特高压输电线路机械化施工山地微型桩基础设计技术研究.pdf

传源南环境能源与电力1SSN.1672-9064CN35-1272/TK特高压输电线路机械化施工山地微型桩基础设计技术研究邱昊茨1武奋前2 引张文翔3 李扬森2林少远2（1国网泉州供电公司福建泉州3620002国网福建省电力有限公司?福建福州3500033中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司可福建福州?350003)摘要输电线路机械化施工可以有效降低施工危险系数，基础施工设备小型化是主要的发展方向。山地微型桩基础直径小，可以快速成孔，对设备运输要求低，是山区基础机械化施工的良好选择。通过分析微型桩桩土界面模型，结合嵌岩桩理论和桩基础理论，提出1种新型的山区微型桩的设计方法。调研目前的成孔设备参数以及施工钻进方法，并且基于某10 0 0 kV特高压线路工程对比山区微型桩基础以及挖孔基础的工程量，结果表明随着基础作用力的增大，山区微型桩基础较常规挖孔基础的经济效益明显，将其应用于特高压输电线路有较大的优势。关键词特高压机械化施工抗拔承载力多功能微孔钻机经济效益中图分类号：TM75文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 2 9-0 50引言输电线路机械化施工可以有效降低施工危险系数和人力强度，减少材料损耗1-5。然而目前山区线路基础施工主要依靠人力，其原因是依据常规的基础设计需要进行大面积的临时道路修筑和基面开挖，对环境影响较大。基础施工设备小型化是山区输电线路的主要发展方向。山地微型桩基础主要指直径为30 0 40 0 mm，由细石混凝土浇筑形成的钢筋混凝土微型桩和连接于桩顶承台共同组成的基础。苏荣臻等6 通过现场真型试验，证明在粉土地基中采用微型桩基础具有较大的经济效益；任光明等7 通过在川西地粉质黏土区开展的现场真型试验，结果表明：微型桩群桩基在粉质黏土地区有良好的抗压性能。武玉萍等8 基于黄土地基微型桩现场静载试验，研究了桩长、桩径、桩身弹性模量及桩间距对微型桩水平承载力的影响；郑卫锋等9 采用现场试验方法，试验结果表明软土地区二次注浆工艺能明显提高微型桩单桩的极限承载力；屈勇10 结合PLAXIS有限元程序数值分析方法对微型桩开展研究，给出了单桩的临界桩长、桩身最佳倾角、群桩效应系数的取值标准，为今后的工程设计与应用提供参考。张晓红等11 在软土地基中进行微型桩单桩及群桩原型试验，试验结果表明微型桩有较好的抵抗各种荷载的能力。杜荣忠12 对微型桩上拔、下压、水平承载力进行了理论分析并开展技术经济比选，在软土地区输电线路中推广应用。尉春玲13以输电线路为例，分析了硬岩地质机械成孔微型桩技术在项目中的应用优势，为该技术的广泛应用提供依据。综上所述，虽然国内同行针对微型桩已经开展系列的研收稿日期2 0 2 3-0 2-2 3基金项目：国网福建省电力有限公司科技项目资助（52 1330 2 10 0 7 8)作者简介：邱昊茨(1990 一），男，研究生，硕士，工程师，主要从事输变电工程项目与技术管理工作。究，但是主要适用于粉质黏土或者软土的地基条件，在山区岩质地基条件下的研究较少，因此开展山地微型桩基础设计施工研究具有重要的意义。1山地微型桩基础适用范围及优势山地微型桩是1种新型基础，对山区地质条件和岩石完整性要求不高。结合既有研究成果及本工程地形地质条件，推荐其适用范围如下：(1)为满足设备钻进的需求,场地覆盖层厚度3 8 m，下卧基岩为非极软岩、非极破碎岩。(2)为满足设备进场需求,道路坡度不宜 2 5道路宽度3.5m，塔腿局部地形30 该基础型式的优势如下：(1)基础直径大小合适，填补岩石锚杆基础单杆承载力低、覆盖层厚及极软岩、极破碎岩石地质下的基础选型需求；(2)采用微型钻机快速成孔，机械化程度高，解决传统设备硬质岩条件下成孔效率低、施工周期长的问题；(3)设备运输要求低，减少沿线道路修筑宽度、房屋拆迁、植被破坏工程量，绿色环保。2山地微型桩基础设计方法及构造要求桩基计算包括桩基竖向下压承载力计算、桩基竖向上拔承载力计算、桩基水平承载力计算、桩基水平位移计算、桩身承载力计算、承台及承台柱承载力计算等内容。2.1设计方法2.1.1桩土界面模型微型桩-土相互作用示意图见图1。2023.NO.4.29传源南环境能源与电力ISSN1672-9064CN35-1272/TK图1微型桩-土相互作用示意图根据荷载传递理论，对桩身任一截面计算见式(1)。d2E,A,ds=-UT(z)式中：U为微型桩的周长;A，为微型桩的截面积;E,为微型桩的弹性模量。在桩顶荷载作用下，桩周上部塑性破坏，破坏区长度为1o，下部处于弹性状态，长度为l-lo。由上文可知，弹性阶段和塑性破坏阶段桩侧摩阻力的表达式见式(2)。Kes(z)As(z)so弹性阶段T(z)=IK,5o式中：T(z)为桩深度处单位面积上的摩阻力;s(z)为桩深度处单位长度上的变形;As(z)为桩深度处单位长度上的桩岩相对位移；so为弹性极限位移。由围岩应力边界调节，可求得弹性极限位移so,当As(z)o时，桩体处于塑性状态，式（2)代人式（1)可得式(3)。(3)2E,A,边界条件见式(4)。由式(4)可得式(5)。C=E,A,C2=Sd将式(5)代入式(1)可得式(6)。5(a)=1UK2-Pdz+sd2E,A,在深度l处，桩侧围岩为塑性区和弹性区边界，满足位移连续条件，见式（7）。(7)E,A,E,A,由式(7)可求得式(8)。Pa0ZTAs(z)so塑性阶段-PEA,Pd16+sdlo-P-VP-2UK.so:A,(s-so)当As(z)s。时,桩体处于弹性状态,将式(2)代入式(1)可X得式(9)。塑性区其中n计算见式(10)。=1EA,A塑性区和弹性区的轴力连续条件见式（11)。弹性区dz由式(11)解得式(12)。TPocoshm(li-z)s(z)=BE,A,n sinhln(i-lo)T将桩身位移连续条件s(lo)=so代人式(12)解得式(13)。l=-arcoth(在桩顶荷载作用下,桩周岩层均处于弹性状态时As(z)so,C此时只需令式(13)中的Pl。=Pa,s o=s,l o=0,解得式(14)和式(15)。(14)(1)E,A,nsinh(nli)1arcothSdE,A,nPa工程实际计算考虑承台底面为岩石分布，且仅考虑塑性破坏时的破坏长度,边界条件即为式(16)。spl=l=0,P(z)=l-=-0代人式(8),得到式(17)。P(lo)=VPP-2UKtantang,soE,A,(s,-so)=0计算得到单桩极限承载力见式(18)。(2)P=UKtantanp,sdlo式中：K的计算见式(19)。E,K=(1+u,)r2.1.2抗拔承载力计算由于山区微型桩往往是嵌岩桩，因此结合建筑桩基技术规范(JGJ942008)常规桩基以及嵌岩桩设计方法，确定山地微型桩的抗拔承载力推荐公式，详见式（2 0）。T,=uEssnqd+G+ufuh,+uZr,l2(4)式中：T.为单桩轴向极限抗拔承载力;u为桩身周长;为第i层覆盖层土的侧阻力抗拔折减系数，取0.7 0.8;，为桩周第i层土的侧阻力计算系数，岩层以上10 d范围内覆盖层取0.5(5)0.7,10d以上覆盖层取1.0;d为覆盖层中桩的外径;9#为桩周第层土的单位面积极限侧阻力标准值；l为桩穿过第i层土(6)的长度；G为桩重力；为嵌岩段侧阻力抗拔计算系数，取0.045；f 为岩石饱和单轴抗压强度标准值；h,为桩身嵌入基岩的长度，当超过5d时，取5d；当岩层表面倾斜时，应以岩面最低处计算嵌岩深度；T,为岩石残余强度；l2为扣除h.后桩身位于岩层中的长度。2.1.3单桩抗压极限承载力单据抗压极限承载力计算见式(2 1)。2023.NO.4.30(8)UK.Sos(z)=C3e+C4e-UK.=-Plo,E,A,dz%E,A,n)+loPioPacoshn(li-z)1(z)=(9)(10)(11)(12)(13)(15)(16)(17)(18)(19)(20)传源卤环境能源与电力Qi=uESrql+uifah,+ifA+uErlh(21)式中：Q为单桩轴向极限抗压承载力；u为桩身周长；为桩周第i层土的侧阻力计算系数，岩层以上10 d范围内覆盖层取0.50.7,10d以上覆盖层取1.0;d为覆盖层中桩的外径；q#为桩周第i层土的单位面积极限侧阻力标准值；l,为桩穿过第i层土的长度；,分别为嵌岩段侧阻力和端阻力计算系数,与嵌岩深径比相关；f为岩石饱和单轴抗压强度标准值；h,为桩身嵌人基岩的长度，当超过5d时，取5d；当岩层表面倾斜时，应以岩面最低处计算嵌岩深度;A为嵌岩段桩端截面面积;T,为岩石残余强度；l2为扣除h,后桩身位于岩层中的长度。2.1.4水平承载力等的计算针对水平承载力、位移等计算原理，微型桩与常规桩基础主要体现为桩径的差异,并且国内学者6-10 1验证了与常规基础相差不大，因此建议采用建筑桩基技术规范（JGJ94一2 0 0 8)进行计算。2.2构造以及材料要求桩径取30 0 40 0 mm；桩间距应3倍桩直径，宜取4倍桩直径。承台厚度不宜 1.0 m，桩顶嵌人承台不宜 50 mm。桩边缘与承台边缘距离1倍桩直径。桩长不宜超过35倍桩直径，按嵌岩理论计算时，嵌入4级岩体深度不宜 5倍桩直径。承台混凝土采用C30；桩身采用C30自密实细石混凝土，应加人水泥用量10%的膨胀剂。钢筋保护层厚度取35mm。承台纵向受力钢筋采用HRB400,桩身主筋可采用HRB500。桩顶5d范围内加密，加密区箍筋间距10 0 mm。承台宜旋转45布置，并采取立柱偏心等措施减少水平力的影响。3山地微型桩基础施工设备以及方法3.1施工设备山地环境复杂，交通不便，大型机械难以运输至作业场地。受山地施工场地及地质地形条件限制，施工机械需要满足以下要求：(1)体积小,重量轻,便于转场及施工；(2)多种作业模式快速切换，适应不同地质环境；（3)施工对环境影响小，避免破坏原有生态环境；(4)操作简单,安全可靠且效率高，能耗低。考虑到山区微型桩施工的特殊性，结合成孔技术要求，定制了1种适用于微型桩基础的新型多功能微孔钻机，采用气液一体潜孔式钻机钻孔和排渣工艺，能够实现山地复杂条件下工程机械化施工。钻机主要参数见表1。3.2钻孔模式新型多功能微孔钻机钻进模式分为潜孔钻孔、旋挖钻孔、螺旋钻孔3种，便于满足不同复杂地质环境的钻孔需求，提高了成孔效率，见图2 和图3。4经济效益分析以某条10 0 0 kV特高压输电线路为例，选取不同的地质条件、基础作用力开展山地微型桩基础与常规基础型式的经济效益分析。1SSN1672-9064CN35-1272/TK表1钻机主要参数序号参数项目1钻孔直径范围/mm2钻孔深度/m3钻杆直径/mm4冲击器（凿岩机）5发动机额定功率/kW/（r/m i n）6发动机转速（调定）7回转头扭矩（最大）/（Nm）8回转头转速/(r/min)9推进速度/(m/min)10空压机工作压力/MPa11空压机排量/（m/min）12燃油箱容量/L13推进方式运输尺寸（长度宽度高度）14(mm mm mm)15调平角度/(）16爬坡角度/)17离地间隙/mm旋挖模式图2 钻孔模式选择图图3潜孔工作模式及成孔效果图4.1基础作用力分级直线塔取2 50 0、30 0 0、350 0、40 0 0 kN4档上拔基础力，下压力取值为上拔力的1.2 倍，水平力取值为相应工况下的0.14倍。转角塔基础力取值为30 10 J1/J2/J3/J44个塔型的作用力。4.2地质条件分类计算不同的岩土层厚度分布详见表3,岩土层的工程特性详见表4。2023.NO.4.31参数值（说明）90 400151876 1408 寸(2 0.32 cm)配30 0 40 0 钻头154/1 8001800550001000.2 0.91.45/2.432600油缸推进102232.0003.8001025430潜孔模式螺旋模式传源卤环境能源与电力ISSN1672-9064CN35-1272/TK杆塔类型上拔力2.5003000直线塔3.5004 00035064.835转角塔5 6266 469表3岩土层厚度分布表杆塔地质条件地质条件地质条件地层描述类型粉质黏土直线塔强风化花岗岩中风化花岗岩粉质黏土转角塔强风化花岗岩中风化花岗岩表4岩土参数特性表侧阻力/端阻力/地层描述kPa粉质黏土70强风化花岗岩120中风化花岗岩1804.3经济效益分析4.3.1直线塔基础选型计算对比直线塔常规的挖孔基础以及山地微型桩基础的差异，详见表5及图4。表5直线塔常规基础与山地微型桩基础的差异上拔力/挖孔桩混地质条件kN2.5003000地质条件135004 0002.5003000地质条件2350040002.5003000地质条件33.5004 000从图4可以看出，覆盖层厚度的变化对直线塔微型桩基础的工程量影响不大，但是挖孔基础随着覆盖层的增加混凝土方量明显增多。微型桩基础随着基础作用力的变化,工程量变化不大，其主要原因是上部承台尺寸未发生明显变化，主要变化为微型桩的桩长。挖孔基础随着基础力的变化，混凝土方量有明显的增加。表2基础作用力分级上拔工况下压力的水平力-350-420-490-560-598-888-1069-1 2401层厚/m2层厚/m3层厚/m46331010一6一3一10饱和单轴抗压kPa强度/MPa2001 0003000山地微型桩减少百凝土量/m混凝土量/m3芬比/%19.7417.1023.4417.5828.2418.1029.5918.5820.8717.5824.7218.1032.9618.8634.5219.1022.7818.1028.5418.8634.5219.3437.6619.86单位：kN下压工况的水平力-3 000-420-3 600-504-4 200-588-4 800-672-4 661806-3191-5292614-479-2.039-431单位：m83108310156013.3725.0035.9137.2115.7626.7842.7844.6720.5433.9243.9747.272023.NO.4.地质1挖孔桩混凝士量40地质1山地微型桩混凝土量一地质2 挖孔桩混凝士量一地质2 山地微型桩混凝土量一地质3挖孔桩混凝土量一地质3山地微型桩混凝士量叫/上干豫302012250250027503000325035003750 40004250上拔力/kN图4直线塔山地微型桩与挖孔基础对比曲线4.3.2转角塔测算计算对比转角塔常规的挖孔基础以及山地微型桩基础的差异，详见表6 及图5。表6 转角塔常规基础与山地微型桩基础的差异地质条件上拔力/挖孔桩混kN凝土量/m3混凝土量/m3分比/%350636.04.83551.3地质条件25 6266 46935064.835地质条件35 6266 46980地质2 挖孔桩混凝士量一一地质2 山地微型桩混凝土量一地质3挖孔桩混凝土量70地质3山地微型桩混凝土量叫/干豫605040303000图5车转角塔山地微型桩与挖孔基础对比曲线从图5可以看出，转角塔的山区微型桩基础在覆盖层为6m以及覆盖层为8 m的地质条件下，其混凝土方量差异不大，微型桩基础在基础作用力大的时候经济性更为明显。5结论本文基于山地微型桩的设计方法的研究，结合山地微型桩的施工设备以及沉孔工艺，对山地微型桩的经济效益进行了分析，主要结论如下：(1)山地微型桩基础设计方法结合嵌岩桩基础以及挖孔桩基础2 种理论，在抗拔承载力以及下压承载计算考虑岩体的增强作用；32山地微型桩减少百28.313.3736.825.0057.039.170.043.639.328.353.236.860.841.374.643.61400035.9137.2115.7626.7842.7844.6750006000上拔力/kN7000传源南环境1SSN.1672-9064CN35-1272/TK9郑卫锋，苏荣臻,鲁先龙，等.输电线路杆塔基础微型桩原型试验研究J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,2 0 10,2 9(0 1)：7 9-8 2.能源与电力(2)山地微型桩基础施工设备小型化，有利于山区绿色机J.工业建筑,2 0 12,42(S1):385-388.械化施工的开展。7任光明，伍禹安，范荣全，等.粉质黏土地区微型桩群桩基础群桩效(3)基于某个10 0 0 kV特高压工程基础计算结果可知,相应研究JI.成都理工大学学报（自然科学版）,2 0 2 2,49（0 1)：111-较于常规的挖孔桩基础，山地微型桩基础有明显的经济效益，118.8武玉萍，付红安，王佳佳，等.黄土地基微型桩水平承载力及群桩效并且随着基础作用力的增加，经济效益越发明显。应研究J.应用力学学报，2 0 2 2,39(0 3)：543-553.参考文献1蔡敬东，张强，丁世军，等.输电线路全过程机械化施工技术M.北京：中国电力出版社，2 0 15.2杨学军.输电线路全过程机械化施工应用与设计研究J.电力讯息,2 0 18(0 8)：158-159.3郭青，王瑞成.输电线路全过程机械化设计和施工研究J.现代工业经济和信息化,2 0 15,5(3)：32-35.4邵冬亮，王龙.电网工程全过程机械化施工技术应用J.国网技术学院学报,2 0 16,19(3)36-38.5陈路，裴燕，胡蓉.山区输电线路机械化施工的现状及对策J.勘测设计,2 0 18(11):6 3-6 6.6苏荣臻，李晋珍，田宇.粉土地基微型桩基础抗压承载力试验研究(上接第18 页)应用海洋学学报,2 0 17(1):31-40.2樊乔铭。基于EFDC的港口污水处理厂排放标准及排污口选划研究J.环境工程,2 0 16(12):147-152.3何山.基于EFDC模型对入海排污选址方案的研究D.大连：大连海事大学，2 0 17.4生态环境部环境标准研究所.海水水质标准：GB3097-1997S.北京：中国标准出版社，1997.10屈勇.输电线路微型桩基础承载性能的数值模拟J.电力建设，2011,32(02):59-61.11张晓红，龚建.微型桩原型试验及其在输电线路中的应用J.浙江建筑,2 0 0 8,2 5(12):35-37.12杜荣忠.微型桩在输电线路中的应用探讨J.红水河,2 0 11,30(06):79-83.13尉春玲.研究硬岩地质机械成孔微型桩技术及应用J.西部探矿工程,2 0 2 0,32(0 2):12-15.5生态环境部环境标准研究所.城镇污水处理厂污染物排放标准：GB189182002S.北京：中国标准出版社,2 0 0 2.6金鹏康、宋利.城市污水处理过程中不同形态氮类营养物的转化特性D.西安：西安建筑科技大学,2 0 15.7全国海洋标准化技术委员会。海洋工程环境影响评价技术导则：GB/T194852014S.北京：中国标准出版社，2 0 14.2023.NO.4.33