jì)算。其計(jì)算原理為假定基礎(chǔ)在承擔(dān)上拔力而被拔出時(shí)，只計(jì)算鋼筋混凝土基礎(chǔ)自重及上拔角α范圍內(nèi)四棱錐臺(tái)體的土體重量，忽略帶走土體與周圍土壤的摩擦力，并不計(jì)土壤顆粒間的黏聚力，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的基礎(chǔ)相對(duì)較大。

歐標(biāo)EN 50341—1采用的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法與國(guó)標(biāo)DL／T 5219—2014的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法其原理相同，均考慮鋼筋混凝土基礎(chǔ)自重及上拔角α范圍內(nèi)四棱錐臺(tái)體的土體重量，但歐標(biāo)EN 50341—1同時(shí)也考慮了帶走土體與周圍土壤的摩擦力以及土壤顆粒間的黏聚力。由于帶走土體與周圍土壤的摩擦力以及土壤顆粒間的黏聚力在回填土中難以精確度量，歐標(biāo)采用經(jīng)驗(yàn)方法通過(guò)對(duì)上拔角α進(jìn)行修正來(lái)體現(xiàn)這部分作用。

2 基礎(chǔ)上拔力計(jì)算

以坦桑尼亞某110 kV輸電線路為例，該項(xiàng)目地質(zhì)情況為中等密度粉土，其上拔角α為20°，土壤重度γs為18 kN／m3；土體距地表厚度5 m范圍內(nèi)土質(zhì)均勻，無(wú)地下水；鋼筋混凝土重度γc取24 kN／m3。

為便于對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用對(duì)比同一個(gè)基礎(chǔ)模型的上拔抗力最大值的方法進(jìn)行分析。該模型底板寬度為B為1.8 m，底板高度hb為0.3 m；第一層臺(tái)階寬ws為0.3 m，高h(yuǎn)s為 0.3 m；基礎(chǔ)短柱寬 wp為0.6 m，短柱埋深hp為0.8 m，露出地面ha為0.2 m。

2.1 按DL／T 5219—2014計(jì)算

計(jì)算模型如圖1所示［1］。該模型抗拔土體從邏輯分析角度比較容易理解，當(dāng)基礎(chǔ)承受上拔力作用時(shí)，從基礎(chǔ)底板上平面開始，在上拔角α=20°范圍內(nèi)的土體均參與上拔抵抗，與實(shí)際基礎(chǔ)上拔的情況非常接近。

圖1 DL／T 5219—2014計(jì)算模型

其基本計(jì)算公式為：

式中：γs為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，kN／m3；γf為基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)，從DL／T 5219—2014中查表3.0.16可知，對(duì)于非重力式基礎(chǔ)的上拔穩(wěn)定，直線塔基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)為1.10，轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)附加分項(xiàng)系數(shù)1.60；TE為基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值，kN；γE為水平力影響系數(shù)，對(duì)一般桿塔，由于其水平力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上拔力，故該系數(shù)取1；γθ1為基礎(chǔ)底板上平面坡角影響系數(shù)，當(dāng)基礎(chǔ)底板上平面坡角≥45°時(shí)，該系數(shù)為1.2，本例基礎(chǔ)底板上平面坡角為0°，故該系數(shù)取1；Vt為上拔角α=20°范圍內(nèi)鋼筋混凝土基礎(chǔ)和土的總體積；ΔVt為相鄰基礎(chǔ)影響微體積，當(dāng)相鄰基礎(chǔ)間距不足，造成上拔土體重疊時(shí)的體積即為ΔVt，本例由于基礎(chǔ)間距足夠大，相鄰基礎(chǔ)抗拔土體不產(chǎn)生影響，故相鄰基礎(chǔ)影響微體積取0；V0為上拔角α=20°范圍內(nèi)鋼筋混凝土基礎(chǔ)體積；Gf為鋼筋混凝土基礎(chǔ)自重，kN。

抗拔土計(jì)算深度ht為基礎(chǔ)底板上平面覆土厚度，ht=0.3+0.8=1.1（m）。

計(jì)算深度ht內(nèi)基礎(chǔ)和土的體積

計(jì)算深度ht內(nèi)基礎(chǔ)體積

基礎(chǔ)自重Gf即為鋼筋混凝土體積與鋼筋混凝土重度的乘積，即

將各計(jì)算結(jié)果帶入公式（1）可得

故該基礎(chǔ)可抵抗的最大上拔力為

2.2 按EN 50341－1—2012計(jì)算

對(duì)于大開挖基礎(chǔ)，歐標(biāo)的理論計(jì)算方法考慮了土壤的凝聚力與內(nèi)摩阻角，但是由于其回填土土壤性質(zhì)的難以確定性，歐標(biāo)采用了理論計(jì)算模型再加上經(jīng)驗(yàn)修正的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，使其計(jì)算更為可靠。

半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，理論上認(rèn)為上拔抗力也是由鋼筋混凝土基礎(chǔ)的自重以及沿基礎(chǔ)周邊計(jì)算上拔角范圍內(nèi)的土體共同抵抗?；A(chǔ)土體計(jì)算上拔角α取決于回填土的土壤類型、內(nèi)摩阻角、凝聚力、土壤的壓實(shí)程度以及基礎(chǔ)與土壤的粘結(jié)力等多種因素，難以準(zhǔn)確度量。故在計(jì)算過(guò)程中對(duì)其抗拔土體的上拔角進(jìn)行了修正，以修正后的上拔角來(lái)綜合反映回填土的多種因素的交互作用，該修正后的上拔角稱為計(jì)算上拔角β。

計(jì)算模型如圖2所示［2］。歐標(biāo)認(rèn)為由于回填土具有良好的級(jí)配性及壓實(shí)緊密，故土壤粘聚性好，上拔土體由于粘聚性的作用，其作用范圍要低于基礎(chǔ)底板上平面。從歐標(biāo)分析模型也可以看出計(jì)算深度ht為基礎(chǔ)底板上平面覆土厚度與基礎(chǔ)底板厚度一半之和，ht=1.25 m，該計(jì)算深度大于國(guó)標(biāo)的取值（基礎(chǔ)底板上平面埋深1.1 m）。

圖2 歐標(biāo)EN 50341－1計(jì)算模型

對(duì)于上拔角，國(guó)標(biāo)直接采用土體上拔角α歐標(biāo)采用經(jīng)過(guò)修正的設(shè)計(jì)上拔角β，其計(jì)算如下：

計(jì)算深度ht內(nèi)基礎(chǔ)和土的體積

計(jì)算深度ht內(nèi)基礎(chǔ)體積

計(jì)算基礎(chǔ)自重

將各計(jì)算結(jié)果帶入式（1）可得：

歐標(biāo)荷載對(duì)安全度的考慮采用分項(xiàng)系數(shù)法，其荷載分項(xiàng)系數(shù)γf不區(qū)分直線塔與轉(zhuǎn)角塔，均為1.1，故該基礎(chǔ)可抵抗的最大上拔力為

為有效抵抗桿塔的上拔荷載，歐標(biāo)同時(shí)補(bǔ)充規(guī)定鋼筋混凝土基礎(chǔ)自重與其底板上方矩形范圍內(nèi)的土重力之和應(yīng)該大于0.8倍的上拔力，故TE應(yīng)同時(shí)滿足：

故按歐標(biāo)計(jì)算該基礎(chǔ)最大上拔抵抗力為157.95 kN。

2.3 上拔抗力比較

對(duì)比上述模型的上拔抗力，可以得出按國(guó)標(biāo)計(jì)算的上拔抗力小于按歐標(biāo)計(jì)算的上拔抗力，其具體情況如下：

對(duì)于直線塔即歐標(biāo)的上拔抗力是國(guó)標(biāo)的1.1倍；

2.4 基礎(chǔ)體積比較

當(dāng)荷載相同的情況下，采用歐標(biāo)分析的基礎(chǔ)，其體積將小于國(guó)標(biāo)，以該項(xiàng)目為例，項(xiàng)目最終結(jié)算結(jié)果：對(duì)直線塔，歐標(biāo)基礎(chǔ)混凝土用量約為國(guó)標(biāo)的95%；對(duì)轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)，歐標(biāo)基礎(chǔ)混凝土用量約為國(guó)標(biāo)的80%～95%。轉(zhuǎn)角度數(shù)越高，混凝土用量越省。

3 結(jié)語(yǔ)

歐標(biāo)的基礎(chǔ)有效埋深大于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其最終上拔抗力同樣比中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)高。對(duì)于直線塔，歐標(biāo)比國(guó)標(biāo)高約10%，而對(duì)于轉(zhuǎn)角塔，歐標(biāo)比國(guó)標(biāo)高出約61%。而在同樣桿塔荷載的情況下，按歐標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)，其體積約為國(guó)標(biāo)的80%～95%。

因此在要求采用歐標(biāo)的項(xiàng)目中，采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算上拔是偏于保守的。對(duì)于由一般地質(zhì)條件下的由上拔力控制的桿塔基礎(chǔ)，按中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)會(huì)造成工程量增大，成本增加，從而降低我方EPC項(xiàng)目的投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院．架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL／T 5219—2014 ［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014．

［2］European committee for electro technical standardization．Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV-Part 1：General requirements：EN 50341－1—2012［S］．London，2014．

［3］王高益．架空送電線路基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定計(jì)算公式的修正［J］．四川電力技術(shù)，2011，34（1）：56－57，86．

［4］曾二賢，李雋，王開明，等．桿塔基礎(chǔ)抗拔設(shè)計(jì)埋深的簡(jiǎn)易計(jì)算方法［J］．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010（1）：55－57．

［5］張新春，王璋奇，歐?。谳旊娋€路拉線地錨結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（12）：10－14．