一般而言, 混凝土锥形扩展基础较台阶式基础更加节省混凝土, 但具体节省混凝土量的大小与基础宽高比有关。目前, 现行电力行业标准《架空输电线路基础设计技术规程》 (DL/T 5219—2014) ^[1] (简称规程DL/T 5219—2014) 中仅给出以台阶式底板为例的扩展基础设计方法, 要求基础宽高比不大于2.5且偏心距不大于1/6基础宽度, 同时并未明确给出有关混凝土锥形扩展基础底板正截面承载力的计算方法及配筋设计原则。

　　 对于荷载作用大, 软土地基上的高压、特高压输电铁塔独立扩展基础, 工程设计中一般采用增大底板尺寸、减小埋深的方式来设计, 以满足基础上拔和下压承载力要求。同时, 为了满足规程DL/T5219—2014对基础宽高比的限制, 一般做法为在设计时直接增加基础高度或增加台阶以减小基础宽高比, 此时基础混凝土的用量将增加很大, 非常不经济。且有时即便如此, 也存在增加了台阶还是超过了宽高比限值的情况^[2]。因此, 对采用宽高比大于2.5的混凝土锥形扩展基础进行研究, 在输电线路工程实践中具有重要的经济和实用价值。

　　 为此, 本文基于针对宽高比大于2.5混凝土锥形扩展基础的一系列试验和数值模拟研究, 包括基底压力分布模式^[3,4,5,6,7]、下压工况下底板承载性能^[8,9]、上拔工况下底板承载性能^[10,11,12]等, 总结提出了大宽高比混凝土锥形扩展基础的优化设计原则;随后, 基于现有常规设计方法及本文提出的优化设计方法, 对四川“500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”、“500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”进行了设计;最后, 对上述两种方法设计出的基础的钢筋用量、混凝土用量等技术经济指标进行了比较分析。

　　 (1) 基底反力

　　 王杰^[6]、李元齐等^[7]对宽高比大于2.5的混凝土锥形扩展基础基底反力分布进行了研究, 基于试验与有限元分析结果, 提出大宽高比混凝土锥形扩展基础基底反力分布简化模式:考虑到相对刚性基础而言, 基础底板变柔后, 基底反力分布总体向基底中心转移, 当宽高比大于2.5且小于4并为轴心荷载作用时, 仍偏于保守地维持均布基底反力分布假定;当宽高比大于2.5且小于4并为小偏心 (偏心距不大于1/6基础宽度) 荷载作用时, 基底反力简化为斜直线分布;当宽高比大于2.5且小于4、偏心率大于1/6且小于0.2时, 基底反力分布模式可简化为:以荷载作用位置为分界点, 沿偏心方向偏安全地简化为平直线分布, 反方向则为斜直线分布并伴有一定的零应力区。详细计算公式与基底反力分布简图见文献[6-7]。

　　 (2) 地基承载力验算

　　 文献[6, 12]在基底反力分布室外、室内试验及数值模拟研究的基础上, 引入不均匀净反力放大系数, 以考虑基础底板变柔后, 基底反力分布向基底中心转移而可能导致中心地基应力偏大的影响。

　　 (3) 抗冲切验算与设计

　　 基础底板在下压荷载作用下, 当无上部纵向钢筋和腹筋时, 基础底板的受冲切承载力应满足规程DL/T 5219—2014第7.3.3条的要求;当不满足时, 可配置抗冲切箍筋来提高底板冲切承载力, 配筋公式及简图见发明专利^[13]。

　　 (4) 弯矩计算

　　 文献[6]提出大宽高比混凝土锥形扩展基础截面弯矩计算方法:当底板中心受压并且宽高比大于2.5且小于4时, 对弯矩计算公式, 引入不均匀净反力放大系数;当底板单向偏心受压, 宽高比大于2.5且小于4并为小偏心 (偏心距不大于1/6基础宽度) 时, 弯矩计算公式与规程DL/T 5219—2014式 (7.3.1-3) 相同;当底板单向偏心受压, 宽高比大于2.5且小于4、偏心率大于1/6且小于0.2时, 需分两种不同情况进行计算;当底板双向偏心受压时, 按照对应的情况, 分开计算底板两个方向的截面弯矩。

　　 (5) 截面配筋

　　 顾朝阳^[9]对宽高比大于2.5的混凝土锥形扩展基础底板下压承载性能进行了试验及有限元分析, 在《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007—2011) ^[14] (简称规范GB 50007—2011) 式 (8.2.12) 的基础上, 通过引入有效宽度修正系数k来考虑宽高比对截面内力臂系数的影响, 提出适用于下压计算的截面配筋建议公式:当基础宽高比不超过2.5时k为1, 当基础宽高比为5时k为0.75;其余情况k按线性插值法确定。

　　 (1) 底板上表面接触应力

　　 文献[12]对不同宽高比的混凝土独立扩展基础进行了上拔数值模拟分析, 结果表明:当宽高比大于2.5且小于5时, 基础上部覆土体积有限, 覆土刚度较小, 基础刚度虽随基础宽高比增大而有所减小, 但其减小的程度相对于有限覆土而言很小, 因此基础与覆土的相对刚度关系变化不大, 底板上拔接触应力仍可以假定为均布分布, 接触应力计算公式采用规程DL/T 5219—2014中第7.3.1条所列出的相应公式。

　　 (2) 弯矩计算

　　 由于上拔接触应力仍维持均布分布, 因此弯矩计算公式与规程DL/T 5219—2014第7.3.1条的式 (7.3.1-1) ~ (7.3.1-4) 相同。

　　 (3) 上层配筋

　　 文献[10-11]对宽高比大于2.5的混凝土锥形扩展基础底板上拔承载性能进行了试验及有限元参数分析, 在规范GB 50007—2011式 (8.2.12) 的基础上, 引入有效宽度修正系数k来考虑宽高比对截面内力臂系数的影响, 引入坡度修正系数j来考虑基础斜边坡度对截面内力臂系数的影响, 提出适用于上拔计算的截面配筋建议公式:宽高比不超过2.5时k为1, 宽高比为4时k为0.85, 宽高比在2.5与4之间时k按线性插值法确定;坡度不超过10°时j为1, 坡度为20°时j为0.90, 坡度为30°时j为0.70, 其余情况j按线性插值法确定。

　　 “500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线”及“500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线”在迁改前从成都天府新区核心区域正中穿过, 占用大量规划用地, 在一定程度上限制了天府新区的建设工作。为促进天府新区的进一步发展, 对500k V山桃线位于天府新区内的线路段进行迁改, 统称为“500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”、“500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”。

　　 线路所在区域处于成都平原的东南边缘与低山丘陵地形过渡带, 龙泉山脉中段的西侧。地形地貌受构造、岩性、侵蚀和剥蚀作用, 主要形成堆积垄岗台地、条形状剥蚀浅丘、低山、缓坡台地及丘间平地等地貌。“500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”、“500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”均起于500k V尖山站外1#终端塔处, 止于原线路47#耐张塔, 新建线路路径长度分别为28.9, 29.2km, 均全线同塔双回架设。原塔线线路及迁改后线路简易分布示意如图1所示。

　　 对于荷载作用大, 软土地基上的输电铁塔扩展基础, 工程设计中一般采用增大底板尺寸、减小埋深的方式来设计, 以满足基础上拔、下压承载力要求, 降低施工难度。本工程地质条件为砂土及软塑~可塑土, 地下水位丰富、地基承载力较低, 在借鉴以往基础设计的成熟经验和目前研究的先进技术的基础上, 结合本工程地形、地质以及气象特点, 决定采用新型大宽高比混凝土锥形扩展基础, 以期提高经济效益, 降低施工难度。

　　 本工程采用5D1-SJC3-36, 5D1-SJC4-36及SJ164-45三种主要塔型, 基于受力分析与地勘结果, 铁塔基础作用力控制组合见表1, 采用大宽高比混凝土锥形扩展基础的部分塔位的地质参数见表2。

　　 本文首先按照电力行业标准规程DL/T 5219—2014的现有常规设计方法, 对迁改工程的基础进行设计, 设计出的基础形式如图2所示, 设计结果见表3, 塔型5D1-SJC4-36基础设计的前提条件及关键计算步骤如下。

　　 前提条件:基础混凝土强度等级采用C25, 基础受力筋采用HRB400级, 基础底板保护层厚度为0.08m, 基础立柱出露地面0.5m。

　　 计算步骤为:1) 采用土重法进行上拔稳定计算;2) 进行地基承载力验算;3) 进行抗冲切验算;4) 进行基础立柱配筋计算, 计算结果为选配8025钢筋;5) 进行底板截面下部钢筋的配筋计算, 计算结果为选配7016钢筋;6) 进行底板截面上部钢筋配筋计算, 计算结果为选配7016钢筋;7) 进行台阶上部钢筋配筋计算, 计算结果为选配6718钢筋。

　　 采用新型大宽高比混凝土锥形扩展基础, 按照本文第1节提出的优化设计方法对迁改工程的基础进行设计, 设计出的基础形式如图3所示, 基础宽高比大于2.5, 具有一阶刚性台阶 (台阶不配筋) , 设计结果见表4。塔型5D1-SJC4-36基础设计的前提条件及关键计算步骤如下:

　　 前提条件:基础混凝土强度等级采用C25, 基础受力筋采用HRB400级, 基础底板保护层厚度为0.08m, 基础立柱出露地面0.5m。

　　 计算步骤为:1) 采用土重法进行上拔稳定计算;2) 进行地基承载力验算;3) 进行抗冲切验算;4) 进行基础立柱配筋计算, 计算结果为选配8025钢筋;5) 进行底板截面下部钢筋的配筋计算, 计算结果为选配6918钢筋;6) 进行底板截面上部钢筋配筋计算, 计算结果为选配6818钢筋。

　　 将按两种方法得到的混凝土扩展基础的混凝土用量、钢筋用量进行对比, 结果见表5。

　　 根据本工程实际条件, 按照混凝土1 200元/m³、钢筋5 000元/t计价, 两种方法基础造价对比结果见表6。需指出, 表中价格未考虑对基础开挖等其他施工部分造价的相关影响, 而在这方面, 大高宽比混凝土锥形扩展基础具有明显优势。

　　 从表5与表6三种塔型基础的技术经济指标及造价对比结果可知:1) 与常规扩展基础相比, 采用大宽高比混凝土锥形扩展基础可以节约混凝土25%~37%, 增加钢筋用量2%~11%, 节约造价19%~30%;2) 在基础作用力、地质参数均相同的条件下, 大宽高比混凝土锥形扩展基础的造价明显较优。

　　 本工程采用了表4设计的两种类型大宽高比混凝土锥形扩展基础, 为了方便工程施工, 对表4中基础类型进行编号:即对应塔型5D1-SJC3-36的基础为DB9556 (DB代表大板基础, 95代表底板宽度为9.5m, 56代表基础全高为5.6m) , 对应塔型5D1-SJC4-36和SJ164-45的基础为DB10555 (DB代表大板基础, 105代表底板宽度为10.5m, 55代表基础全高为5.5m) 。

　　 DB9556大宽高比锥形扩展基础的土方工程、钢筋工程、混凝土工程、基础拆模等现场施工情况如图4所示。

　　 DB10555大宽高比混凝土锥形底板扩展基础的土方工程、钢筋工程、混凝土工程、基础拆模等现场施工情况如图5所示。

　　 “500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”采用DB10555基础共计12个, “500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”采用DB9556基础7个、DB10555基础6个。经比较, 采用此大宽高比混凝土锥形扩展基础较常规扩展基础而言, “500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”共节约混凝土约649m³, 增加钢筋约2.1t, 节约总造价约76.9万元;“500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”共节约混凝土约444.6 m³, 增加钢筋约5.9t, 节约总造价约60.83万元。

　　 本文对宽高比大于2.5混凝土锥形扩展基础的研究成果进行了归纳, 对其提出优化设计原则, 并应用提出的优化设计方法对四川某迁改工程进行了设计, 主要结论如下:

　　 (1) 提出了适用于宽高比大于2.5混凝土锥形扩展基础的下压和上拔的优化设计方法。

　　 (2) 与常规扩展基础相比, 采用大宽高比混凝土锥形扩展基础经济效益明显。“500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”节约造价约76.9万元;“500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”节约造价约60.83万元。

　　 (3) 实际工程应用中, “500k V山桃Ⅰ, Ⅱ线迁改工程”采用DB10555基础共计12个, “500k V山桃Ⅲ, Ⅳ线迁改工程”采用DB9556基础7个、DB10555基础6个。宽高比大于2.5的混凝土锥形扩展基础在本工程的应用大大减少了材料耗量, 节约了投资, 符合国家电网公司提出的建设“资源节约型、环境友好型”社会的要求。

　　 本文的案例比较及提出的优化设计方法可为后续大宽高比混凝土锥形扩展基础的设计、应用及推广提供参考。