摘要：预应力高强度混凝土管桩在高压输电线路是一个较新应用，本文基于预应力管桩特点、作用机理及设计方法，结合某工程实例，对比常规钻孔灌注桩与管桩的基础设计方案，详细分析管桩基础的设计思路与方法，提出一些建议，供同行业人员参考。
关键词：高压架空；输电线路；预应力管桩；基础设计
引言
预应力混凝土管桩作为一种经济性好，单位承载力价格明显低于普通桩；施工快捷、方便、功效高；耐久性好；耐打性好，穿透力强；基础检测方便；工厂预制，成桩质量可靠等诸多优点于一身的桩型，在现代基建工程中得到了广泛的应用。在建筑、化工、港口、石油等行业，随着应用工程的增多及经验积累，已经日臻完善。但是，在电力建设行业，尤其是架空送电线路基础中的应用基本空白，积累经验更无从谈起。本文基于管桩应用特点、受力特性、适用性，结合笔者一个工程实例，积极探索预应力混凝土管桩在送电线路行业的应用可行性，与同行业者交流一些经验。
1、管桩的发展概述
预应力混凝土管桩是采用先张法预应力工艺和离心成型方法制成的一种圆管形钢筋混凝土预制桩。我国大约在80年代才走上预应力混凝土管桩研制与开发的路，广东省作为80年代改革开放的前沿阵地，在这方面也走在前列。王离[1]认为广东能成功推广应用预应力管桩的原因主要有七方面：工程建设的急需；地质条件的适宜；思想方法的端正；经济观念的更新；管桩自身的优点；科学技术的进步以及市场机制的激励。时至今日，混凝土管桩早已面向全国推广，是基建行业的主用桩型。
管桩广泛应用的背后也有其自身的缺点[2]，比如施工噪声大，不适于建筑密集地区施工；送桩长度有限；深基坑开挖截去余量多；挤土效应大，施工顺序要求高。
管桩的场地适用性较强，但也有一些地区不宜使用[3]：含有较多孤石和障碍物的地层；有不适宜作持力层且管桩又难以贯穿的坚硬夹层；基岩上无适合作管桩持力层的石灰岩地区；从松软地层突变到特别坚硬（N> 70）的地层。
通过扬长避短，尽管管桩的使用年限不长，但在改革开放以来的基建大潮中，该种桩型还是获得飞跃式的发展，使用过程中取得巨大的经济效益。
2、输电线路杆塔基础型式设计的影响因素分析
2.1 杆塔基础设计
通常来说杆塔基础设计，主要是指将地质与荷载等条件作为已知条件，并依托于科学的计算体系进行输电线路杆塔基础类型的选择与设计，并能够对最科学与合理的尺寸予以确定的全过程就是杆塔基础设计。
在对杆塔进行基础设计的过程中，需要考虑到工程所涉及的经济性因素与环保的因素，还需要对施工作用的难易度进行科学的考量。
2.2 输电线路杆塔基础设计的影响因素
在输电线路杆塔基础设计的影响因素中，除了需要考虑到经济、环境与施工作业的真实情况外，还需要对荷载的特征与地基承载的特征、基础承载所表现出来的特性进行分析，还有对基础承载、地质条件以及基础不均匀形变对杆塔承载力影响的程度进行分析与考量。
2.3 荷载的特征
通常情况下，在基础设计中，影响其设计的因素不仅仅只有各种荷载的大小与速率的变化，还需要将荷载本身所具有的特征，比如：荷载的偏心度与分布情况等方面，还需要对不同的安全系数与可靠性加以考量与分析。
2.4 地基承载的特征
通常情况下，地基的承载特征需要受到不同条件的作用而进行的强度与形变特征的影响，并且由于受到的影响不同，其发生的反应就有所不同。
2.5 基础承载所表现出来的特性
由于杆塔基础与地基是互相作用的共同承载体，在对其进行设计的过程中需要依托于地基的承载特性，在保证其他方面不受破坏的同时，对深度的处理有所变化。这就需要对荷载的特性与基础材料的特性相结合进行综合性的考量。
2.6 地质条件的影响
地质条件，是对输电线路杆塔基础型式设计中需要考虑的重要因素，根据地质条件的实际情况，能够对土层的分布情况与应力的状态进行合理与科学的设计。
2.7 基础不均匀形变对输电线路杆塔承载力的影响
一般来说，杆塔基础同地基与杆塔结构是一个相互作用的整体，如果杆塔基础发生不均匀的沉降问题，就会促使结构内力的不均匀，这就会产生其他的附加式作用力在其中，导致输电线路杆塔承载力的增加[4]。
3、管桩的作用机理与设计方法
3.1 管桩的作用机理
管桩的作用机理主要是三种效应：摩擦效应、挤土效应、土塞效应。桩成于土中，在界面间产生摩擦，抵抗上拔或者下压；桩施工过程中，通过外力将桩强行打（压）入土体中，这样就不可避免地产生挤土效应；管桩桩体中空，当采用开口管桩时，在沉桩过程中，一部分土体就会进入管桩内腔，形成土塞，产生土塞效应。这三种效应直接影响管桩竖向承载性能，水平承载力性状则与一般的灌注桩基础相同。
3.2 管桩竖向承载力验算
桩基规范[5]规定预应力混凝土空心桩单桩竖向承载力标准值，按下式计算：
（1）
4、工程实例分析
广东某220kV送电线路工程，全线采用自立式单回路架空输电塔，单相导线截面为2x630mm2，设计基本风速为35m/s（15米高15年一遇），无冰。其中B19号塔立于垃圾填埋场，填埋深度较深。此塔位因靠近220kV则徐站，立塔位置受到限制，别无选择下只好立于垃圾场，且线行在此处将近90度转角，铁塔基础作用力较大。根据地质勘查报告，本塔地质情况见下表：
5、设计思考及基础方案
从表1所列地质，地面至13.5米均为垃圾填埋物，由生活垃圾、砖块及碎石组成，下面为1.3米硬塑土，即进入岩层。地质情况非常特殊，直接从回填物质层进入到较硬土层，常规基础设计首选还是考虑钻孔灌注桩基础。但是有几个问题需要仔细考虑：①水平承载力问题，铁塔水平作用力较大，而上覆回填物对桩身的侧向支持很小，侧向地基比例系数小，桩身的位移计算出来肯定较大，水平承载力提供主要是靠桩自身的强度与刚度；②下压承载力问题，垃圾填埋物与桩身之间的摩擦小，桩侧阻力极限标准值小，甚至还应适当考虑垃圾土的固结沉降引起的负摩阻力，而下压主要靠端阻力及下层土侧阻力。考虑到垃圾土下即进入风化岩层，施工难度已较大，桩不可能进入很深，下层土侧阻力提供比较有限，要尽可能地减小桩自重带来下压负担；③上拔承载力问题，上拔主要靠基础自重及下层土侧阻力，在下层土侧阻力提供比较有限情况下，要尽可能地提高基层自重作用，与第2点比较矛盾，需要找到平衡点。
上述三点承载力问题中，最主要的还是水平承载力问题。架空输电线路基础设计规范[7]，保证桩的水平承载力主要是控制桩顶位移及桩侧土应力，在土层横向刚度较小的条件下，必须增加桩身的横向刚度。因此在方案设计阶段选用承台灌注桩基础，经优化设计后确定为四桩，方案如下图：
图1 四桩承台灌注桩方案
如上图方案，单根桩径为1.4m，桩长17m，共16根桩，基础工程量是比较大的，加之桩径较大带来施工不便，有必要考虑其它基础型式。经多方咨询类似场地条件的基础设计，并大量阅读相关参考文献，笔者认为预应力高强度混凝土（预应力）管桩或许是个不错的选择。基于以下几个方面：①利用群桩解决水平承载力问题，控制侧向位移；②下覆土层好，预应力管桩的下压承载力可充分发挥，可多桩解决下压问题；③预应力管桩自重较轻，上拔承载力可由承台及上土自重提供；④预应力管桩施工过程的挤土作用也一定程度提高垃圾土对桩的侧向支持，相比钻孔桩来讲比较有利；⑤垃圾场为人工开挖，下覆持力层起伏不定，管桩可通过接桩或截桩，适用性强。因此，最后选择预应力管桩承台基础，见下图。
好地改善管桩水平力性状。⑤合理选择桩靴，选用封底十字刀式桩靴，增强对垃圾土的切割能力，方便施工。
将优化后的现浇混凝土灌注桩方案与PHC管桩方案的工程量及技术指标对比，见表3：
另外对比本工程钻孔灌注桩方案及预应力管桩方案，后者比前者造价少约30万元，具有明显的经济效益，且因为采用的是预制管桩，施工周期大大缩短，减少对周围环境的干扰，社会效应明显。
6、结论与建议
高压输电线路基础设计采用预制混凝土管桩并不多见，本文因地制宜地采用管桩基础，开辟了一条全新的设计思路，对线路设计基础型式也是有益补充。但是在设计过程中，应该深思熟虑，根据管桩的作用机理，与周围环境、地质条件深入结合起来，做好方案设计。提出以下几点建议，供同行业者参考：①方案设计很重要。采用何种管桩型式及布置，需要解决什么问题，主要矛盾是什么，是位移还是承载力，上拔还是下压，要有清晰认识。②地震烈度较大地区慎用。管桩桩长较长时需要接桩，接桩头作为桩的薄弱环节在高烈度区应特别注意。③针对自立式塔基础作用力的特点，在承台间设置构造连梁可相互抵消Y方向水平力。④增强管桩上部土的约束刚度，加强桩顶截面刚度，可改善管桩水平力性状。⑤基础水平力较大时，可提高承台周围回填土的密实度，以抵御承台侧向位移。⑥管桩的应用对场地运输条件要求较高。
参考文献
[1]王离.广东成功推广应用预应力管桩的原因探讨[J].广州建筑.2000（4）.
[2]邓友生，孙宝俊，邬忠强.预应力混凝土管桩的应用研究及发展前景[J].建筑技术，2003，（4）：263-266.
[3]王离.地下结构与岩土工程新进展专集[C]，杭州：浙江泛华设计院地下与特种结构研究所，1998.
[4]王洪泽.输电线路杆塔附近接触与跨步电势的分析[J].广西电力工程，2012（01）.
[5]JGJ94―2008，建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[6]DL/T5219―2014，架空送电线路基础设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2015.
[7]GB 13476―2009，先张法预应力混凝土管桩[S].
[8]DBJ/T15-22-2008，广东省锤击式预应力混凝土管桩基础技术规程[附条文说明]
作者简介：李超宇，土建设计主任工程，注册建筑师、注册建造师（市政工程）、主要从事建筑工程设计、电力工程土建设计（包括变电站、线路结构等）
论文作者:李超宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/10/10
标签：管桩论文; 基础论文; 预应力论文; 杆塔论文; 承载力论文; 线路论文; 混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;