1、概述
高压输电线路基础普遍采用实心桩基础，基础埋深经常超过10米。掏挖过程中遇到夹砂层，经常塌孔，造成人员伤亡和重复工作。为了减少塌孔，提高安全性，提出本新型基础：筒桩基础。
筒桩基础提高了安全性，投资减少了8%。由于直径增大，塌孔概率减少30%以上，安全效益明显。
项目来源：本项目任务是来源于《国家电网公司2016年公司依托工程基建新技术研究应用项目的通知》。 按国家电网公司任务要求开展本次研究。本项目属于国家级重要课题。本次研究经费110万元。
2、 筒桩基础桩身内力理论计算与有限元模拟
2.1 桩身内力理论计算
筒桩的桩身内力计算模型如图2-1所示，其中、分别为筒桩外、内直径，h为基础埋深（入土桩长），e为基础露头高度，l为总桩长，F为荷载效应基本组合下的桩顶轴向作用力设计值，H为荷载效应基本组合下的桩顶水平力合力设计值。
当筒桩为弹性桩时，其换算埋深应满足式（2-1）的要求；当筒桩为刚性桩时，其换算埋深应满足式（2-2）的要求。
式中：α——筒桩基础的水平变形系数，按式（2-34）确定。
（1）筒桩为弹性桩时的桩身内力计算：
基于弹性桩计算的“m”法，筒桩基础的挠曲微分方程为
将筒桩按土层变化和横截面变化进行单元划分，如图3-2所示。按文克尔假定，第j段桩身的挠曲微分方程为：
令
，则能得到第j段桩身的挠曲微分方程简化公式：
式中：bj——第j段桩身的计算宽度；
EjIj——第j段桩身的抗弯刚度；
z0j——第j段桩身顶截面处土的抗力情况参数；
mj——第j段桩身桩侧地基土水平抗力系数的比例系数。
可用幂级数解法求解上述方程，其解析解表达式为
写成矩阵形式为：
其中：
亦可写成：
筒桩基础位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式为：
实际工程中往往只知道基础顶部弯矩M0和剪力Q0而位移x0和转角φ0未知，故不能直接用式2-12求解，为此，需要利用基础底部边界约束条件确定x0和φ0。
在桩底，即y=ι时，Xy=X1,φy，My=Mι,Qy=Q1。桩底边界条件即利用这些变量并根据下端的支承或者固着情况来建立。
桩底支承于土层或岩面上
下端支承于土层或岩面上的桩，当其受横向力作用而发生扰曲变形时，桩底也可能会转动和发生横向位移，即φ1和X1均可能不为零，此时将相应的引起M1和Q1。由φ1对应的M1和X1对应的Q1建立两个边界条件，x0和φ0便可求得。
2.2 桩身内力有限元模拟
为了校核桩身内力理论简化计算的合理性，采用大型商用有限元程序ABAQUS对桩身内力进行了模拟分析和结果比对。
筒桩桩体混凝土的本构模型为线弹性模型，黄土地基土体的本构模型为Mohr-Coulomb模型，桩和地基土体均采用C3D8R（三维八节点六面体线性减缩积分单元）进行模拟。桩底与土体的接触面类型为法向硬（hard）接触和切向（Frictionless）接触，桩身与土的接触面类型为硬（hard）接触和切向罚函数（penalty）接触，摩擦系数取值为0.5。
上拔+水平荷载工况下，按环形截面进行简化的理论计算、ABAQUS有限元数值模拟分析、按实心圆形截面理论计算得到的筒桩基础桩身弯矩、剪力沿埋深的分布结果对比如图2-6所示。从图2-6中可以看出：
（1）按环形截面进行简化的理论计算结果与ABAQUS有限元数值模拟的分析结果基本一致，误差在3%以内，可见筒桩基础桩身内力可以按环形截面进行简化计算。
（2）筒桩基础的桩身内力与实心挖孔灌注桩基础比较接近，误差在12%以内，说明空腔尺寸对筒桩基础的受力性状影响不很明显。
3、 结论
本文开展了输电线路黄土地基大荷载筒桩基础的设计计算方法研究，分析了其竖向和水平承载性状。通过ABAQUS有限元数值模拟分析和结果比对，验证了采用环形截面进行筒桩基础桩身内力简化计算的合理性。筒桩基础完全可以代替实心桩基础。
论文作者:王世杰 柴少磊 田源 李维 胡江涛 马冬波
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
标签：桩基础论文; 内力论文; 截面论文; 荷载论文; 理论论文; 弯矩论文; 基础论文; 《中国电气工程学报》2019年第3期论文;