輸電線路鋼管樁基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

鄭衛(wèi)鋒，馮自霞，魯先龍

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100055)

0 引言

在農(nóng)網(wǎng)改造特別是城鎮(zhèn)電網(wǎng)改造工程中，電力鋼管塔代替水泥桿在輸電線路中已越來越被廣泛應(yīng)用。鋼管塔通常采用獨(dú)立式鋼筋混凝土基礎(chǔ)，但此基礎(chǔ)占地面積大、基槽開挖尺寸大、混凝土用量多，對(duì)城市道路、地下市政設(shè)施及附近建筑物影響較大［1-6］。

為方便農(nóng)網(wǎng)或城鎮(zhèn)電網(wǎng)輸配電線路的改造，解決城區(qū)輸電線路基礎(chǔ)施工的矛盾，確保線路安裝便捷，提出采用鋼管樁基礎(chǔ)代替獨(dú)立式鋼筋混凝土基礎(chǔ)。鋼管樁基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)在于:在水泥桿原位換桿打樁不影響原線路布局;占地少，不受地形限制，對(duì)附近建筑物沒有影響;停電時(shí)間短，當(dāng)天施工當(dāng)天送電;打樁機(jī)不用外接電源，不受野外施工沒有電源的影響。

然而，埋置于土體中的輸電線路鋼管樁基礎(chǔ)的承載特性能否滿足設(shè)計(jì)要求，目前尚未有明確的定論，因此需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)，以獲得鋼管樁基礎(chǔ)的水平承載力、抗拔承載力、抗壓承載力值，為其在農(nóng)網(wǎng)改造中的應(yīng)用提供第一手技術(shù)資料。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)選擇在河北霸州某設(shè)備制造廠院內(nèi)，廠區(qū)場(chǎng)地屬河流沖擊平原區(qū)，地勢(shì)平坦，地貌單一，廠區(qū)相對(duì)高程為－0.3～－0.45 m?？碧缴疃确秶鷥?nèi)揭露天然地層屬第四紀(jì)全新統(tǒng)河流沖積夾湖積地層，土質(zhì)以粉土、粉質(zhì)粘土和細(xì)砂為主，表層有耕植土。廠區(qū)地層特征及其分布規(guī)律自上而下分別如下。

①粉質(zhì)粘土夾薄層粉土:層厚2.7～5.7 m，黃灰色，不均勻，可塑，包含銹斑。上部粉土較多，層底部有灰黑色粘性土，含有少量貝殼。粘性土具有高壓縮性，光澤反應(yīng)稍有光滑，無搖振反應(yīng)，中等強(qiáng)度，中等韌性。

②粉土:層厚0～2.6 m，灰黃色，均勻，中密，濕～稍濕。無光澤反應(yīng)，中等搖振反應(yīng)，低強(qiáng)度，低韌性。該層土僅在西部區(qū)域鉆孔有揭露。

③細(xì)砂:層厚0.1 ～18.7 m，黃灰色、灰色，均勻，中密～密實(shí)。上部有粉砂，多為細(xì)砂，級(jí)配良好，土性較好。

以上各層土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

廠區(qū)內(nèi)地下水為季節(jié)性孔隙潛水型，水位受季節(jié)、降水等因素影響會(huì)有所升降，試驗(yàn)期間地下水穩(wěn)定水位高程為－12.6～－12.76 m。廠區(qū)地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性。冬季期間場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍深0.7 m。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Main parameters of soils

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸

現(xiàn)場(chǎng)分別進(jìn)行了3根鋼管樁的水平試驗(yàn)、3根鋼管樁的下壓試驗(yàn)、3根鋼管樁的抗拔試驗(yàn)，共計(jì)9基試驗(yàn)。其中水平試驗(yàn)采用φ920 mm埋深5 m的鋼管樁，抗拔、抗壓試驗(yàn)采用φ720 mm埋深5 m的鋼管樁，壁厚均為5 mm。

1.3 基礎(chǔ)施工

鋼管樁基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)施工選擇在冬季進(jìn)行，施工機(jī)械設(shè)備采用上海工程機(jī)械廠生產(chǎn)的D-18、D-25筒式導(dǎo)桿式機(jī)械燃油打樁機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)主要施工流程與施工工藝如下。

(1)技術(shù)員在施工前按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，對(duì)樁基礎(chǔ)和配套的法蘭尺寸、螺栓、螺母等各項(xiàng)技術(shù)要求進(jìn)行復(fù)核是否符合設(shè)計(jì)要求，然后檢查樁位的準(zhǔn)確位置和方向樁的角度是否正確，確認(rèn)無誤后安排機(jī)械設(shè)備到場(chǎng)進(jìn)行開工準(zhǔn)備。

(2)機(jī)械設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)指定位置后，對(duì)車輛的穩(wěn)定進(jìn)行機(jī)械加固，確認(rèn)穩(wěn)定后按以下工藝進(jìn)行操作:升起降工作架;提錘;吊樁，錘到達(dá)一定高度后，由吊車將樁基礎(chǔ)放入錘的下方，對(duì)樁基礎(chǔ)準(zhǔn)確樁位的線路方向、垂直度進(jìn)行校核，確認(rèn)后由登高人員拔插板放錘壓樁;壓樁后檢查打樁機(jī)、燃油開關(guān)及操作掛繩等是否正常;樁基礎(chǔ)打平后，提錘放升降架收車，將樁管內(nèi)填滿土。

1.4 試驗(yàn)加載方案

抗壓試驗(yàn)采用錨樁法，如圖1所示;抗拔試驗(yàn)時(shí)利用原始地面做抗壓承載力，如圖2所示;水平試驗(yàn)時(shí)利用試驗(yàn)完畢的抗拔樁、抗壓樁提供試驗(yàn)反力。

試驗(yàn)采用慢速荷載維持法，試驗(yàn)加荷等級(jí)由RSJYC型樁基靜載荷測(cè)試分析系統(tǒng)自動(dòng)控制，但在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，可根據(jù)以往類似試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)加載初期的低荷載采用快速荷載法。

水平試驗(yàn)終止加載的標(biāo)準(zhǔn)為:樁身折斷、水平位移超過30 mm、水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值。

圖1 抗壓試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of compression loading device

圖2 抗拔試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sketch of uplift loading device

抗壓與抗拔試驗(yàn)終止加載的標(biāo)準(zhǔn)為:某級(jí)荷載作用下，樁頂位移量大于前一級(jí)荷載作用下位移量的5倍;某級(jí)荷載作用下，樁頂位移量大于前一級(jí)荷載作用下位移量的2倍，且經(jīng)24 h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)荷載-位移曲線呈緩變型時(shí)，可加載至樁頂總沉降量60～80 mm，上拔位移以40 mm控制。

具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見相關(guān)規(guī)范［7-10］。

試驗(yàn)極限承載力統(tǒng)計(jì)值的確定應(yīng)符合下列規(guī)定:參加統(tǒng)計(jì)的試樁結(jié)果，當(dāng)滿足其級(jí)差不超過平均值的30%時(shí)，取其平均值;當(dāng)級(jí)差超過平均值的30%時(shí)，應(yīng)分析級(jí)差過大的原因，結(jié)合工程具體情況綜合確定，必要時(shí)可增加試樁數(shù)量;對(duì)樁數(shù)為3根或3根以下的柱下承臺(tái)，或工程樁抽檢數(shù)量少于3根時(shí)，應(yīng)取低值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼管樁基礎(chǔ)的荷載位移曲線

圖3為3根鋼管樁基礎(chǔ)的水平試驗(yàn)時(shí)的水平位移和荷載關(guān)系曲線。取水平位移10 mm對(duì)應(yīng)的荷載為水平極限荷載。鋼管樁基礎(chǔ)水平極限承載力統(tǒng)計(jì)值為254 kN，如表2所示。

圖3 鋼管樁基礎(chǔ)水平試驗(yàn)荷載位移曲線Fig.3 Curves of lateral load versus displacement for steel pile foundation

圖4為3根鋼管樁基礎(chǔ)的抗壓試驗(yàn)荷載和位移關(guān)系曲線。取曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載值為抗壓極限承載力。鋼管樁基礎(chǔ)的單樁抗壓極限承載力統(tǒng)計(jì)值為867 kN，如表3所示。

圖4 鋼管樁基礎(chǔ)下壓試驗(yàn)荷載和位移關(guān)系曲線Fig.4 Curves of compression load versus displacement for steel pile foundation

表3 鋼管樁基礎(chǔ)下壓承載力統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Compression bearing capacity of steel pile foundation

圖5為3根鋼管樁基礎(chǔ)的上拔試驗(yàn)荷載和位移關(guān)系曲線。若本級(jí)荷載的上拔位移為5倍于前1級(jí)位移時(shí)，取本級(jí)荷載為抗拔極限承載力。鋼管樁基礎(chǔ)的單樁抗拔極限承載力統(tǒng)計(jì)值為317 kN，如表4所示。

圖5 鋼管樁基礎(chǔ)上拔試驗(yàn)荷載和位移關(guān)系曲線Fig.5 Curves of uplift load versus displacement for steel pile foundation

表4 鋼管樁基礎(chǔ)上拔承載力統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Uplift bearing capacity of steel pile foundation

2.2 鋼管樁基礎(chǔ)的極限承載力

通過鋼管樁的荷載位移關(guān)系曲線可得，對(duì)于φ920 mm埋深5 m的鋼管樁，其水平極限承載力為254 kN。由于施工與試驗(yàn)均在冬季進(jìn)行，場(chǎng)地表層土有凍結(jié)現(xiàn)象，試驗(yàn)得到的水平極限承載力可能部分偏大，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)折減取值。

對(duì)于φ720 mm埋深5 m的鋼管樁，其抗壓極限承載力為867 kN，其抗拔極限承載力為317 kN。在抗壓與抗拔試驗(yàn)過程中，鋼管樁周圍的表層土體位移變化量很小，可忽略不計(jì)，因此鋼管樁的抗拔承載力主要與樁周土體的極限側(cè)阻力有關(guān)，而鋼管樁的抗壓承載力主要與樁周土體的極限側(cè)阻力、樁底土體的極限端阻力值有關(guān)。

3 結(jié)語

目前，鋼管樁基礎(chǔ)主要應(yīng)用在10 kV以上的農(nóng)網(wǎng)改造工程中。鋼管樁與上部鋼管塔之間的連接方式往往采用法蘭盤連接，同時(shí)增加混凝土基座，進(jìn)一步增加鋼管樁的抗傾覆能力，減少桿塔傾斜，可用于受荷較大的轉(zhuǎn)角塔、終端塔。

鋼管樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)為其在城鎮(zhèn)電網(wǎng)建設(shè)和改造中廣泛、安全應(yīng)用提供了第一手技術(shù)資料，為今后類似工程提供參考。

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