随着我国特高压电网快速建设,越来越多的架空输电线路需穿越我国中东部沿江地区,如淮南—南京—上海1 000kV交流特高压输电线路,此线路经过的地区地下水位普遍较高,土质条件差,桩基础是这些地区特高压工程的首选基础型式。

　　 我国近年来的特高压工程建设中,已大力推行基础工程机械化施工创新与实践,降低施工现场人力投入、提升安全质量与效益效率水平。在荷载等级大、交通运输条件相对便利的特高压输电线路工程中,预应力高强混凝土管桩(简称PHC管桩)已越来越多地得到推广应用。管桩相比于常规灌注桩,具有如下显著优点:工厂化预制生产,可有效保证桩身质量; 机械化施工,速度快,施工后无需养护,可大大缩短施工工期; 抗腐蚀能力强; 施工过程无需土方开挖和泥浆排放,有利于基础周边环境保护。

　　 近年来,国内学者针对PHC管桩水平承载特性开展了相应研究,如卓维松 ^[1]、卢海东 ^[2]和周安 ^[3]等研究了桩身抗弯刚度、桩身材料弹性模量以及截面惯性矩对水平力作用下PHC管桩承载性能的影响规律。王钰 ^[4]、周万清 ^[5,6]分别开展了软土PHC管桩水平承载力试验和数值模拟研究。黄晓龙 ^[7]采用有限元法对比了无承台及带承台单桩水平受力特性。李孝雄 ^[8]分析了PHC管桩水平承载力研究现状。总体上看,目前PHC管桩水平承载性能试验研究还相对落后于工程实践。

　　 架空输电线路基础所承受的荷载特性复杂。随外界条件变化,基础受拉/压荷载的同时,还承受较大的水平力作用,抗拔和抗倾覆稳定通常是其设计控制条件,这是输电线路基础与建筑、交通等其他行业基础设计的显著区别。同时,PHC管桩在输电线路工程中的应用尚属于起步阶段,水平承载性能研究工作还不够充分。

　　 本文依托淮南—南京—上海1 000kV交流特高压输电线路工程建设,选择淮南典型黏土地基作为试验场地,开展了3个带承台PHC单桩、2×2和3×3两种布置方式共5个PHC管桩群桩基础水平承载性能的现场试验。试验过程中观测了基础荷载与位移、单桩桩身应力变化等,分析了PHC单桩和群桩基础的荷载-位移特征,确定了基础水平承载力特征值,分析了PHC管桩单桩及群桩水平力承载性能及影响因素,研究成果可供输电线路PHC管桩应用参考。

　　 试验场地位于淮南—南京—上海1 000kV交流特高压输电线路安徽省境内的淮南市淮河北岸河漫滩塔位附近。试验场地较为平整,浅层以淤泥为主,深层以粉质黏土和粉砂为主。地下水以孔隙性潜水为主,地下水位1m左右。试验土层的主要物理力学指标如表1所示。

　　 图1给出了基础结构及其尺寸示意图。试验中设计了如图1(a)所示的3根相同PHC管桩单桩水平承载力基础,均为600AB(130)型PHC管桩,桩长19m,分别记为D1,D7和D10。单桩采用2节桩,第1节桩长12m,采用机械啮合接头。为方便试验过程中水平力施加,并实现与群桩试验结果的对比分析,单桩顶部布置了承台及基础立柱,承台和立柱均为正方形,承台平面尺寸1.0m×1.0m,厚度0.6m;基础立柱截面尺寸0.6m×0.6m,高度1.2m,露出地面0.3m。

　　 PHC管桩群桩基础采用2×2和3×3两种布置方式,其中2×2群桩布置方式又分A,B两种方案,每种方案有2个相同群桩基础试验,共5个群桩基础试验,记为A1,A2,B1,B2和C。

　　 2×2群桩A方案(图1(b))中PHC单桩为600AB(130)型,桩长19m,桩间距1.8m。承台和立柱均为正方形,承台平面尺寸3.0m×3.0m,厚度1.0m;基础立柱截面尺寸2.0m×2.0m,高度1.0m,露出地面0.3m。2×2群桩B方案(图1(c))中PHC单桩为600AB(130)型,桩长21m,桩间距2.0m。承台和立柱也采用正方形结构,承台平面尺寸3.3m×3.3m,厚度1.0m;基础立柱截面尺寸2.0m×2.0m,高度1.0m,露出地面0.3m。A,B两种方案中所有PHC管桩单桩均采用2节,中间为机械啮合接头。2×2群桩A方案第1节桩长12m、第2节桩长7m; 2×2群桩B方案第1节桩长12m、第2节桩长9m。

　　 3×3群桩C方案(图1(d))中PHC单桩为500AB(125)型,PHC管桩单桩采用1节桩,桩长13m,桩间距1.75m。承台和立柱为正方形结构,承台平面尺寸4.5m×4.5m,厚度1.0m;基础立柱截面尺寸2.0m×2.0m,高度1.0m,露出地面0.3m。

　　 研究表明,水平力作用下PHC管桩破坏模式一般为弯曲破坏,极限承载力往往受桩身强度控制。陈岱杰 ^[9]、崔伟 ^[10]、郑秀娟 ^[11]采用PHC管桩与承台之间填芯的连接方式,通过现场试验,分析了填芯长度对桩基承载性能的影响。考虑本次试验中承台单桩在水平力作用下,PHC管桩顶部承受轴向压力的同时,还需要承受弯矩和剪力作用,为加强PHC管桩单桩与承台立柱部分的连接,基础设计时将预应力钢筋锚入承台并采用钢筋混凝土填芯措施,填芯部分纵向钢筋按基桩拉力计算,采用螺旋箍筋加强,填芯长度5d(d为管桩外径),以提高桩接头点延性与抗变形能力。

　　 试验中所有PHC管桩的混凝土强度等级均为C80。采用D45柴油锤进行锤击沉桩施工,施工时按标高和贯入度双重控制,以标高为主,锤击压应力不大于混凝土抗压强度设计值。

　　 图2给出了典型输电线路格构式杆塔基础受力示意图。在Z向有竖向荷载作用(上拔力、下压力),在X,Y向有水平力作用。往往在Z-Y和Z-X平面上还有倾覆力矩作用,甚至在X-Y平面上存有扭矩作用。

　　 输电线路基础所承受的水平力荷载一般为相应竖向荷载的1/8～1/7,抗拔和抗水平荷载稳定性通常是输电线路基础设计控制条件 ^[12]。表2给出了淮南—南京—上海1 000kV交流特高压输电线路工程直线塔基础的典型荷载。

　　 图3分别给出了PHC管桩单桩和群桩基础水平承载性能试验加载系统的实景照片。单桩试验中水平力沿承台立柱正方形的一边施加; 而群桩试验时水平力沿承台立柱对角线方向施加,相当于沿图2所示基础X,Y向水平力的合力方向,直线塔基础X,Y向水平力大小一般相等或比较接近,这就使得水平力合力方向与正方形对角线方向一致。

　　 全部水平承载力试验均采用慢速维持荷载法 ^[13,14]。以基础水平承载力设计值的1/10为增量,进行荷载分级,确定每一级荷载增量。第1级水平力加载量为分级荷载增量的2倍,此后各级荷载按分级荷载增量,进行等量逐级加载,加载过程中自动加载、补载与恒载。

　　 试验前,在水平荷载方向的基础立柱对侧布置量程50mm、精度0.01mm的位移传感器,以测试各级荷载作用下的基础水平位移值,取各位移传感器的平均值作为相应水平荷载所对应的水平位移,进而绘制基础荷载-位移曲线,以研究其水平承载性能。

　　 基础荷载-位移曲线体现了地基基础体系承载和变形性状,是地基条件、基础类型、基础尺寸和荷载类型等多种因素的综合反映。图4为PHC管桩单桩基础荷载-位移曲线。

　　 从图4所示PHC管桩单桩基础荷载-位移曲线可看出,PHC管桩单桩基础荷载-位移曲线均呈“缓变型”变化规律。我国桩基规范 ^[15]在确定单桩水平承载力特征值时,并未采用按试桩水平极限承载力除以安全系数2的方法,这是考虑到水平荷载作用下PHC管桩要根据设计要求的水平允许位移值及PHC管桩所处环境类别要求的裂缝控制等条件来决定单桩水平承载力特征值。由于输电线路基础对水平位移较为敏感,本试验依据桩基规范 ^[15]规定,取6mm位移对应水平承载力的75%作为单桩水平承载力特征值。由此可得到D1,D7,D10的单桩水平承载力特征值分别为108,120,100kN,取其平均值109.3kN作为本次试验PHC管桩单桩水平承载力特征值。

　　 为获得PHC管桩单桩水平荷载作用下桩身应变及弯矩变化规律,试验前选择了D7和D10两根单桩。如图5所示,分别沿桩周间隔90°方向开槽进行应变片测点布置,应变片及其测试线采用特殊工艺封闭于沟槽内,并在桩头采取保护措施,避免打桩施工过程中应变片损坏。第一个测点距离桩顶0.5m,往下每隔0.5m布置一个应变测点,桩身5m以下则每隔1m布置一个应变测点。

　　 通过试验得到各测试水平荷载作用下各应变测试断面处的拉应变值和压应变值,按式(1)进行桩身弯矩M计算:

　　 ${\rm M}=\frac{E{}_{\text{c}}{\rm I}(\epsilon {}_{+}-\epsilon {}_{-})}{b{}_0}(1)$

　　 式中:E_c为混凝土弹性模量; b₀为拉、压应变测点的间距; I为PHC管桩截面惯性矩; ε₊为测点拉应变; ε_-为测点压应变。

　　 图6为D7和D10单桩在水平力作用下,桩身弯矩随水平荷载增加的分布情况及变化规律。

　　 结果表明,在水平荷载作用下,桩身弯矩随水平荷载增大而增大,且每级水平荷载作用下桩身埋深4m左右处截面弯矩最大。当埋深接近10m时,桩身弯矩值已经接近0,表明基础所受的水平荷载主要靠桩身上部一定深度范围内的桩体及其承台和立柱共同承担。桩埋深达一定深度后,增加桩长对提高其水平承载力作用有限。

　　 图7分别给出了A和B两种2×2群桩布置方案和3×3群桩C布置方案的5个PHC管桩群桩基础荷载-位移曲线。

　　 图7所示的群桩基础荷载-位移曲线与图4所示的单桩基础荷载-位移曲线相似,也呈“缓变型”变化规律。与单桩承载力特征值确定方法类似,取6mm位移对应水平承载力的75%作为水平承载力特征值,但考虑到试验中的水平荷载是沿基础立柱对角线方向施加,并假定基础X,Y向水平荷载大小相等,则可取水平荷载合力方向位移8.48mm所对应水平荷载的75%作为基础的水平承载力特征值,并进一步据此确定群桩在X,Y向的水平承载力特征值,结果如表3所示。从表2所示的淮南—南京—上海1 000kV交流特高压输电线路直线塔基础荷载条件和表3试验结果的对比可看出,试验方案中的3种PHC群桩基础方案均可满足特高压输电线路工程需要,且均具有较好的安全性。同时,根据本试验场地PHC单桩以及相应2×2群桩A方案试验结果,得到2×2群桩A方案的群桩效应系数为0.98,群桩效应系数已接近于1.0,表明PHC群桩基础的水平承载性能良好。

　　 进一步分析A,B两种2×2布桩基础试验结果表明,尽管两种方案中桩径均为0.6m,但2×2群桩A方案桩间距为3d,承台平面尺寸3.0m×3.0m,相应的水平承载力特征值为430kN,而2×2群桩B方案桩间距为3.5d,承台平面尺寸3.3m×3.3m,相应的水平承载力特征值为578kN。由此可见,增加桩间距以及相应的承台宽度,可显著提高群桩基础水平承载性能。相比较而言,3×3群桩C方案,桩径为0.5m,桩长13m,桩间距3.5d,由于单桩数量增加,承台平面尺寸增加到了4.5m×4.5m,相应基础水平承载力特征值达到615kN。因此,从施工过程的方便性、安全性以及承载性能等方面综合比较看出,试验中3×3群桩C方案较为经济和合理。

　　 本文通过开展PHC单桩和群桩基础现场试验对比分析,研究了PHC管桩单桩及群桩水平承载性能,得到如下结论:

　　 (1)水平力作用下的PHC管桩单桩及群桩的荷载-位移曲线均呈现出“缓变型”的变化规律,可取6mm水平位移所对应荷载值的75%作为基础水平承载力特征值。

　　 (2)PHC管桩群桩效应系数为0.98,PHC群桩水平承载性能良好,可满足淮南—南京—上海1 000kV交流特高压输电线路直线塔基础承载性能要求。

　　 (3)增大群桩PHC管桩间距和扩大承台尺寸可显著提高PHC管桩群桩基础的水平承载力。但当桩埋深达到一定深度后,增加桩长对提高其水平承载力作用并不显著。