孫巖 馮麗 馬強
【摘 要】鉆孔灌注樁的應用,設計方法做以簡述,著重闡述了其承載力。穩定性及強度的計算方法,解決設計難點,使設計簡要明了。
【關鍵詞】輸電線路、灌注樁
【中圖分類號】TM621.5【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158(2013)07-0370-02
一、鉆孔灌注樁的應用
送電線路基礎中,在正常地質條件下,普遍采用“大開挖”式現澆鋼筋混凝土基礎,但在軟弱地基或跨河中普遍采用鉆孔灌注樁以保證送電桿塔安全。
二、鉆孔灌注樁的適用條件
送電線路桿塔處于下列位置時必須使用鉆孔灌注樁:
處于地下水位高的易產生流砂現象的粉砂、細砂和軟塑、流塑狀態的粘性地基的塔位;
處于設計洪水位高且有漂浮物危害的跨河段塔位。
三、鉆孔灌注樁基礎的設計計算項目
1.承受上拔力的單樁,計算樁的抗拔穩定性,并使樁頂處的設計上拔力T不大于單樁的允許上拔力[Ta];
2.承受下壓力的單樁,計算樁的下壓承載力,使樁頂的設計下壓力N不大于單樁的允許下壓力[Na],還應作凍切力的上拔穩定計算;
3.承受水平力和彎矩的單樁,計算樁身的最大彎矩Mmax及其作用位置Z以及樁側向的最大土壓力σz(max),并使其不大于側向上的容許承受力[σz];
4.樁身的正截面強度應按圓形偏心受拉或偏心受壓構件計算。
四、設計步驟
1.基礎設計的主要資料
水文地質資料:220kV及其以下線路30年一遇的最高洪水位為設計洪水位,洪水期間局部沖刷深度及水的縱向平均流速;
工程地質資料:基礎設計深度各土層內土的物理力學特性,包括天然容重、天然含水量、天然孔隙比、容許承載力R,凝聚力以及內摩阻角;
基礎作用力
設計最大風速時基礎上拔力(T)、下壓力(N)及風荷載(Hxy);
設計最高洪水時,取與最大風速時的條件組合
基礎作用力取最大風速時的0.75倍
動水壓力Qw=0.75KwγwUwD0/2g(KN/m)
Kw 基形系數 圓形取0.8
γw 水的容重 一般取10(KN/m3)
U w 水的縱向平均流速(m/s)
g 重力加速度取9.81(m/s)
漂浮物沖擊力Qw=Uw/gt (KN)
W 設計漂浮物重力(KN)
關于撞擊時間 一般取1秒
2.基礎型式
U 樁身截面的周長(m)
Τp 樁周土單位面積的加權平均極限摩阻力(KN/m2)
A 樁身截面的面積(m)
Σr 樁周土單位面積的極限承載力(KN/m2)
Q 設計地面以上樁身有效重力加上樁徑不小于1.0m時,設計地面以下樁身之半的重力(KN)
K1基礎穩定設計安全系數
容許上拔力[Ta]=(аb Uhτp+ Qf)/K1≥T
Аb 樁周土極限摩阻力的上拔折減系數 取0.6-0.8
Qf 樁身有效重力(KN)
凍切穩定性驗算
埋置于季節性凍土中的受壓樁基礎,尚應按下式驗算樁身受凍切力
作用的穩定性
τtAt≤[Ta]
τt 季節性凍土層中,樁周土的凍切力(KN/m)
At 季節性凍土層中,樁的側表面積At=πD0Z0(m)
Z0 標準凍結深度,鐵嶺境內取1.35m
4.樁穩定驗算
驗算最大洪水時的情況
計算參數
4.1基樁的計算寬度b
當樁基直徑D0>1.0m時,b=0.9(D0+1.0)
當樁基直徑D0≤1.0m時,b=0.9(1.5D0+0.5)
變形系數αm
M 樁側上的側向比例系數
EI 樁的抗彎鋼度,直線塔EI=0.8EhI 轉角終端塔EI=0.667 EhI
Eh 混凝土的彈性模量
I 樁截面的慣性矩I=πD0 /64
局部沖刷線處的樁身內力
由受力分析可知,樁身受水平力有風荷載Hxy、動力壓力Qw及漂浮物沖擊力Qw,根據理論力學原理可得:
切力Q0=Hxy+Qw+Qm
彎矩m0=Hxy(h0+ht)+ Qm(h0+ht)+ Qm(h0+ht)
4.2計算樁的最大彎矩Mmax和最大上壓力(бz)max及其位置z
根據《基礎規程》,按照m簡捷法計算規定,可計算出
求Mmax 根據αm=M0/Q0=CI由《基礎規程》附表B.7和B.8查對應的αmZ和CII,可求出Mmax=M0CII及其位置Z
求(бz)max 根據αm=M0/Q0=CIv由《基礎規程》附表B.10和B. 11查對應的αmZ和Cv,可求出(бz)max=αmQ0Cv /b及其位置Z
5.橫向穩定驗算
(бz)max應符合下列條件
當(бz)max的位置≤(h-h0)/3時
(бz)max≤4(γZtgφ+C)/K1COSφ
當(бz)max的位置>(h-h0)/3時
(бz)max≤4(γ(h-h0)tgφ/3+C)/K1COSφ
φ 樁側上的內摩阻角
C 樁側上的凝聚力(KN/m2)
Z 最大上壓力處自局部沖刷線算起的深度(m)
γ 樁側上的有效容量(KN/m3)
K1 設計安全系數
6.樁身強度驗算
也即樁身配筋驗算。根據材料力學原理,可知,送電線路中應用的鉆孔灌注樁屬于偏心受力構件,因此,其受拉樁和受壓樁強度分別按圓形偏心受拉和偏受壓構件計算。
受拉樁:由于在送電線路中的受拉樁的偏心矩е0>гg/2,根據力學原理,屬于圓形大偏心受拉構件,則其圓形正截面的縱向鋼筋的截面積總和Ag,可按下式計算:
Ag=α1AhRw/Rg
Ah 計算截面的混凝土面積(m)
Rw 混凝土的彎曲抗壓設計強度(KN/m)
α1 可根據П1和е0查《圓形截面配筋α1系數圖表》查得,其中:
П1=K4T0/ AhRw
е0=M0/T0
Rg 鋼筋抗拉得設計強度(KN/m2)
受壓樁:按圓形偏心受壓構件計算,其大小偏心可按下列方法判別:
當α≤0.5時,為圓形大偏心受壓構件
當α<0.5時,為圓形小偏心受壓構件
當樁身為圓形大偏心受壓構件時,其縱向鋼筋截面面積之和Ag為
Ag=α1(Ah Rw/Rg)
α 由β=е0/D0和П1=K4T0/ AhRw查《送電設計手冊》“圓形截面偏心構件用П1值”表可得
當樁身為圓形小偏心受壓構件(α>0.5)時,其Ag應符合下式:
K4N(е+гg) ≤(Ah Ra+η1RgAg)гg
η1 當е0≥гg時 η1=2/3
當е0=0時 η1=1.0
當е0<гg時 η1=1-е0/3гg
е0 縱向力對截面重心的偏心矩
Ra 混凝土的軸心抗壓設計強度(KN/m2)
Rg 鋼筋抗拉強度(KN/m2)
Гg 鋼筋與樁軸心的距離(m)
K4 鋼筋混凝土構件的強度安全系數
N 下壓力
五、計算分析
1.單樁的容許承載力:受壓樁由樁側上的摩阻力、樁端上的承載力和樁身的幾何尺寸決定,受拉樁由樁側上的摩阻力和樁自身重力決定,隨著它們增大而增大。當樁端承載力較大時,下壓樁可以減少如土深度或樁直徑,當樁端嵌入中等風化巖3d時,可不計摩阻力的影響;而當樁端上的承載力較小時,應增大如土深度或樁直徑,容許下壓力主要由摩阻力來完成。
2.單樁的橫向穩定性:主要由樁側上的內摩阻角(φ)和凝聚力(C)和樁身剛度決定。樁身的抗彎剛度EI越大,則所需的最大上壓力就越大,而樁側上的內摩角(φ)和凝聚力(C)越大,則提供給樁身的上壓力就越大,穩定性就越好。
3.樁身強度:主要由配筋率和鋼筋混凝土設計強度決定?!豆嘧兑幊獭吩试S范圍內,配筋率越大,樁身強度大;而鋼筋和混凝土設計強度取得越高,同樣條件下,所需配筋率可以減少。
參考文獻
[1] 中國電力出版社出版 張殿生主編《電力工程高壓送電線路設計手冊》
[2] 《架空送電線路基礎設計技術規定》DL/T5219-2005
[3] 《66kV及以下架空電力線路設計規范》GB50061-97