單樁鐵塔基礎設計與計算分析

王金英

摘要：本文主要剖析單樁鐵塔基礎的計算原理，剖析單樁鐵塔基礎的計算過程，及指出設計中的注意事項，以便在使以后的設計中更為準確、快捷。

關鍵詞：鐵塔；單樁基礎；配筋計算分析

前言

近些年來，隨著供電電壓等級的不斷提高，鐵塔基礎承受外力越來越大，基礎體積、材料消耗、工程量也隨之增加。據有關資料介紹，輸電線路基礎施工工期約占整個工程一半時間?；A設計是線路工程設計的重點。在工程設計中，鐵塔基礎的主要型式有灌注樁基礎、大開挖重力式基礎、山區地基?；A型式應根據桿塔型式及其受力情況，沿線地形，工程地質，水文以及施工、運輸等條件進行綜合考慮確定。樁基礎樁型式應根據建筑結構類型、荷載性質、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層土類、地下水位、施工設備、施工環境、施工經驗、制樁材料供應條件等，選擇經濟合理、安全適用的樁型和成樁工藝。

1.工程概況

擬建輸電線路工程起始于東營經濟開發區康陽路東營煙草配送中心附近的G14塔，線路總長約13km，共設鐵塔87座，單座鐵塔荷載850×4kN，沿線周圍大部為開發區綠化帶，部分為荒地。擬建場地地勢較平坦，地貌單元單一。場地抗震設防烈度為7度，擬建場地的穩定性較好。110DSn-15為其中一座110KV傘形終端鐵塔，對應的塔號為G96。鐵塔基本參數：基礎根開4650mm，螺栓間距300mm，地腳螺栓4M16，基礎作用力上拔力750KN，下壓力865KN，水平力91KN。

2.基礎選型

1）供電線路鐵塔主要承受上拔力和下壓力，其X-和Y-方向的水平力較小，一般不會對結構造成影響。

2）現在成樁機械較為普遍，施工快捷，避免大開挖對周圍環境及建筑物的影響，因而該鐵塔基礎選用單樁基礎，即采用一根樁（通常為大直徑樁）以承受和傳遞上部結構荷載的基礎。

3.基礎計算

3.1單樁直徑的確定

根據鐵塔地腳螺栓的直徑、螺栓間距、以及螺栓邊緣距混凝土的最小距離確定單樁基礎的直徑D。例如據表-1計算樁徑最小值d=2×300（螺栓間距）+30×2+150×2=784.2mm，因而取樁徑D=800mm。

3.2樁長的確定

查閱地質資料據確定樁端持力層的最小深度以及計算在此深度處的樁側阻力。樁端持力層的選擇原則及樁端進入持力層的最小深度主要考慮了在各類持力層中成樁的可能性和盡量提高樁端阻力的要求。

3.3.樁基承載力計算分析

鐵塔基礎主要承受上拔力和下壓力，因而在地坪處會產生傾覆彎矩。當地下結構的重量小于所受的浮力（如地下車庫、水池放空時）或高聳結構（如輸電線塔等）受到較大的傾覆彎矩時，就需要設置抗拔樁基礎。

（1）基樁的抗拔極限承載力標準值通過現場單樁上拔荷載試驗確定，如無當地經驗時基樁的抗拔承載力可按下列規定計算：

對二、三級建筑樁基，基樁的抗拔極限承載力標準值可按下式計算：

Uk = ∑λi qsik ui li

其中：

Uk—基樁的抗拔極限承載力標準值（kN）；

λi—抗拔系數，設計中樁長大于12m取0.80，小于12m取0.7。

qsik—樁側第i層土的極限側阻力標準值（kPa）；

ui—破壞表面周長； u1=πd=3.14×0.8=2.512m；

li—分層樁長（m）。

110DSn-15為110KV傘形終端鐵塔，以該塔型為例，結合場地地基土性能情況，選取第6層粉土作為鉆孔灌注樁的樁端持力層，在樁長取20.0m，樁徑為800mm，樁頂埋深為0.0m的條件下，分別計算出基樁的抗拔極限承載力標準值，見表-1。

綜合：110DSn-15鐵塔樁頂埋深為0.0m，樁徑為800mm，樁長取20.0m，鉆孔灌注樁的抗拔極限承載力標準值取2349kN。

單樁豎向承載力特征值R為R=2349/2=1174.5KN。

（2）基礎的抗拔穩定應符合下式要求：

N≤G/ K1+Go / K2

為使設計更為合理，在具體設計計算中上拔力按如下公式進行驗算：

N≤R/ K2

舉例：110DSn-15V傘形終端塔基礎作用力：水平力Q = 91KN；上拔力N1 = 750KN；下壓力N2 = 865KN。

750KN ≤ R/K2 = 1174.5KN/1.5 = 783 KN；

通過上述結果可以看出上拔力能夠滿足要求。

（3）基礎的傾覆穩定應符合下式要求：

K3F0≤Fj； K3M0≤Mj

基礎的上拔和傾覆穩定設計安全系數，根據不同的桿塔類型，按《66kv及以下架空線路設計規范》中表10.0.10采用。

3.4.樁基配筋計算分析

配筋計算主要是進行樁截面的壓彎承載力計算，由基礎作用力設計值：水平力設計值Q；軸向力設計值NK；借助利用pkpm軟件，計算配筋和構造配筋進行比較得知：計算配筋大于構造配筋，故按計算配筋進行結構設計。

送電線路采用的鋼筋混凝土基礎，由于耐久性和受現場施工條件限制，其截面尺寸均較大，計算所需要的鋼筋的截面面積相對較小，一般采用構造配筋。但須進行精確計算分析比較后取用。

4.結論及體會

1）持力層應充分考慮后再選定。同一土層，對荷載小的基礎是很好的持力層，而對荷載較大的基礎則可能不適于做持力層。

2）對承受較大上拔力的鐵塔基礎，為了充分發揮土體的抗拔能力，應盡量深埋，在確定樁長時需進行多次試算，但不應超過抗拔土體的臨界深度，從而選取受力恰當、經濟合理的樁長。

3）樁的抗拔側阻力與抗壓側阻力有相似之處，但隨著上拔量的增加，其阻力會因土層松動，及側面積減少等原因而低于抗壓側阻力，故利用抗壓側阻力確定抗拔側阻力時，需引入抗壓極限側阻力系數，即抗拔系數。

4）單樁豎向極限承載力除以安全系數2，為單樁豎向承載力特征值R，用以驗算樁徑及樁長是否滿足承載力上拔力要求。

5）在樁基抗拔和傾覆穩定計算中，表-4中不同的桿塔類型，基礎的上拔和傾覆穩定設計安全系數都大于1，而且有的桿塔所對應的數值相對較大，在設計中應嚴格按照規范進行取值，保證設計的安全可靠性。

參考文獻：

[1]王肇民主編.高聳結構設計手冊.北京：中國建筑工業出版社，1995

[2]王傳志，騰智名主編.鋼筋混凝土結構理論.北京：中國建筑工業出版社，1985

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