中国电机工程学会输电线路专委会2020年学术年会PHC管桩基础在输电线路工程中的应用研究

中国电机工程学会输电线路专委会2020年学术年会PHC管桩基础在输电线路工程中的应用研究

李红旭 1 ，李旭 1 ，张亚龙 1 ，董志超 1 ，张楷 1

1．中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，石家庄市建华北大街6号

Application of PHC Pile Foundation in Transmission Line Engineering

LI Hongxu¹

1. 
   

2. POWERCHINA HEBEI ELECTRIC POWER ENGINEERING CO., LED.

ABSTRACT: Prestressed high strength concrete pipe pile (PHC pile) has the advantages of high bearing capacity, mature manufacturing technology, low cost, good hitting resistance, strong penetration ability and convenient construction, which can be used in soft soil, fill soil, general clay soil, silty soil, loose and slightly dense sandy soil geological conditions for transmission line. Generally,small diameter pile with cap foundation is the main pile foundation, which needs to meet the pile strength requirements of pile foundation under various working conditions such as tensile bending and compression bending, through trial calculation of 500kV double circuit tension support tower on silty soil and cohesive soil geological conditions, it is found that the tension-flexure condition controls PHC’s type. Compared with 4 kinds of multi-piles cap scheme, type B pile can meet most of the pile bearing capacity requirements. Under the condition of constant foundation force, the pile type can be reduced by increasing the number of piles, but the total length of PHC piles and the amounts of the pile cap volume are relatively large. Therefore, it is not recommended to increase the number of piles and then reduce the pile type under the premise that the B-type pile can meet the load bearing requirements, it is also not recommended to use C-type pile considering the risk of market purchase. Reasonable eccentric arrangement of column can make the stress of each pile foundation more even and reduce the stress of pile body. The pile head extends into the pile cap 300~500mm (considering the error of pile elevation control during construction), the bottom reinforcement of the pile cap at the stretching position is disconnected and equipped with "cap reinforcement" and ring stirrup to protect the pile head. The anchor reinforcement of the pile cap is connected to the pile top plate by mechanical means. Pile and pile are connected by mechanical meshing joint.

KEY WORDS：PHC pile, power transmission line engineering, column eccentricity, tensile bending condition, pile type selection, pile and cap connection, pile and pile connection.

摘要：预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）具有单桩承载力高、制作工艺成熟、造价低、耐打性好，穿透能力强且施工便捷等优点，可以在输电线路工程的软土、填土、一般粘性土、粉土、松散及稍密的砂类土地基中采用。一般以小桩径的承台桩基础为主，需要满足桩基在拉弯、压弯等各种工况下的桩身强度要求，经过试算500kV双回耐张塔在粉土、粘性土地基上的情况，发现桩顶拉弯工况控制PHC桩的选型。对比4种多桩承台方案，B型桩可以满足大部分的桩身承载力要求。基础作用力不变的情况下，可以通过增加桩数量可以降低桩型，但是单个腿基础的PHC管桩的使用长度和承台工程量相对较大。故在B型桩能够满足承载要求前提下不建议通过增加桩数再降低桩型，考虑市场采购的风险也不建议采用C型桩。合理的立柱偏心布置可以使各个桩基受力更均匀，减小桩身受力。桩头伸入承台300~500mm（考虑施工打桩标高控制的误差），伸入位置承台底板筋断开并配置“帽筋”和环形箍筋对伸入的桩头进行保护，承台锚固筋通过机械方式与桩顶端板连接。桩与桩采用机械啮合接头进行连接。

关键词：PHC管桩、输电线路工程、立柱偏心、拉弯工况、桩型选择、桩与承台连接、桩与桩连接

1 引言

预应力高强度混凝土管桩（Pre-stressed High-strength Concrete Pile），简称 PHC 管桩。它是采用先张预应力离心成型工艺，经过蒸压养护制成的一种空心圆筒型混凝土预制桩型。

PHC 管桩的特点是单桩承载力高、制作工艺成熟、造价低、耐打性好，穿透能力强且施工便捷可缩短施工周期。在20世纪80年代逐步在高层建筑、桥梁、港口等行业大量应用。随着我国基础设施建设的大力发展，PHC 管桩发挥的作用越来越大，正朝着高承载力的超高强预应力混凝土管桩方向发展^[1]。

电力行业中的应用主要集中在发电厂、变电站、风机等基础中，在输电线路铁塔基础中的应用很少。相比其他工业与民用建筑工程，输电线路的基础荷载具有上拔与下压交替变化，上拔荷载与水平荷载大等特点。

淮南-南京-上海交流特高压交流工程中首次进行了PHC管桩在特高压输电线路工程中的试点应用，后续山东~河北环网工程以及北京西~石家庄交流特高压工程中第一次大规模推广应用PHC管桩，取得很好的经济和环保效益。实践证明PHC管桩基础在输电线路工程中的使用是可行的。

2 PHC管桩适用条件

1）适用于平地、河网泥沼地形。

2）适用于基岩埋藏深、软弱土层及风化残积土层厚的地质条件，宜选择强风化岩或全风化岩、坚硬粘性土、密实砂土等岩土层作为桩端持力层。

3）可穿越各类软土、填土、一般粘性土、粉土、松散及稍密的砂类土，进入厚层老粘性土、碎石土、中密及中密以上砂类土、强风化岩以及中风化极软岩一定深度。

当需穿过上述硬土层或进入硬土层较深时，应通过试验确定其适用性。

当场地存在深厚淤泥、淤泥质土，且基础埋深较大时，应经过技术经济比较，确定预应力混凝土管桩基础的适用性。

4）采用锤击打桩机沉桩时，需考虑噪声、振动对环境的影响，建议施工现场远离居民区、自然保护区200m以上。

5）地下水或地基土对管桩的混凝土、钢筋及钢零部件具有微、弱腐蚀时可使用；具有中等腐蚀时，应根据使用条件按有关规范采取有效的防腐蚀措施，强腐蚀地区不建议采用。

6）适用于非抗震设计及抗震设防烈度6度、7度、8度的地区。

3 PHC管桩的设计要点

根据国标图集《预应力混凝土管桩》(10G409)PHC管桩的桩径从300mm至1200mm不等，桩长根据加工模具5至12m不等，考虑运输难度不宜过长。

选取国网铁塔通用设计数据库中的5A1、5A2和5C3模块，风区为27m/s或29m/s，冰区为10mm，导线为4×LGJ-400/35。基础作用力范围列表如下：

表1 常用500kV铁塔基础作用力范围表

Tab.1 Tower foundation force range table of PHC pile foundation with 500kV

选取典型华北平原地质进行试算，地质参数列表如下：

表2 典型华北平原地质参数表

Tab.2 Table of typical geological parameters of North China Plain

经计算单回路直线塔0.8m桩径可以满足设计要求，考虑到0.8m桩径PHC桩的打桩机械较大，转场难度大。福建省、浙江省、天津市相关混凝土管桩基础技术规程中锤击法沉桩的最大桩径到0.6m，不建议0.8m桩径采用锤击法沉桩，而静压法沉桩在输电线路基础工程中的转场费用过高。本文只讨论多桩承台PHC管桩基础的设计方案。

PHC预制管桩基础承载力设计与普通承台灌注桩基本一致，但需重点关注以下三点的设计：1）校验桩身强度，用于PHC管桩型号的确定；2）桩与承台连接方式与强度验算；3）接桩方式选择。

3.1 桩型选择

桩身强度控制桩型的选择，多桩承台基础桩身受力的计算根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）的要求，在承受水平荷载和垂直荷载作用下，需要考虑承台、基桩协同工作和土的弹性抗力作用^[2]，需满足如下假定：

1）将土体视为弹性介质，其水平抗力系数随深度线性增加（m法），地面处为零（对于低桩承台在计算桩基时，假定桩顶标高处的水平抗力系数为零）；

2）在水平力和竖向力作用下，基桩、承台上任意一点的接触应力（弹性法向应力）与该点的法向位移成正比；忽略桩身、承台与土之间的黏着力和摩擦力对抵抗水平力的作用；

3）桩顶与承台刚性连接（固接），承台刚度视为无穷大。

通过计算发现基桩所受的弯矩最大值出现在桩顶与承台固接的连接面上，随着深度增加，弯矩变小直至变成零（反弯点）后出现反向弯矩，随着深度继续增加反向弯矩趋于零。

与最大弯矩出现在基桩与承台连接处一样，此时刚性承台传到基桩上的荷载未向土体扩散，最大轴向力和剪切力同样出现在桩顶。也就是桩顶所受的轴向力、弯矩、剪力控制PHC桩型的选择。PHC管桩需要同时满足轴拉、轴压、正截面受弯、拉弯、压弯、剪切等工况下的承载力要求。

然而国标图集《预应力混凝土管桩》10-G409中未给出拉弯工控下的桩身强度计算，查阅相关规范^[3]，环形截面的拉弯构件的正截面受拉承载力验算方法是：首先令10-G409中的公式6.3.5-1右侧为零，求得混凝土受压区面积与全截面面积的比值 ；其次把 带入6.3.1-1求得拉弯工况下的正截面受弯承载力设计值 ；再次根据公式6.3.3计算轴心受拉承载力设计值 ；最后依据《混凝土结构设计规范》公式6.2.25-1右侧计算允许轴拉力设计值 ，再与实际所受轴拉力 进行对比确定是否满足拉弯承载力强度要求。把实际所受轴拉力 与允许轴拉力设计值 的比值定义为拉弯应力比。

下面给出4个多桩承台布置方案用于基础计算：承台旋转45°，桩间距按照4倍的桩径控制，立柱顶到承台底距离2.2m满足地脚螺栓锚固长度要求。承台尺寸和立柱偏心距离如图1所示：

图1 多桩承台比选方案图

Fig. 1 Comparison plan of multiple pile caps

通过试算双回路耐张塔多桩承台基础，提取桩身受力，根据国标图集《预应力混凝土管桩》10-G409中各桩型桩身承载力匹配合适桩型。选取了0.6m桩径的四桩承台和0.5m桩径的六桩承台计算，提取桩顶受力与合适PHC桩型的桩身承载力控制指标进行对比如下：

表3 0.6m桩径的四桩承台基础各工况下的承载力

匹配结果

Tab.3 Matching results of bearing capacity of four piles cap foundations with 0.6m

pile diameter under various working conditions

表4 0.5m桩径的六桩承台基础各工况下的承载力

匹配结果

Tab.4 Matching results of bearing capacity of six piles cap foundations with 0.5m pile

diameter under various working conditions

通过对比发现，拉弯工况控制PHC管桩的选型，其他工况承载力裕度很大。通过对比普通承台灌注桩基础，桩基的配筋也是拉弯工况控制，结论一致。

由于铁塔基础作用力水平力的存在，承台立柱偏心可以使各个桩基受力更加均匀，桩顶拉力和弯矩相对更小，更利于桩身受力满足承载要求，下面以0.5m桩径六桩承台和0.4m桩径九桩承台为例探讨立柱偏心对拉弯工况下应力比的影响。

表5 PHC 500 B 125六桩承台基础立柱偏心距离对

拉弯应力比的影响

Tab.5 Influence of eccentricity distance on tensile bending stress ratio of six pile caps PHC 500 B 125

表6 PHC 400 B 95九桩承台基础立柱偏心距离对

拉弯应力比的影响

Tab.6 Influence of eccentricity distance on tensile bending stress ratio of nine pile caps PHC 400 B 95

通过对比发现，立柱偏心可以较大幅度的调整拉弯应力比，在基础作用力一定的情况下可以通过调节立柱的位置使PHC管桩桩基满足桩身强度的要求。立柱偏心有最优值，当超过最优值后反而增加不利于桩身受力。

通过世纪百合基础计算程序计算，4个方案的计算结果如表7所示：

表7 4个多桩方案计算结果对比表

Tab.7 Comparison table of calculation results of 4 multi-pile schemes

对于0.4m到0.7m桩径，B型桩可以满足大部分的桩身承载力要求，个别情况需要用到C型桩，但可以通过适当调大桩间距使B型桩也可以满足强度要求。基础作用力不变的情况下，可以通过增加桩数量可以降低桩型，甚至AB桩也可以满足桩身强度要求，但是单个腿基础的PHC管桩的使用长度和承台工程量相对较大。根据市场调研，桩型对PHC桩的单价影响不大，且AB桩和B桩的市场供应充足，C型桩因工程使用量较小市场供应很少。故在B型桩能够满足承载要求前提下不建议通过增加桩数再降低桩型，考虑市场采购的风险也不建议采用C型桩。

3.2 桩与承台连接方式

根据国标图集，传统做法是在承台底部浇筑1m厚的墩台用以保护桩头，墩台破坏了底板垫层的完整性给施工带来麻烦，而把墩台扩大连成一体又会造成至工程量的浪费。山东~河北环网工程以及北京西~石家庄交流特高压工程设计规避以上缺点，桩头伸入承台300~500mm（考虑施工打桩标高控制的误差），伸入位置承台底板筋断开并配置“帽筋”和环形箍筋对伸入的桩头进行保护。同时在管桩内壁浇筑微膨胀混凝土进行填芯，填芯混凝土钢筋锚固在承台里。

图2 PHC桩与承台连接图

Fig. 2 Connection diagram of PHC pile and cap

承台锚固筋采用机械连接，管桩端板上的主筋锚孔进行攻丝，锚筋的一端进行套丝；施工时直接把锚固筋拧入端板，提高了连接的可靠性，降低施工难度。

上节桩的桩顶端板用于机械连接承台锚固筋，对端板强度提出更高要求，需要校验端板的抗剪强度、丝扣连接强度等。经计算，对于PHC 600 B 130桩型端板在图集基础上增加4~6mm可以满足连接强度要求，或者由原来的Q235B材质提高到Q345B材质。端板采用锻造加工，坚决不能采用铸造。

3.3 接桩方式

采用机械啮合接头^[4]进行接桩，即利用连接销与分别预埋在管桩桩端端头板上的连接槽、螺栓孔等零部件进行啮合连接。

图3 螺栓孔、连接销和连接槽示意图

Fig. 3 Schematic diagram of bolt hole, connecting pin and connecting groove

施工时下节桩打入桩头距离地面1.0~1.5m，起吊上节桩并拧入连接销，对准下节桩的连接槽口防松上节桩，利用其自重将连接销完全插入下节桩的连接槽内。啮合接头预埋件随管桩一起工厂预制，连接质量可靠；现场接桩操作简单，施工速度快；避免焊接接桩的现场焊接工作，提高施工安全性。对于腐蚀性地质需考虑接头的防腐处理，由于接头防腐措施效果不明确，目前不建议在地下水对钢结构有强腐蚀的地区采用。

参考文献

[1] Japanese Industrial Standard Pre-tensioned Spun Concrete Piles: JISA5337-2010[S]. Japan: Japanese Standards Association,2010.

[2] JGJ 94-2008(条文说明), 建筑桩基技术规范[S].

[3] GB 50010-2010, 混凝土结构设计规范[S].

[4] 王宗成. PHC管桩机械啮合连接结合焊接的组合接桩技术[J]. 福建建设科技,2019,No.164(01):47-49.

李 红旭（1989），男，工学硕士，工程师，主要从事特高压输电线路工程的设计与研究工作；