山区输电线路新型索联板球基础设计研究

山区输电线路新型索联板球基础设计研究

王贯华余才阳

（国网台州供电公司浙江台州318000）

摘要：本文针对山区厚覆盖土层的地质条件，结合输电线路工程山区塔基基础设计及施工方案，创新提出了新型索联板球基础，从理论研究、承载力计算、细部结构设计等方面进行分析，并与普通大开挖板式基础进行技术经济比较，得出建议性结论。

关键词：山区；输电线路；锚索；板式基础；混凝土球体

一、上板承载力计算

（1）上板倾覆稳定计算

基础上板埋深较浅，基础侧向土压力的作用很小，因此，在进行基础上板的抗倾覆验算时一般不考虑基础侧向土压力，基础上板在下压力的作用下，一般由基础上板重力及上板受到的上部竖向力对底板边缘处的力矩维持平衡。参照相关规定中关于铁塔联合基础的倾覆稳定验算方法[1]，可知基础上板的极限倾覆力矩和水平力提供的倾覆力矩均是以底板边缘为转动支点进行计算的，由此可得，基础上板的倾覆稳定算公式。

当上板基础的埋深和底板尺寸确定后，其极限倾覆力矩Ma可按下式计算，在双向倾覆力矩作用时可分别进行计算：

（式1）

式中：l—与倾覆力方向平行的基础上板的长度；

K—倾覆稳定安全系数；

h—基础上板埋深；

h'—基础上板露出高度；

h”—钢垫板高度。

（2）基础上板水平抗滑移计算

由于上板埋置在土浅表层，埋置深度相对较浅，水平作用力对上板抗滑移稳定性影响大。

参照输电塔基础相关设计中挡土墙抗滑移稳定性计算公式以及挡土墙相关设计规范中锚碇墙的抗滑移验算公式可得索联板球基础上板水平抗滑移稳定性验算公式如下：

基础上板长向：

（式2）

基础上拔短向：

（式3）

其中：

（式4）

式中：

f—挡土墙底面与土地基之间的摩擦系数；

∑HX、∑Hy—基础上板受到两个方向的所有水平力，kN；

B—基础上板的宽度，m；

L—基础上板的长度，m；

Kc—基础上板抗滑移安全系数；

∑G—作用在基础上的全部垂直与水平面的力，kN；

C0—基础上板底面与粘土之间的粘聚力；

φ—挡土墙底面与土地基之间的摩擦角，（°）；

二、锚索球体抗拔分析

（1）上拔破坏机制分析

在锚索周围高压旋喷一定范围的水泥土，既能起到固定锚索的作用，也可以在一定程度上提高基础的极限抗拉承载力。浅埋球索基础的受力破坏过程分为三个阶段[2]：

第一阶段为静止土压力阶段。当基础受到的上拔荷载较小时，球索基础主要靠水泥土和周边粘土的摩阻力来抵抗上拔荷载的作用，球体受静止土压力的作用。此时基础上拔位移也比较小，锚索的变形主要由摩阻力决定。

第二阶段是过渡阶段。球体及水泥土的摩阻力达到上限值。水泥土柱底面和球体的顶点相切，水泥土周边为应力集中区域，当球索基础在受到上拔荷载的作用时，球体部分所受的上拔荷载增大，土体将产生剪应力和剪切变形，当土中某点的剪应力达到土体的抗剪强度时，该点的土体就会发生剪切破坏。当变形破坏开始发生时，水泥土边的土体就陆续出现剪切破坏。

第三阶段是塑性区扩张压密阶段。在这一阶段，随着球索基础上拔荷载的增大，球体位移也发生较大的变化，塑性区土体受外围土体围压约束，球体上拔不断将土体进行压缩，并进行应力状态和塑性区范围的调整。

（2）数值模拟分析

锚索球体是一种新型下部基础结构，在受到上拔荷载时，锚索联接的混凝土球体与周围土体之间的相互作用及土体在受到球体挤压后运动及破坏方式处于探索阶段，缺乏可供借鉴的研究的资料，尚需通过相似模型试验数值模拟进行分析。

为模拟索联板球基础在承受上拔、下压荷载后，土体和基础的应力和位移发展情况，本次分析按实际情况建模，并控制计算精度合理进行网格划分。土体本构关系选择符合实际情况的莫尔库伦模型，基础本身按线弹性材料考虑，其弹性模量按30GPa取值。为了更好的反映锚索的实际受力情况，本次锚杆单元采用植入式桁架单元进行模拟，主要承受拉力而不承受压力，同时为了更好的模拟板索基础受荷载作用下的实际位移及内力情况，本次模型主要采用实体单元来模拟，锚索采用1维单元来模拟，为了更好的保证土体、混凝土板以及锚索的连接，本次建模主要采用拓展的方式进行，这样可以最大限度的满足节点耦合的条件，使有限元模型能更好的反映实际受力情况。

图1基础上拔状态的位移及应力云图

在上拔荷载工况下，索联板球基础的各个方向的位移都满足相关设计要求，上混凝土板的各个方向位移相对稍大，立柱与板衔接位置存在应力集中现象。上拔荷载通过锚索直接传递给下部混凝土球体。

三、基础细部设计

（1）锚索的防腐设计

由于索联板球基础上拔荷载主要传力是通过锚索传递，因此锚索的承载能力及耐久性能直接影响整个基础的使用寿命。为了保证锚索基础的耐久性要求，我们对索联板球基础的锚索采用多股镀锌钢绞线组成，在钢绞线外面涂环氧树脂防腐涂料。

（2）基础的锚头设计

由于索联板球基础连接上部板和下部球体采用钢绞线连接，而钢绞线与混凝土板连接需要采用上下钢垫板来加大接触面积，防止出现过大的应力集中现象，而钢绞线与钢板的连接采用施加预应力方式连接，端头采用预应力夹片锚具固定，通过对钢绞线施加预应力，使上下混凝土通过钢绞线连接在一起。

（3）基础下部球体设计

基础下部采用弹簧扩体结构，扩张结构上下联板之间采用预拉力弹簧连接。当收紧状态时，弹簧处于拉伸状态，同时拉伸联杆，通过连杆间的滚轴穿进钢套管内，以便置于挖好的基坑中；当扩张状态时，通过刚性支撑杆顶住扩张体上联板，用软绳通过钢套管上的吊环上提，同时由于弹簧的压缩作用，使连杆扩张。

图2弹簧扩张结构工作示意图

四、结论

（1）新型索联板球基础荷载传递明确、基础受力易于分析，大大降低了板索基础设计难度。

（2）通过索联板球基础的理论研究和承载能力的有限元分析结果表明，索联板球基础的设计理论适用于该基础的设计计算，且能够满足工程设计实际情况的要求。

（3）混凝土球体与周围土体之间的相互作用及土体在受到球体挤压后运动及破坏方式处于探索阶段，应用前需进一步实验确定设计方案。

（4）本施工方法根本改变了施工和基础形式，节省了混凝土工程量，极大的降低了开挖土方量，减少了弃土，改善了劳动条件，缩短了施工工期，显著地节约了投资，使环境得到保护。

参考文献：

[1]孟建文.砂土地基输电塔基础设计研究.建筑科学与工程.2015

[2]丁栋.索联板球基础抗拔机理相似模型实验研究.兰州大学.2016