输电线路掏挖基础系列化典型设计图及设计方法

摘要

本发明公开了一种输电线路掏挖基础系列化典型设计图纸及设计方法，该设计方法采用反向设计模式，即基础荷载未知，先将粘性土地基条件分成6个等级，再假定一系列型号的掏挖基础外形尺寸，并计算出在各种地基条件下的抗拔承载力，然后制成典型设计图，选用时只需要根据地基条件，在符合地基条件的典设基础型号中找到一个抗拔承载力稍大于或等于基础上拔荷载的典设基础型号。本发明提供了系列化的掏挖基础典型设计图纸，供设计者在掏挖基础设计中直接选用，可提高设计效率，缩短设计周期，且有效地提高了图纸的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路掏挖基础的设计方法，更具体地说，就是提供系列化的典型设计图纸，在输电线路掏挖基础设计中供设计者直接选用。

背景技术

掏挖基础在我国输电线路工程中已得到了广泛应用，基础的抗拔承载力通常按照《架空送电线路基础设计技术规定》DL/T5219－2005中的“剪切法”计算，【注：国家电力行业已经颁布了新的技术规程《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219－2014】。

上拔基础是较特殊的基础，一般工程中很少使用，因此国内对此类基础作研究的人很少。在输电线路中自立式铁塔的基础存在上拔基础，所以仅电力行业对此类基础作研究。

图1是现行《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219－2014中上拔基础的理论计算模型，假定剪切破坏面为圆弧曲线，基础的抗拔承载力由三部分组成：1、混凝土基础自重；2、基础底板上部与剪切破坏面范围内的土重；3、临界深度h_c段土体剪切破坏面上的剪阻力，不计下部h_b段土体剪切破坏面上的剪阻力。然而，这个计算模型存在较大的缺陷，主要由以下两点：其一是上部土体剪切破坏面的喇叭口张开太大，即圆弧曲线的半径r取得过小，导致剪切破坏面和土体体积增大，其实计算公式推导者也清楚上部土体剪切破坏面上的剪阻力和土重算大了，所以忽略下部h_b段土体剪切破坏面上的剪阻力；其二是破坏试验证明土体剪切破坏面的剪阻力主要集中在下部段，而该计算模型则相反，导致计算结果不合理。

在设计掏挖基础时，各设计院一般采用线路基础专用设计软件进行设计（如北京“道亨”），但现市场上的线路基础专用软件在使用过程中均存在一些问题，主要是软件生成的配筋结构详图表达不清晰，没有遵循结构制图规范。例如制图规范规定结构配筋图中轮廓线应为细实线，钢筋为粗实线，而“道亨”生成的结构图轮廓线为粗实线，导致轮廓线与钢筋混淆，钢筋标注也不规范，没有详细的施工设计说明用来指导和规范施工，还需要人工添加施工设计说明。另外软件自动优化基础扩底尺寸的功能，其结果经常不能令人满意，有时甚至出现基底扩底尺寸很不合理的结果，相同荷载及地基条件的掏挖基础由不同设计者用道亨软件进行设计时，材料用量会有较大差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的且安全可靠的设计计算方法并提供系列化的掏挖基础典型设计图纸，供设计者在掏挖基础设计中直接选用，可提高设计效率，缩短设计周期，且有效地提高了图纸的质量。

为实现上述目的，需要编制常用掏挖基础的典型设计图(约2000多个型号)，为此需要对地基条件进行归纳和简化，对掏挖基础的外形尺寸作一些统一规定。以下简述本发明的设计方法以及步骤：

(1)将常见的粘性土地基由差到强分成6个等级，通过内插可增加至31个等级，其中：

1*级对应C=20、φ=0的软塑粘土；

2*级对应C=26、φ=3的软塑粘土；

3*级对应C=32、φ=6的可塑粘土；

4*级对应C=38、φ=9的可塑粘土；

5*级对应C=44、φ=12的硬塑粘土、密实粗砂、碎石；

6*级对应C=50、φ=15的坚塑粘土、密实砂砾、密实碎石土；

当需要内插时C值步长可取1、2、3；φ值对应步长为0.5、1、1.5；

(2)将基础的外形按一定规则取值，基础直径取1.0、1.2、1.5、1.8米；基础入土深度从2.0米开始，按0.5米步长加深；基底每边的扩底尺寸k取值0.5、0.6、0.7、0.8米；并对基底扩大头尺寸预先进行了优化计算；

(3)统计分析各类铁塔设计时跟开与呼高之间的比值，直线塔为b/h＝1/8～1/6，耐张塔为b/h＝1/5～1/4；根据跟开与呼高的比值即可决定塔脚横向力与上拔力之比值，直线塔为H/T＝1/16～1/12，耐张塔为H/T＝1/10～1/8；

(4)根据各种地基条件和典设基础的外形条件，采用《建筑桩基础技术规范》JGJ94－2008中扩底抗拔桩的计算模型和美国结构工程手册中的计算公式，用“剪切法”计算典设基础的抗拔承载力；

(5)根据典设基础的抗拔承载力，按横向力与上拔力之比值计算基础横向荷载设计值，其中：直线塔基础的横向荷载按0.1倍抗拔承载力设计，耐张0度转角及悬垂转角塔基础的横向荷载按0.12倍抗拔承载力设计，转角塔和终端塔基础的横向荷载按0.15倍抗拔承载力设计；再由基础的抗拔承载力和基础横向荷载按《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219－2014计算基础基身的最大弯矩和剪力；

(6)按新的《混凝土结构设计规范》GB50010－2010中圆截面偏拉配筋公式对基身进行配筋，并按《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219－2014将配筋结果乘以1.1的调整系数。

本发明改变传统的基础设计模式，传统基础设计为顺向设计模式，即必须先已知塔脚上拔荷载和横向荷载，再根据地基条件用软件或人工设计基础，也就是没有基础荷载和地基条件就不能设计基础。而本发明采用反向设计模式，即基础荷载未知，先将粘性土地基条件分成6个等级，再假定一系列型号的掏挖基础外形尺寸，并计算出在各种地基条件下的抗拔承载力，并制成典型设计图，选用时只需要根据地基条件，在符合地基条件的典设基础型号中找到一个抗拔承载力稍大于或等于基础上拔荷载的典设基础型号。

本发明设计方法与传统设计方法相比，具有以下优点：

1、掏挖基础系列化典型设计图由设计经验丰富的设计者编制，采用新规范，编制过程严谨，设计图纸质量高，典设图纸数量的多少可以根据实际需要进行调整，增加典设图纸很方便。

2、将设计者使用专用软件设计基础的过程改变为从系列化典型设计图中选用一个基础的过程，即使设计者不很熟悉土建结构设计，只要指导其选对地基条件，就能保证选到较为合理的基础。

3、省时省力、设计效率高，有助于加快设计进度，缩短设计周期。

4、掏挖基础外形系列化，外形尺寸有规律，方便施工制作模板和机械化施工要求。

附图说明

图1是现行《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219－2014中上拔基础的理论计算模型；

图2是本发明采用的抗拔计算理论模型。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图及实例进一步阐明本发明的内容。

首先，本发明采用的抗拔计算理论模型简述：

图2是本发明采用的计算模型，计算模型主要采用了《建筑桩基础技术规范》JGJ94－2008中扩底抗拔桩的计算模型，计算公式则采用了美国《StructuralEngineeringHandbook》1979年第二版中的计算公式。基础的抗拔承载力也由三部分组成：1、混凝土基础自重；2、基础底板上部与剪切破坏面h_c段范围内的土重，3、临界深度h_c段土体剪切破坏面上的剪阻力，以及上部h_b段基身表面的侧阻力。

本发明计算模型与现行《架空输电线路基础设计技术规程》DL/T5219－2014的计算模型不同点是：土体的剪切破坏面取在下部，剪切破坏面为一圆柱面。这个计算模型与实际试验破坏模型更为接近。从土力学理论也可证明破坏面是接近圆柱面的，对于一个给定外形尺寸和地基条件的掏挖基础，可以假定多条不同的圆弧曲线，即不同r值并逐步加大，计算每个r值的对应的基础抗拔承载力，抗拔承载力是随着r的增大而减小的，当r值很大时，圆弧曲线就接近直线，所以《建筑桩基础技术规范》就取直线的圆柱面，实际上这是一个求极小值的问题，而不是随意假定一个不符实际的剪切破坏面。本发明采用的计算模型要比《现行规程DL/T5219－2014》的计算模型合理优越的多，计算公式相当简单，且解决了后续一系列的计算难题。

根据本发明所述设计方法(具体参见发明内容中的步骤(1)-(6)，此处不再赘述)，可以产生2000多个常用型号的典设基础，分散在400多张图纸中，查找不太方便，为此需要将其汇编在一个查询手册中，在查询手册中可以直接查到每个型号的典设基础的抗拔承载力，混凝土用量及钢筋用量。

查询手册的实际作用就是收集了2000多个型号典设基础的特征数据，方便设计者选型。因数据庞大，本发明仅提供查询手册中部分型号的典设基础，如下所示：

一、直线塔基础查询表

注：混凝土容重按24kN/m³计算；单位尺寸为m；力为kN；混凝土为m³；钢筋为kg。

*-*Z掏挖典设基础抗拔承载力查询表：

二、耐张0度及悬垂转角塔基础查询表

注：混凝土容重按24kN/m³计算；单位尺寸为m；力为kN；混凝土为m³；钢筋为kg。

*-*X掏挖典设基础抗拔承载力查询表：

三、转角塔和终端塔基础查询表

注：混凝土容重按24kN/m³计算；单位尺寸为m；力为kN；混凝土为m³；钢筋为kg。

*-*J掏挖典设基础抗拔承载力查询表：

并对查询手册作如下说明：

1、掏挖典设基础的编号规则：编号是以掏挖基础(TW)+基身直径(00)+入土深度(00)+基础出地面高度(/00)+扩底尺寸(/0)+地基条件(－0)+塔型(Z、X、J即直线塔、耐张0度转角及悬垂转角塔、转角塔和终端塔三种塔型)，后两位数字和字母组成配筋型号。

例如：TW1050/03/6－3J，是指掏挖基础直径1.0米(10分米)、基础入土深度5.0米(50分米)、基础出地面高度0.3米、基础每边扩底k=0.6米、对应(3级)C=32、φ=6的原状粘性土土地基、对应铁塔为转角塔。由上面编号可以看出前7位数字为典设基础外形尺寸，后两位数字和字母为地基条件和塔型，它决定了基础配筋的大小，所以后两位也可叫配筋型号。

2、编制范围：

2.1直线塔基础的入土深度为2.0～5.0米，基础直径为1.0、1.2米。

2.2耐张0度及垂悬转角塔基础的入土深度为4.0～6.5米，基础直径为1.0、1.2、1.5米。

2.3转角塔和终端塔基础的入土深度为4.5～9.0米，基础直径为1.0、1.2、1.5米。

3、查询手册的使用

3.1首先要确定实际塔位处的地基条件，确定地基土等级(1-6)，确定铁塔类型(Z、X、J)，这样就确定了典设基础的配筋型号，余下问题是根据塔脚荷载选择基础尺寸的大小。

3.2确定塔脚的上拔荷载设计值和横向荷载设计值，一般由线路软件计算得来。

3.3根据铁塔类型确定附加分项系数γ_f，将γ_f乘以塔脚上拔荷载设计值T_E，在查询手册中紧盯你需要的配筋型号行，使γ_fT_E值稍小于或等于查询手册中某个型号基础的抗拔承载力，则该基础型号即可选定为需要的型号。理论上每个小于等于者都满足设计要求，但宜优先选用直径较小者，可以节省材料。扩底尺寸大小需要根据实际情况和方便施工选定。

3.4查询手册中的典设基础抗拔承载力没有考虑有地下水(指能产生浮力)的情况，也没有考虑相邻抗拔基础的影响，当塔基根开尺寸较小时应考虑其相互影响。当有以上因素影响时，必须用选图工具软件校核和选型。

3.5关于是否需要考虑地下水的影响，一般土壤中总是存在一些滞留水，仅土层滞水不需要考虑其浮力影响，只要不在河滩地段且人工能够正常挖孔的粘性土地基情况，地下水的影响都可以不计。

3.6在河滩地段，一年中有几个月泡在水中的基础，以及地下水特别丰富的砂砾地段、施工时可能在枯水期，或在水下浇筑的混凝土基础，以上情况需要考虑地下水的影响。

根据查询手册的使用方法，结合以下实例进一步说明：

选型举例：(选型采用工具软件更方便)

实例1

直线塔，塔脚上拔荷载设计值为：T_E＝320kN，横向荷载H_x＝30，H_y＝3，地基条件为软塑粘性土，地基承载力特征值f_k＝80kpa。

解：确定地基土等级为2级，配筋型号为2Z，直线塔γ_f＝1.1，γ_fT_E＝352，横向荷载合力H_E＝(30²＋3²)^1/2＝30.2，横向力小于0.1倍上拔力设计值(0.1×320＝32)，满足直接查手册选基础图。

选基身直径1.0米，对应行2Z，选TW1035/03/6－2Z型，T=353kN，

γ_fT_E＜T，满足要求。

实例2

转角塔拔脚，塔脚上拔荷载设计值为：T_E＝1200kN，横向荷载H_x＝120，H_y＝80，地基条件为密实的粉质粘土，地基承载力特征值f_k＝200kpa。

解：确定地基土等级为5级，配筋型号为5J，转角塔γ_f＝1.6，γ_fT_E＝1920，横向荷载合力H_E＝(120²＋80²)^1/2＝144.2，横向力小于0.15倍上拔力设计值(0.15×1200＝180)，满足直接查表选基础图。

选基身直径1.0米，对应行5J，选TW1065/03/7－5J型，T＝2020kN。

γ_fT_E＜T，满足要求。

实例3

0度耐张塔拔脚，塔脚上拔荷载设计值为：T_E＝846kN，横向荷载H_x＝10，H_y＝80，地基条件为可塑粘土，地基承载力特征值f_k＝150kpa。

解：确定地基土等级为3.5级，配筋型号选4X，转角塔γ_f＝1.3，γ_fT_E＝1100，横向荷载合力H_E＝(10²＋80²)^1/2＝80.6，横向力小于0.12倍上拔力设计值(0.12×846＝101.5)，满足直接查表选图。

选基身直径1.0米，对应行4X，用3X～4X之间的内插值，选TW1055/03/7－3X与TW1055/03/7－4X的平均值，T＝(1007＋1218)/2＝1113kN，

γ_fT_E＜T，满足要求。配筋号选靠上一档，选定TW1055/03/7－4X型。