国内外输电线路基础设计方法比较分析报告

国内外输电线路基础设计方法比较分析报告

目录国内外输电线路基础设计方法比较分析报告 11.1国内外输电线路基础设计特点与要求 21.2常用输电线路基础类型及其工程特性 41.2.1国内常用基础型式 41.2.2国外一般基础型式 61.2.3国内外新型杆塔基础的发展趋势 61.3常用输电线路设计方法 121.3.1国外常用方法 121.3.2国内通用设计方法 181.3.3实例计算对比 241.4小结 25

1.1国内外输电线路基础设计特点与要求输电线路工程杆塔基础与杆塔底部相联接、固定或埋设于地基中，其基本作用是承受上部结构荷载并将该荷载传递给基础周围地基，构成输电线路工程地基基础相互作用、共同承载的统一整体。杆塔基础作为输电线路的一个重要组成部分，其在设计、施工与试验检测等方面都具有明显的行业特点。首先，输电线路距离长、跨越区域广、沿途地形与地质条件复杂、地基土物理力学性质差异性大，设计和施工中需要考虑的边界条件较多。其次，杆塔基础所承受的荷载特性复杂，基础在承受拉／压交变荷载作用的同时，也承受着较大的水平荷载作用。荷载的大小、分布和偏心程度以及出现频率等都决定着基础的受力状态与工作特性。通常情况下，抗拔和抗倾覆稳定性是杆塔基础设计的控制条件。杆塔基础需根据杆塔结构型式、沿线地形地貌、塔位处地质条件、施工方法和运输条件等多种因素综合设计确定，需要满足强度和变形稳定性、经济性、环境保护等基本要求，具体说：1）强度稳定性要求是指输电线路工程杆塔基础必须具有适当的安全性，即便在异常情况下也应具有一定可靠性水平。2）变形稳定性要求是指外荷载作用下，杆塔基础一方面自身不能产生太大的绝对变形，另一方面也不能产生造成杆塔结构承载力严重下降不均匀变形。3）经济性要求是指杆塔基础造价必须经济合理。随着社会的进步和人们环境保护意识的逐步增强，输电线路工程建设中环境保护问题越来越受到重视。由于输电线路杆塔基础施工现场分散，且受多变的地形、地质、运输条件等限制和影响，有时大型施工设备和机具难以进入杆塔基础施工现场，钢筋、混凝土等基础原材料运输困难，从而使得我国输电线路杆塔基础主要还是靠人工施工。但近些年来，一些轻巧、高效的施工机具以及一些先进的施工方法都已在输电线路基础施工中得到了推广和应用，施工水平和质量不断提高。鉴于输电线路杆塔基础在设计特点、施工和检测方面的工程特性，杆塔基础设计中需要自始至终需考虑到下列因素。1）沿线地形地貌和地质条件这是杆塔基础设计最基本的出发点，沿线地形地貌和地质条件主要包括输电线路沿线主要地形地貌的分布、土（岩）的种类、塔位处地质情况、原状土层分布和应力状态、地下水位情况以及施工过程地基土（岩）的变化特性等，地基土（岩）的工程评价是正确进行杆塔基础设计的关键。2）荷载特性荷载特性不仅是各荷载的大小、加载速率和出现的频率，还要考虑荷载的分布和偏心程度等，设计中不同荷载应采用不同的安全系数或可靠度指标。3）地基承载特性地基承载特性直接取决于它们在不同载荷条件（如持续、短时、周期）作用下的强度和变形特性。通常情况下，地基对持续荷载和短时荷载（包括施工荷载和检修荷载）的反应不同，例如：粘土在持续荷载作用下，将处于排水状态，而在短时荷载作用下则处于不排水状态。地基承载特性需要以不同的地基设计参数来反映。4）基础承载特性地基和杆塔基础是相互作用的共同承载体，设计中需要根据地基承载特性考虑地基中是否有可能出现潜在的破坏面，以及该破坏面随基础埋置深度的不同而变化的规律。破坏面不同，基础通过地基抗力和端面支承力向地基传递荷载的方式也不同。实际荷载特性、地基承载特性、基础材料决定了基础受力后的承载特性。5）基础不均匀变形对杆塔承载力影响杆塔基础－地基－杆塔结构是一个相互作用、共同承载的统一整体，杆塔基础不均匀沉降必然会导致上部结构内力重分布，从而杆塔结构产生导致明显的附加作用力，这个问题目前在一般杆塔基础设计中并不考虑，但这种地基不均匀变形对对杆塔结构稳定肯定是不利的，应在输电线路杆塔设计中加以考虑。6）施工方法施工方法也是杆塔基础设计中需要考虑的一个重要因素，它直接影响基础系统的极限承载能力。施工方法的改善可以明显地改变基础的承载能力，相反，如果施工质量达不到要求则基础承载力明显降低。综上所述，设计中需考虑输电线路杆塔基础工程建设是人类与自然环境之间共同作用问题，输电线路杆塔基础工程建设需要在根据荷载条件解决基础设计等技术问题的同时，还应充分重视工程建设对环境的影响。输电线路杆塔基础工程在设计、施工、环境保护等很多方面都与环境问题密切相关，属于环境岩土工程课题，需要用岩土工程的理论、技术和方法解决输电线路工程建设中塔位选择、基础型式与技术方案、基础施工等关键技术难题，确保杆塔基础的耐久性和可靠性，降低工程造价，提高线路安全运行水平。1.2常用输电线路基础类型及其工程特性1.2.1国内常用基础型式目前，我国输电线路中一般应用的杆塔基础类型，概括起来可分为以下几类。1）开挖回填类基础开挖回填类基础是指埋置于预先挖好的基坑内并将回填土夯实的基础。它以扰动后的回填土作为抗拔土体保持基础的上拔稳定。回填土虽经夯实但是，难以恢复到原状土的结构强度，因而就其抗拔性能而言这类基础不是理想的型式。实践证明，开挖回填类基础的主要尺寸均由其抗拔稳定性决定，为了满足上拔稳定性要求，必须加大基础尺寸，从而增加了基础造价。这类基础具有施工简便的特点，是目前工程设计中最为常用的型式，主要有混凝土基础、普通钢筋混凝土基础和装配式基础等。2）掏挖扩底类原状土基础掏挖扩底类原状土基础是指以混凝土和钢筋骨架灌注于以机械或人工掏挖成的土胎内的基础。它以天然原状土构成抗拔土体保持基础上拔稳定，适用于在施工中掏挖和浇筑混凝土时无水渗入基坑的粘性土体中。这类基础因能充分发挥原状土承载力高变形小的工程特性，不仅具有良好的抗拔性能，而且具有较大的水平承载力。这类基础具有节省材料、取消支模及回填土工序，加快工程施工进度、降低工程造价等优点。3）岩石锚桩类基础岩石锚桩类基础系指以水泥砂浆或细石混凝土和锚筋灌注于钻凿成型的岩孔内的锚桩或墩基础。它具有较好的抗拔性能，在上拔和下压工况下，地基的变形比其它类型都小。但采用岩石基础必须逐基鉴定岩体的稳定性、覆盖层厚度、岩石的坚固性及风化程度等情况。因此在岩石地基的工程地质鉴定方面比较复杂。这类基础由于充分发挥了岩石的力学性能，从而大量地降低了基础材料的耗用量，特别是运输困难的高山地区更具有明显的经济效益。4）钻孔灌注桩类基础钻孔灌注桩类基础系指用专门的机具钻（冲）成较深的孔，以水头压力或水头压力和泥浆护壁，放入钢筋骨架并在水下浇筑混凝土的桩基。这类基础是一种深基础型式，适用于地下水位高的粘性土和砂土等地基，特别是大跨越塔位。按结构布置分为单桩和桩基，按埋置特点可分为低桩和高桩基础，选用时应根据杆塔设计荷载和地质、水文情况以及施工设备等条件确定。5）其它类型基础根据架空线路杆塔基础工程特性和地基特点，输电线路杆塔还有一些其它的型式，如在大荷载、地基承载能力差的条件下采用的联合基础以及在施工难度大的流砂和软弱地层中采用的复合式沉井基础等。不同类型架空输电线路杆塔基础的工程特性比较如表3.1所示。表3.1不同类型杆塔基础工程特性序号基础型式工程特性及优点存在的问题和缺点1开挖回填基础一般回填土基础施工方法简便，是目前工程中最为常用的基础型式。1）土体扰动较大，基础抗拔性能差；2）开挖量大、弃土易造成滑坡，植被破坏和水土流失严重，影响基础稳定。装配式基础在缺水、砂石采集困难的地区，采用现场浇注混凝土基础的方法往往较为困难，此时因地制宜地采用装配式基础显得比较经济。1）施工中需大开挖，土体扰动大；2）输电电压等级提高后，在满足强度、稳定性和侧向滑移等方面，对装配式基础设计提出了更高要求。2掏挖扩底原状土基础直掏挖基础1）充分利用了原状土承载力高、变形小的工程特性；2）“以土代模”，土石方开挖量小、弃土少，施工方便，节省材料；3）消除了回填土质量不可靠带来的安全隐患。1）对土质条件有一定的要求；2）为了适应山区地形条件需要，有时需要抬高基础主柱高度，此时基础抗倾覆稳定性往往难以满足，需增加基础埋深，扩大基础主柱直径。斜掏挖基础除了具有直掏挖基础的优点外，还具有斜立柱主角钢插入式基础主柱坡度与塔腿主材坡度一致的结构特点，基础立柱水平力和弯矩大大减小；人工斜掏挖施工工艺要求相对较高。3岩石锚桩基础1）施工工艺简便；2）充分发挥岩石力学性能，具有较好的抗拔性能，地基变形小；3）它以水泥砂浆或细石混凝土和锚筋灌注于钻凿成型，从而大大地降低基础材料用量，特别是在运输困难的山地区更具有明显的经济效益。采用岩石锚桩基础须逐基鉴定岩体稳定性、覆盖层厚度、岩石坚固性及风化程度等情况，岩石地基的工程地质鉴定方面比较复杂。4灌注桩基础1）适用于地下水位高的粘性土和砂土地基等，也广泛用于大跨越塔位；2）在结构布置形式可分为单桩和桩基，在埋置方式上可分为低桩和高桩基础，因此可供设计选择的型式较多。1）施工需要大型机具，施工工艺要求较高、施工难度大；2）施工费用较高。1.2.2国外一般基础型式根据NEPA提到的输电线路杆塔基础型式[14]，一般有下面几种：（1）格排基础（GrillageFoundations）杆塔格排基础包括角形件，其适当连接到短桩上、安置在至少75mm厚度的砂或细砾石层上以保证格排平整，并所有负荷均在周围地面上均匀分布。如果格排包括一个开放式格栅，那么格栅条之间的间距不应超过一个格栅条的宽度。（2）混凝土基础（ConcreteFoundations）地面以下所有的镀锌钢铁架（除钢筋）浇注入混凝土中。一般包括开挖回填基础、原状土基础，应用较为普遍。（3）岩石基础（RockFoundations）施工中需对基础坑洞进行处理，消除引发岩石崩裂的可能性，浇筑在岩石中短桩的深度不应小于900mm。短桩应浇注到岩石中，并应象其他类型的基础一样被封在混凝土中，除非封闭混凝土一直延伸至岩石的表层。如果将短桩包缚在岩石中不太经济，那么如果经工程师同意，可以使用其他类型的岩石基础。上拔试验应经工程师批准，并应在岩石基础上进行试验，以确定基础设计适用于各种类型的岩石。适合应用地区较局限，主要在岩石地区，设计应考虑到风化和侵蚀对岩石基础长期稳定性的影响。（4）桩基础（PiledFoundations）如果在杆塔基础的位置上，天然地基土条件不适合其他类型的地基基础，应采用桩基础。此类型基础适用性较强，能够满足各种场地条件的承载要求，但相对来说其造价等方面较高。1.2.3国内外新型杆塔基础的发展趋势输电线路杆塔基础作为输电线路的重要组成部分，其造价、工期和劳动消耗量在整个线路工程中占很大比重。据有关资料统计：在整个一般输电线路工程建设中，基础工期约占一半、基础运输量约占60%、费用约占15%～55%。由此可见，为了减少输变电工程杆塔基础的混凝土和钢筋用量，缩短建设工期，降低工程建设费用，因地制宜地采用新型杆塔基础型式和技术方案已经势在必行。国内外新型输电线路杆塔基础与技术方案主要围绕以下几个方面：（1）采取合理结构型式，减小基础所受水平力和弯矩，改善基础受力状态。为了解决传统高压输电线路杆塔直柱式钢筋混凝土基础受竖向上拔力（下压力）、横纵向水平力作用后基础主柱根部因承受较大双向拉弯作用而成为最为不利位置的技术难题。20世纪90年代，我国不少线路工程建设中采用了斜立柱插入式基础型式，即首先将与上部结构塔腿主材规格和坡度一致的基础主材直接斜插入混凝土基础内，然后该斜插式基础主材与上部塔腿主材通过搭接或对接的方式连接来承受和传递上部结构荷载。该基础型式的主要特点是基础主柱坡度与塔腿主材坡度一致。据研究，采取斜立柱插入式基础使得与基础轴线垂直的水平力减少50%以上，而斜立柱轴向基础作用力仅增大1%～2%，从而大大改善了基础立柱、底板的受力状况，使基础水平力对基础底板的影响降至最低，基础的稳定性得到显著提高。同时，由于偏心弯矩大大减小，下压稳定控制的基础底板尺寸可得到相应减小，从而降低了混凝土量和底板配筋量，较大地节约了基础材料用量，基础工程量较直柱平板基础降低工程量10-15%。采取合理的基础结构型式，减小基础立柱所受水平力与弯矩，改善基础承载和传载过程中的受力状态，已经成为我国当前输电线路杆塔基础中广泛采用。日本在特高压输电线路建设中在地下水位较高的平地采用了直径1～1.2m、桩长12～50m的灌注桩基础，如图～所示；而在地下水位较低的山区和丘陵地区采用了直径为3～5m、深10-38m的深挖孔桩基础，如图3.1和图3.2所示。图3.1日本特高压灌注桩基础图3.2日本特高压深挖孔桩基础但在图3.1和图3.2所示的日本特高压基础中，基础立柱均为圆截面，塔腿主材为圆管，所有基础型式都采用了将主材直接插入基础混凝土中斜柱插入式基础，基础受力状态得到相应改善。虽然斜柱插入式基础虽有良好的结构和工程特性，但是其应用也是有条件限制的，如在冻土地区由于受到非对称性冻胀力作用后会增加基础的上拔和水平荷载，导致其在冻土地基使用受到限制。随着我国电力工程建设的发展，我国输变电工程建设中不可避免地需要经过软土地区。近年来，在软弱地基线路工程建设中已经开始研究和应用复合式小桩（微型桩）来代替大直径灌注桩基础，工程中通常将小桩做成直桩与斜桩呈网状结构布置，如图3.3所示。图3.3复合式小桩基础复合式小桩基础在结构上力求使其倾斜度同基础所受的上拔力和水平力合力作用方向或者下压力和水平力合力作用方向一致，充分发挥桩的轴向承载力大的优点，提高基础承载力，降低工程造价。此外，复合式小桩基础施工机具轻便简单，因而在软土地区输电线路杆塔基础工程中具有广泛的应用前景。（2）利用原状土承载力高、变形小的工程特性，因地制宜采用原状土基础。由于输电线路基础长期承受拉压交变外力作用，且抗拔和抗倾覆稳定性通常是其设计控制条件，在开挖回填类型基础中，如果回填土强度得不到保证，则回填土与坑壁间不能形成固结作用，受拉力荷载作用时不能形成抗拔倒锥体，且变形大，抗拔承载力降低。因此，输电线路杆塔基础工程中采用原状土基础是一种既经济又可靠的工程技术方案。在我国，输电线路杆塔基础工程中采用的原状土基础型式多种多样，如掏挖基础、钻孔桩基础、钻扩桩基础、岩石锚杆基础等。人工斜掏挖原状土基础是近几年发展起来的一种新型杆塔基础型式，它既具有传统直掏挖原状土基础特点，又具有斜立柱主角钢插入式基础的结构特点，因而使得基础抗拔和抗倾覆稳定性得到大幅提高。因此，在适宜土质条件下，如覆盖层较厚的硬、可塑粘性土和强风化地基岩中，采用人工斜掏挖原状土基础作为输电线路杆塔基础型式将具有很好的经济和社会效益。但在我国，人工掏挖原状土基础是应用最为广泛的一类原状土基础型式，是这类基础主要靠人工，基础尺寸不大，直径一般为0.8～1.8m，为保证施工人员的安全，常规掏挖类原状土基础的掏挖深度一般控制在4～5m左右，基础能承受的作用力还也有限的。因此，研究新型的输电线路人工掏挖基础施工机具具有很强的现实意义。（3）山区斜坡地面全方位铁塔长短腿和高低基础相配合的环保型基础。当前，输变电工程建设中环境保护问题日益得到重视。我国《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5219－2005）中要求：线路基础设计和施工过程中需认真贯彻执行《中华人民共和国水土保持法》和《开发建设项目水土保持方案技术规范》及相关的地方规定，合理设计塔位施工基面，做到少开塔位施工基面，以减少弃土和边坡的防护，降低工程造价，加强环境保护，实现国家经济建设的可持续发展目标。我国不少输电线路的塔位位于陡峭的山区和丘陵地区的斜坡地面，塔基地形起伏较大、地质条件恶劣、不良地质现象发育且具有点面多而分布不均匀等特点。在这些地区如果采用常规4条腿一样长的等长塔腿基础，则施工过程中在塔位处需根据塔脚根开大小平整一块场地，在塔基范围开挖成一个大平台，少则几十平方米多则几百平方米，这通常称为降基施工，如图3.4所示。图3.4常规等长塔腿降基施工这种基础形式、施工方法和工程技术方案存在以下问题：1）土石方开挖量大，费用高；2）斜坡降基施工后，塔位处地下水渗路径必然发生改变，容易引起地基和杆塔基础整体滑移破坏；3）施工大量弃土如处理不好，则容易形成塔位处下边坡牵引式坍塌滑移破坏；4）降基施工后塔基处位置将形成高边坡，容易崩塌滑坡，影响基础长期稳定。目前输电线路工程中对高边坡处理方法不多且处理费用高；5）大量开挖土石方，将严重改变塔位处的自然地形、地貌，破坏原有植被，极容易造成水土流失，塔位环境破坏将直接影响塔基的稳定。在我国山区斜坡地面处输电线路基础因处理不当而出现类似如图3.5所示的基础失稳情况也时有发生，严重影响电网的安全稳定运行。图3.5某500kV斜坡地面输电线路基础滑坡破坏实况为减少弃土、保护边坡、降低工程造价、实现电网建设可持续发展目标，如图3.6所示的全方位铁塔长短腿和高低基础相配合技术方案已成为首选。但采用该方案时一般需要抬高基础主柱高度，其上拔和倾覆稳定性往往都不容易满足，长期的工程实践中既有成功经验，也有不少教训。图3.6全方位铁塔长短腿和高低基础相配合技术方案（4）输电线路杆塔基础常规设计计算方法研究和完善目前，在国外基本实现输电线路工程设计与建筑工程设计基本方法接轨，即均以概率理论为基础的极限状态设计方法，使得建筑工程设计中已经取得的理想计算方法和计算参数能应用到输电线路工程设计中，较好的促进了输电线路工程设计的发展。我国基础上拔、下压和倾覆稳定性是输电线路杆塔基础设计的主要内容，目前主要技术标准是DL/T5219－2005《架空送电线路基础设计技术规定》，但其只适用于新建的35kV～500kV送电线路杆塔的基础设计，更高电压等级的输电线路杆塔基础只能参考使用。此外，DL/T5219－2005《架空送电线路基础设计技术规定》是SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》的修订版，虽采用概率极限状态设计原则和分项系数设计方法代替了传统的总安全系数法，但其主要以SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》中总安全系数法为基础，需要进一步完善。当前，国内输电线路多偏重于基础极限承载力的研究，而忽略基础位移的研究。但随着超高压和特高压输电线路工程的增多，上部结构对基础位移的敏感性要求越来越高，如基础立柱高度增加将使柱顶位移加大，有必要对基础柱顶位移进行分析和验算。采用以位移指标控制基础设计的方法将变得更为直接和合理。此外，DL/T5219－2005《架空送电线路基础设计技术规定》中尚无特殊土地基杆塔基础设计方法，也无斜柱插入式基础、人工斜掏挖基础、全方位铁塔长短腿和高低基础相配合技术方案等设计方法。现行杆塔基础设计技术规范还难以满足超高压和特高压工程建设需要，各类工程问题的解决缺乏标准化与规范化。根据传统杆塔基础设计计算方面存在的技术难题，如输电线路原状土杆塔基础设计方法和工程应用，针对我国当前超高压和特高压电网建设新形势和发展需要，开展架空输电线路杆塔基础与地基间相互作用、共同承载规律和机理的课题研究，形成我国超高压和特高压输电线路杆塔基础的设计方法，将具有深远的理论和现实意义。（5）输电线路地基－基础－上部结构间相互耦合作用规律和一体化工程设计方法研究输电线路与一般土木工程结构不同，其最显著特点是由多跨导线和多级杆塔与基础组成的连续体系。但目前我国输电线路工程常规设计都是将地基、基础和上部结构作为彼此独立的结构单元进行力学分析，属于单一线性化设计方法［2］。其具体过程如下：1）假定基础为刚性（即基础不存在差异沉降），分离出杆塔上部结构，根据给定荷载采用结构力学或弹性力学方法，计算出上部结构内力并进行设计；2）假定地基反力分布方式，将上部结构支座反力作为杆塔基础荷载条件，求得基础各截面内力和变形，进行基础设计；3）根据地基反力分布，用土力学方法计算地基各点位移。输电线路是由地基、杆塔基础、杆塔及上部架空线所构成的一个相互影响、共同承载的整体，彼此之间应满足变形协调条件。因此，目前这种常规设计只适用于基础刚度相对较大的情况。事实上，地基特性、基础刚度、地基不均匀沉降和变形都必然影响上部结构内力分布，甚至对上部结构产生次生应力。而忽略上部结构对基础的约束作用则导致基础所受的弯矩增大，基础受力和地基反力分布都与真实情形有较大差别。精确考虑地基－杆塔基础－上部结构间相互作用是目前常规设计所难以解决的。输电线路地基－基础－上部结构间相互耦合作用分析是典型的流、固耦合问题，因系统各部分刚度、力学特性相差较大而具有一定的特殊性，相互间耦合作用研究十分复杂。常规杆塔结构承载特性分析大都是对静荷载、断线冲击荷载和等效静风荷载进行研究，对动力特性研究相对较少，考虑地基－基础－杆塔及上部结构相互作用的耦合动力分析则更是空白。对该问题的研究可以从线－塔耦合、塔－基础、塔－基础－地基耦合和线－塔－基础－地基耦合等不同层次开展工作。重点围绕上部结构刚度及其动力特性对地基承载力、地基变形、地基土体抗力的影响；不同基础刚度（基础型式以及相同基础型式不同基础尺寸）、不同地基土特性对上部结构承载性能的影响；基础不均匀变形对上部结构内力重分布及承载特性的影响。1.3常用输电线路设计方法1.3.1国外常用方法目前在国际上，输电线路（transmissionlines）与建筑结构的设计方法类似，推荐采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，根据IEC建议输电线路设计方法与流程[21]概括如下：1）收集线路初步设计参数和有用的气象数据；2）根据极限荷载作用周期选择可靠度水平(thereliabilitylevel)，选择和列举安全要求(safetyrequirements)；3）计算气象对线路各组件作用极限荷载，以及计算与安全要求所对应的荷载；4）确定线路组件之间的相互作用力；5）选择合适的荷载与承载力作用的极限状态方程；6）计算线路各组件所容许的承载力标准值(thecharacteristicstrengths)；7）根据容许承载力标准值设计线路各组件。基础在设计方面主要计算内容包括地基土与基础稳定性计算、基础配筋计算、变形计算等，其中稳定性计算是重点，也是具有输电线路杆塔基础计算特点，而基础配筋、结构等通常根据受荷状态下结构计算方法设计。这里主要分析输电线路基础承载力方面，其控制方程为：(3-1)其中，为极限承载力标准值或特征值，其对应于满足安全性、可靠性和有效性要求时极限状态的承载力，建议根据输电线路杆塔基础试验得到；为一特定周期内最大荷载作用发生的次数影响系数；为承载力变异系数COV的影响；取值为1.0(是由应用于线路中典型杆塔基础试验得到的值时)或0.9(不是由应用于线路中典型杆塔基础，在可人为控制试验环境下试验得到的值时)；与失效概率相关的系数，通常取1.0。变电站、杆塔等结构的基础受荷可分为三种基本形式[13]见表3.2。表3.2杆塔基础基本受荷型式基础受荷基本形式主要荷载土体反力主要型式X基础顶部受较大上拔荷载，较小剪切荷载扩底上部倒锥土体与基础的重量Y基础受较大倾覆弯距，顶部受较小上拔荷载和剪切荷载无扩底时，侧壁土抗力；有扩底时，扩底上部倒锥土体的0.5倍重量和基底土压力Z基础受较大竖向下压荷载，如较重的电力设备基础基底土压力XY基础顶部受较大上拔或下压荷载，一个方向受较小剪切力，且受较大倾覆弯距和横向剪切力扩底上部倒锥土体与基础的重量和基底土压力在上拔荷载作用下，杆塔基础与地基土相互作用破坏的方式如图3.7。说明：（1）单向上拔荷载作用；（2）倒锥体重包括土和基础重量(a)常规假设上拔破坏方式说明：（1）单向上拔荷载作用；（2）承载反力包括抗拔柱体重量和沿开挖坑壁摩阻力组成。(b)基底展开角时，实际上拔破坏方式说明：（1）单向上拔荷载作用；（2）承载反力包括沿实际破坏面的土抗力和基础混凝土重量，试验证明其至少是常规假设破坏的2倍反力。(a)基底展开角时，实际上拔破坏方式图3.7基础常见破坏方式试验表明，原状土扩底基础在上拔荷载作用下，其承载力是其它非扩底基础的2～3倍，因而，设计中建议优先考虑原状土体的扩底基础，扩底基础在承载过程中不仅仅增加了抵抗上拔荷载倒锥土体的体积，也减小了上拔位移。另外，设计时是否应用扩底基础，应进行必要的调研。虽然基础在受荷时，由于与地基土的相互作用，其破坏方式呈现不同类型，但为方便计算，一般类型受荷条件其承载力控制方程可以根据不利情况进行必要简化。1）X型受荷基础上拔荷载作用时，假设由与竖直方向成一角度（粘性土为30o，松散非粘性土为20o）而形成的倒锥体的土体W重量和基础重量来抵抗（图3.8）。图3.8X型受荷基础由于基础在多向荷载作用下，考虑最不利的情况，其稳定性计算示意图见图3.9，稳定性计算控制方程如下：(3-2)其中，W为图3.9所示倒锥体中土体重量，(kN)；T为基础顶部作用上拔荷载，(kN)；H为基础顶部作用水平荷载，(kN)；C为基础重量，（kN）；b为基础底板的宽度，（m）。其它参数意义见图3.9。(a)基底展开角(b)基底展开角图3.9X型基础稳定性计算示意图2）Y型受荷基础Y型受荷基础分为Y-1型杆或排架混凝土受荷基础和Y-2型（图3.10和图3.11），Y-2可以类似进行X型最不利状况进行考虑，其控制方程一样。对于Y-1型基础进行以下假设：=1\*GB3①基础为刚性；=2\*GB3②土体对基础侧壁的土抗力成抛物线型分布；=3\*GB3③基础挤压土体的变形随深度线性变化，其计算模型见图3.10，可利用静力平衡验算其稳定性。图3.10Y-1型受荷基础图3.11Y-2型受荷基础3）X-Y型受荷基础X-Y型受荷基础一般为刚性排架杆塔基础，其受荷与基础尺寸等特点见图2-12。图3.12X-Y型受荷基础基础在下压荷载、水平荷载和倾覆弯距作用下，其计算示意见图2-13，其承载力控制方程为：(3-3)其中，或；或；；G为基础的重度。图3.13下压荷载、水平荷载和倾覆弯距作用计算示意图基础在上拔荷载、水平荷载和倾覆弯距作用下，其计算示意见图3.14，其承载力控制方程为：(3-4)图3.14上拔荷载、水平荷载和倾覆弯距作用计算示意图4）Z型受荷基础Z型受荷方式(图3.15)主要针对电气设备基础，由于设备重量的作用，使得其主要承受下压荷载或偏心下压荷载作用，其承载力主要验算点最大下压力，在一般技术规程中根据下压荷载和偏心情况即可求出最大下压力。图3.15Z型受荷基础5）桩基础在上拔荷载作用下的桩基础，如没有可靠的试验数据，推荐基桩抗拔侧摩阻力取值如表3.3。表3.3不同土层基桩抗拔侧摩阻力取值土质侧摩阻力（kPa）流塑状软土4.8淤泥5.7淤泥质粘土9.6砂土混合19.3紧密砂或砂土或坚硬粘土24.01.3.2国内通用设计方法目前架空输电线路杆塔基础设计标准是DL/T5219－2005《架空送电线路基础设计技术规定》（以下简称《技术规定》），该技术规定是SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》的修订版，适用于新建的35kV～500kV输电线路杆塔基础的设计，对更高电压等级的输电线路杆塔基础只能参考使用。SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》和DL/T5219－2005《技术规定》对上拔稳定性计算都分别都提供了“土重法”和“剪切法”两种设计方法。按“土重法”计算时，抗拔承载力主要由基础自重及基础底板上方“上拔角”范围内土体重量组成，其原理简单，计算方便，因而得到了广泛采用。采用“剪切法”计算时，抗拔承载力由基础自重和土体破裂面剪切阻力的竖向分量组成，对于原状土基础因考虑了土体自身的承载能力而较“土重法”合理。1）剪切法我国SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》和DL/T5219－2005《技术规定》中“剪切法”计算输电线路杆塔基础上拔稳定性时都根据基础埋深是否大于临界深度的不同，采用如图3.16所示的计算模型。在不考虑相邻基础影响条件下，基础埋深是否大于临界深度的不同，基础上拔稳定性计算按照“剪切法”的计算公式也不同。其中SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》计算公式如（3-5）所示。DL/T5219－2005《规定》计算公式如（3-6）所示。(a)(b)图3.16《技术规定》中“剪切法”计算示意图（3-5）（3-6）式中：—基础上拔力设计值，kN；—基础附加分项系数；—基础的埋置深度，m；—基础底面以上土的加权平均重度，；—圆形底板直径，m；—（）范围内的基础体积，；—基础“剪切法”计算上拔临界深度，m，如表3.4所示。表3.4剪切法临界深度土的名称土的状态基础上拔临界深度碎石、粗、中砂密实～稍密4.0D～3.0D细、粉砂、粉土密实～稍密3.0D～2.5D粘性土坚硬～可塑3.5D～2.5D可塑～软塑2.5D～1.5D为基础自重力，kN；为基底展开角影响系数，当时取=1.2；当时取=1.0；为计算凝聚力，kPa；当小于90%时，取；当大于90%时，取；式中：为按饱和不排水剪或相当于饱和不排水剪方法确定的凝聚力，kPa；—地基土的实际饱和度，%。和为无因次系数，按图3.17确定。A1（φ=2~20°）A2（φ=2~20°）A2（φ=22~48°）图3.17《技术规定》中“剪切法”计算无因次系数从公式（3-5）和公式（3-6）可以看出，SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》和DL/T5219－2005《技术规定》关于基础极限抗拔承载力“剪切法”计算时，抗拔承载力的核心组成部分（基础破裂面上土体剪切阻力所构成的抗拔力）都没有发生变化。从以上分析可以看出，杆塔基础上拔稳定性关键是无因次系数A1和A2的确定，但是SDGJ62-84《送电线路基础设计技术规定》和DL/T5219－2005《规定》都没有给出A1和A2的具体计算表达式，设计时需根据内摩擦角φ和基础埋深与底板宽度比值H/D不同，根据图3.17查曲线确定。在图3.17所示查曲线中，A2给出了φ为0～48°的值，而A1仅有φ为0～20°时的值。在DL/T5219－2005《技术规定》中关于“剪切法”的条文说明（该技术规定中第205页）中给出了由剪切阻力构成的基础土体极限抗拔承载力通用计算公式为：（3-7）该条文说明指出，公式（3-6）“剪切法”计算公式是公式（3-7）的简化形式，用于手算者，简化公式A1系数的φ不可大于20°。当φ大于20°时，应用通用公式（3-7）进行计算。但是实际工程设计中，因为曲线图中没有φ>20°的值，所以设计中通常取A1＝0。目前这种设计计算参数取值方法，可能是设计中经常出现大荷载和土质条件下较好的原状土基础按《技术规定》中“剪切法”计算得到的基础尺寸比按“土重法”计算的原因。2）土重法根据DL/T5219－2005《技术规定》，土重法计算自立式铁塔基础上拔稳定，计算式为：(3-8)其中，参数的意义见图3.18以及《技术规定》。(a)(b)图3.18《技术规定》中“土重法”计算示意图《技术规定》根据不同的土层给出了土重和上拔角的取值见表3.5。表3.5不同土质土重度和上拔角列表参数粘土及粉质粘土粉土砂土坚硬、硬塑可塑软塑密实中密稍密砾砂粗、中砂细砂粉砂重度(kN/m3)17161517161519171615上拔角(°)25201025201030282622注：位于地下水以下土重度取有效重度，上拔角仍按本表值取。3）倾覆稳定计算在DL/T5219－2005《技术规定》中，倾覆稳定计算考虑基础受力状态为基础顶部水平荷载作用或基础顶部受下压和水平荷载作用，杆塔基础倾覆稳定计算主要以下几种型式，这里着重讨论设计计算模型。=1\*GB3①电杆基础其计算模型受荷状态为水平荷载作用，假设土压力呈线性分布和土壤达到极限平衡状态，因而，根据静力平衡可计算得到电杆极限倾覆力Sj或极限倾覆力矩Mj，其计算示意如图3.19。图3.19电杆基础计算模型其中，X为土压力；m为土压力参数。=2\*GB3②铁塔浅基础基础埋深与侧面宽度之比不大于3的整体式刚性基础，其计算模型受力状态为竖向下压和水平荷载作用，假设土体达到极限平衡状态，，其计算示意图见图3.20，由静力平衡条件计算基础极限倾覆力或极限倾覆力矩。图3.20铁塔浅基础计算模型=3\*GB3③铁塔深基础基础埋深与侧面宽度之比大于3的整体式刚性基础，其计算模型受力状态为竖向下压和水平荷载作用，假设土体达到极限平衡状态，，其计算示意图见图3.21，由静力平衡条件计算基础极限倾覆力或极限倾覆力矩，或进行倾覆验算。图3.21铁塔深基础计算模型其它基础型式包括桩基础、岩石基础等，其倾覆稳定在《技术规定》中未给出明确设计计算方法。1.3.3实例计算对比为对比分析国内外杆塔基础稳定性计算方法，以某沙漠地区风积沙地基大开挖板式斜柱基础现场试验为例，进行国内外输电线路杆塔基础极限承载力计算对比分析，基础计算参数如表3.6。表3.6实例基础计算参数基础编号底板边长(m)基础埋深(m)土重度(kN/m3)底板厚度(m)基础体积(m3)水平荷载作用高度(m)上拔荷载作用距离(m)14.24.0150.614.774.51.0525.53.2150.624.074.71.4632.63.2150.34.195.00.37根据国内《技术规定》之“土重法”上拔稳定性计算方法，此试验中沙漠地区风积沙地基为松散的细砂，根据表3.5上拔角选用22°，水平力影响系数、基础附加分项系数等参数取值见《技术规定》，由（3-8）式得到试验基础上拔极限承载力计算值见