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钢管杆输电线路中钢管桩基础的应用

  一、引言

  输电线路工程设计中经常会用到钢管杆结构形式,钢管基础的形式应根据线路沿线的地形、地质、材料来源、施工条件和杆塔形式等因素综合确定。钢管杆较常用的基础形式有种: 台阶式基础、钻孔灌注桩基础和预制桩基础(点击蓝字查看输电线路几种常规基础型式简介)。

电力钢管杆.jpg

  台阶式基础用于开挖比较容易的地区。选用这种基础时, 一般在现场附近应具有砂、石、水的地区, 并可根据节约混凝土用量, 降低造价的原则合理选定混凝土或普通钢筋混凝土基础。

  钻孔灌注桩基础适用地质条件较差的地基,它是一种深基础的型式,这类基础系指用专门的机具钻(冲)成较深孔,以水头或水压力和泥浆护壁,放入钢筋骨架浇注混凝土的桩基。如杆塔位于跨河地段的淤泥、泥沙等软弱地基而且在技术经济上使用浅基础不合理时, 可考虑使用。

  预制桩基础包括钢桩及混凝土桩, 适用于钻孔、掏挖均难以成型且承载力很低的地基情况。钢管桩基础大直径钢管桩,这类基础埋置于原装土土体内,依靠桩侧土压力能承受较大倾覆力矩。具有较大的承载力、相对简单方便的沉桩工艺与良好的抗弯能力。

  对于新建线路,要根据工程实际情况,对不同的基础形式进行了技术经济方面的比较后,确定基础形式。

  对于许多处于城区的线路改造来说, 老线路由于多年的负荷发展和地理位置限制, 线路改变路径及改变杆位相当困难, 并且由于保障供电, 要求改造停电时间尽量短,若采用现浇钢筋混凝土基础,在施工过程中需要大面积开挖,基础浇铸完毕后还要满足长时间的保养期要求;而现在城市的各种地下管道越来越多,很难找到合适的塔位,长时间的大面积开挖不能符合城建要求,也会影响整个工程的进度。 此时宜采用钢桩基础。

  二、钢桩构造、型式及规格

  钢桩由钢管、企口榫槽、企口榫销构成,钢管直径的左端管壁上竖向连接企口槽,企口槽的横断面为一边开口的方框形,在企口槽的侧面设有加强筋,钢管直径的右端管壁上且偏半径位置竖向连接有企口销,企口销的槽断面为工字形的一种桩基。

  钢桩的管材,一般用普通碳素钢,抗拉强度为402MPa,屈服强度235.2MPa,或按设计要求选用。按加工工艺区分,有螺旋缝钢管和直缝钢管两种,由于螺旋缝钢管刚度大,工程上使用较多。为便于运输和受桩架高度所限,钢桩常分别由一根上节桩,一根下节桩和若干根中节桩组合而成。钢桩的下口有开口和闭口之分。钢桩的直径自φ406.4~φ2032.0mm,壁厚自6~25mm不等,应根据工程地质、荷载、基础平面、上部荷载以及施工条件综合考虑后加以选择。

  钢管杆与钢管桩采用插入式锚固或法兰连接两种方法。钢管桩截面形式由于输电线路工程所用钢管桩一般直径较大,考虑加工制造便利以及与上部钢管杆套接时相匹配的因素,钢管桩的截面宜选用与钢管杆相同的多边形形式。钢管桩壁厚选择钢管桩的壁厚需考虑工程寿命周期内的腐蚀量。

  三、钢管桩基础的适用条件及优点

  根据工程实践,在软土地基,尤其是较厚的淤泥质黏土地基中,采用钢管桩基的造价会低于灌注桩基础。同时钢管桩基础在施工周期、施工便捷性、桩基质量控制等方面均优于灌注桩基础。由于受钢管桩沉桩施工工艺的限制,钢管桩基础型式目前还只能应用在沼泽地、松散的粘土等地质较好的条件下。

  钢管桩基础的优点:

  1、钢管桩能承受强大的冲击力。由于能承受强大的冲击力,因此其穿透和贯入性能优越。可能根据设计需要贯入到坚实支承层中。

  2、承载能力大。由于钢材屈服强度高,所以只要将桩沉设到坚实支承层上,便可获得很大的承载力。

  3、水平阻力大,抗横向力强。由于钢管桩的断面刚度大,对抵抗弯矩作用的抵抗矩也大,所以能承受很大的水平力。

  4、设计灵活性大。可以根据需要,变更钢管桩的每根单管的壁厚;还可以根据需要,选定适用设计承载要求的外径。

  5、桩长容易调节。当作为桩尖支承层的层面起伏不平时,已准备好的桩会出现或长或短的情况。由于钢管桩可以自由地焊接接长或气割切短,所以很容易设计桩的长度。

  6、与上部结构容易结合。通过将钢筋预先焊于桩上部,钢管桩很容易与上部的承台混凝土结合。也可以直接同上部结构相焊接,因而保证上下共同工作。

  7、搬运、堆放操作容易。

  8、通过在桩顶部套入承台,抵抗桩顶水平位移,有效减小钢管桩的直径。套入承台不配筋,施工方便快捷。

  9、节省工程费用、缩短工期。钢管桩是最适合快速施工的基础,节省工程费用,因此其综合经济效益高。

  四、钢管桩基础的受力分析

  根据桩基的分类,钢管杆用的钢管桩基础属大直径桩、摩擦型桩、部分挤土桩、敞口型钢管桩基。针对钢管杆的荷载特点,钢管桩基要具有足够的水平承载力、抗倾覆能力以及下压承载力。其承载力主要取决于钢管桩基的三个尺寸参数:桩入土深度h、桩径d、桩壁厚t以及持力层内土的力学参数。

  4.1、钢管桩下压承载力因为是摩擦型桩,其下压承载力主要是由桩周的原状土提供的桩侧阻力。其大小取决于桩的入土深度和桩径。一般因桩径较大(需大于钢管杆的根径)、桩入土较深,下压承载力不成为控制条件。

  4.2、钢管桩抗倾覆承载力由于上部钢管杆与底部钢管桩基是插接连接或法兰连接的,属刚性连接。其整体的倾覆稳定可参考电杆基础倾覆稳定计算的模型。该模型认为极限倾覆力矩是假定桩侧的土壤达到土压力极限平衡状态时提供的承载力。在软土地基中,土压力参数较低,故抗倾覆承载力一般成为,钢管桩基础的主要控制条件。

  4.3、钢管桩水平承载力水平作用力下引起的桩基内力和变位达到正常使用极限状态时,即为桩的水平承载力。根据桩基的特点。影响单桩水平承载力的因素很多,包括桩的截面刚度、材料强度、桩侧土质条件、桩的人土深度以及桩顶约束情况等。特别是钢管杆属于高耸结构,对水平位移有控制要求。故水平承载力引起的基础桩顶位移量也是钢管桩基础的主要控制条件。钢管桩水平承载力主要受以下几个方面影响:

  4.3.1、桩身强度和刚度对于抗弯性能较强的钢管桩,其单桩承载水平力主要是由位移控制的。在水平荷载作用下,桩身虽然未断裂,但当桩侧土体显著隆起,或桩顶水平位移大大超过上部结构的允许值时,也应该认为桩已达到水平承载力的极限状态。桩身强度控制和桩顶水平位移均控制两种工况,均受桩侧土水平抗力系数的比例系数m的影响。

  4.3.2、桩侧土质条件,桩侧土质愈好,其水平抗力愈大,或地基上水平抗力系数愈大,桩的水平承载能力就愈高,尤其是桩侧表层土(3~4倍桩径范围内)的承载能力极大地影响桩身的水平承载力。因此,当表层土较差时,可采取回填碎石夯实等改良加固表层土的方案进行处理,可较大地提高桩身的水平承载力。

  4.3.3、桩顶约束条件地基土的水平抗力系数随桩身水平位移的增大呈指数衰减。因此,对桩顶水平位移的约束愈好,则桩侧土的水平抗力愈大。在其他条件都相同的情况下,桩顶约束时的水平位移要比桩顶自由时减少了60%左右。

  4.3.4、桩的入土深度随着桩的入土深度增大,桩侧土将获得足够的嵌固作用,使地面位移趋于最小。当桩的入土深度较小时,桩侧土嵌固作用不足,地面位移很可能大到为上部结构所不容许,同时桩底也有相当大的力矩和位移,而要求桩底土对其有足够的嵌固能力。但当桩的人土深度达到一定值时,再增加桩的入土深度,对桩的水平承载力不再起作用。因此,在工程中无限地利用增加桩的入土深度来提高基桩的水平承载力是不可取的。

  五、钢管桩基础的设计方法

  5.1、确定桩径根据上部钢管杆的根径确定钢桩的适宜直径.在满足与钢管杆插接或法兰连接的要求下应尽量小,因为桩径对钢桩的总重影响较大。

  5.2、倾覆稳定计算根据DL/T5219-2014《架空送电线路基础设计技术规定》中的6.1条,按电杆基础倾覆稳定计算,确定所需的桩入土深度h。

  5.3、桩内力和变位计算根据桩的几何参数和桩侧土参数计算出桩的水平变形系数α(参见DL/T5219-2014《架空送电线路基础设计技术规定》中的9.6条,公式9.6.2),如果αh<2.5,则桩应视为刚性桩;如果αh>2.5,则桩应视为弹性桩。刚性桩应按《架空送电线路基础设计技术规定》中的附录G“原状土基础刚性基柱考虑土抗力时侧向弯矩的近似计算”进行内力和变位计算;而弹性桩则应按附录J“水平荷载作用下桩的内力、位移计算”进行内力和变位计算。

  5.4、桩身及土稳定校验根据上述计算得到的内力和变位进行桩顶位移、桩侧土压力稳定、桩底土承载力、桩身强度、桩壁厚等各项校验。

  六、钢管桩基础的优化措施

  6.1、增加桩基刚度尤其是上部的刚度

  具体做法为在桩内填充回填土并在头部内浇注20cm的混凝土,以增大桩的刚度。同时在桩头部的最大弯矩发生处,浇制混凝土卡盘,以增大抗倾覆作用。

  6.2、改善桩上部土质

  在卡盘的开挖基坑部分采用回填土或碎石夯实,以替换原来的软土,达到改善桩侧土质、提高m值的目的。

  6.3、增加桩顶约束

  如果桩基位于公路绿化带内,绿化带两侧的道路硬化路面可对桩顶形成很好的约束作用。尤其是利用卡盘和两侧公路的嵌固作用后,可大大增强了顶部约束作用。通过上述措施,可使桩顶位移量低于理论计算值。因为理论计算值是建立在桩顶自由的条件下的,故在对钢管桩选型计算时水平位移量的限制适当放宽,从而减少钢桩的人土深度,降低桩的耗钢量。

  七、施工方法

  钢管桩的施工方案有很多种,但是运用比较广泛的是机械钻孔法和静压法钻孔,以下就对这两种方法进行简单介绍:

  机械钻孔法:此法就是将钻机紧贴基土钻孔,在机械钻到设计所需深度时放入钢管桩,因为桩体直径较大,为防止塌方,必须在钢管桩与地基接触内外浇筑水泥浆进行加固。此法的缺点就是噪音大,工程周期长,使用费用高,工程占地面积大;优点为局限性小,在任何土质上都可以使用。

  静压法:此法是使用静压机采取垂直静压的方法将桩体压入基土,此法的优点为产生噪音小,压制速度快,工程周期短,费用低;但是静压法由于静压机机械本身的局限性,只适用于水分高,孔隙大的软土。

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2018-11-24

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