第十章杆塔基础.docx

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第十章杆塔基础

第一节概述

杆塔基础是将杆塔固定在地面上，以保证杆塔不发生倾斜、倒塌、下沉和上拔等的设施。

如钢筋混凝土杆若直接埋入土中，由于横截面积很小，在一般土壤中都会下沉。

此时为防止电杆下沉，往往在电杆底部垫一块面积较大的钢筋混凝土底盘，底盘就是防止电杆下沉的基础。

拉线的作用一方面承受外部荷载对杆塔的作用力，提高杆塔的强度，以减少杆塔的材料消耗量；另一方面，连同拉线棒和拉线盘，起到将杆塔固定在地面上，以保证杆塔不发生倾斜和倒塌的作用。

拉线盘就是固定拉线的基础。

铁塔一般是用底脚螺栓固定在基础上。

铁塔基础根据地形、地质和施工条件的不同，所采用的类型也不同，见表10-1。

表10-1　　　　　　　　　　　　　铁塔基础类型

　　　　类型

　　　　　适用范围

　　　　　　示意图

1.混凝土或钢筋混凝土基础

常用

2.预制钢筋混凝土基础

缺砂石和水的地区

不适合现场浇制的地方

3.金属基础

运输困难的地区，对腐蚀性强

的土质应加防腐措施或不用

4.浇注式基础

跨河流冲刷的深基础或爆破

成型的短桩基础

5.岩石基础

山区岩石地区

一、杆塔基础的分类

（一）按基础受力情况分类

按基础受力情况的不同，杆塔基础可分上拔、下压类基础和倾覆类基础两类。

1.上拔、下压类基础。

此类基础主要承受的荷载为上拔力或下压力，兼受较小的水平力。

属于此类基础的杆塔如图10-1所示的带拉线电杆基础和分开式铁塔基础等。

2.倾覆类基础。

此类基础主要承受倾覆力矩，属于此类基础的杆塔如图10-2所示的无拉线单杆基础、整体式铁塔基础和宽身铁塔的联合基础等。

图10-1上拔、下压类杆塔基础

（二）按照基础的材料和施工方法分类

按照基础的材料和施工方法的不同，杆塔基础可分为预制钢筋混凝土基础、现浇钢筋混凝土基础、桩基础和岩石基础等。

预制基础的混凝土强度等级不应低于C20，现浇基础的混凝土不宜低于C15，基础垫层的混凝土不应低于C10。

岩石基础的地基应逐基鉴定。

二、基础设计的基本要求

1.基础型式的选择，应结合线路沿线地质、施工条件和杆塔型式等的特点综合考虑。

有条件时，应优先采用原状土基图10-2倾覆类杆塔基础

础。

一般情况下，铁塔宜采用现浇钢筋混凝土基础或混凝土基础；运输或浇制混凝土有困难的地区，可采用预制装配式基础或金属基础；必要时可采用桩基础；电杆及拉线宜采用预制装配式基础。

2.基础埋深应大于土壤的冻结深度，并不应小于0.6m。

严寒地区入土的钢筋混凝土电杆和基础，应采取防止冻胀的措施。

3.跨越河流或位于洪泛区的基础，必须进行水文地质调查，并考虑30-50年的河床冲刷变迁，一般宜将基础设计在常年洪水淹没区以外。

如洪水淹没时，应考虑基础局部冲刷及漂浮物、流冰等撞击影响，并采取适当的防护措施。

在山坡上的杆塔基础，应考虑边坡稳定及滚石或山洪冲刷的可能，并采取防护措施。

表10-2基础附加分项系数γf值

基础型式

重力式

基础

其它各种

类型基础

直线杆塔

耐张直线及悬垂转角杆塔

转角、终端及大跨越塔

0.9

0.95

1.10

1.30

1.60

4.对高杆塔及特殊重要的杆塔基础，当位于地震烈度为7度及以上的地区，且场地为饱和沙土和饱和粉土时；对220kV及以上的耐张型转角塔基础，当位于地震烈度为8度及以上时，均应考虑地基液化的可能性，并采取必要的稳定地基或基础的抗震措施。

三、基础设计的极限状态表达式

（一）基础的上拔和倾覆稳定，应采用下列极限状态表达式

（10-1）

式中γf—基础的附加分项系数，按表10-2的规定确定；

TE—基础上拔或倾覆外力设计值；

A（γK,γS,γC,…）—基础上拔或倾覆的承载力函数。

当基础上拔承载力采用倒截锥体土重法计算时，

上拔角可参考表10-9数值；

γK—几何参数的标准值；

γS、γC—土及混凝土的重度设计值（取土及混凝土的实际重度）。

当位于地下水位以下时，取有效重度。

（二）基础底面压应力，应采用下列极限状态表达式

1.当轴心荷载作用时p≤fa/γrf（10-2）

式中P—基础底面处的平均压应力设计值；

fa—修正后的地基承载力设计值；

γrf—地基承载力调整系数，宜取γrf=0.75。

2.当偏心荷载作用时，除应按式（10-2）计算外，尚应按式（10-3）计算：

Pmax≤1.2fa/γrf（10-3）

式中Pmax—基础底面边缘的最大压应力设计值。

第二节土的分类及其特征指标

一、土的分类

土是岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等过程所形成的各种疏松沉积物的总称。

按《建筑地基基础设计规范》，土分为岩石、碎石土、砂土、粘性土和人工填土五大类。

1.岩石。

岩石即颗粒间牢固连接，呈整体或具有裂隙的岩体。

按坚硬性分为硬质和软质，按风化程度分为微风化、中等风化和强风化，见表10-3。

表10-3岩石坚固性和风化程度的划分

坚固性

岩石类别

岩石名称

硬质岩石

花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、硅质砾岩等

软质岩石

页岩、粘土岩、绿泥石片岩、云母片岩等。

风化程度

特征

微风化

岩石新鲜、表面稍有风化迹象

中等风化

1.结构或构造层理清晰

2.岩体被节理，裂隙分割成20-50cm块状，裂隙中填充少量风化物。

锤击声脆，且不易击碎

3.用镐难挖掘，岩心钻方可钻进

强风化

1.结构或结构层理不甚清晰，矿物成分已显著变化

2.岩体被节理，裂隙分隔成2-20cm碎石状，碎石用手可以折断

3.用镐可以挖掘，手摇钻不易钻进

2.碎石土。

碎石土即粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。

根据颗粒级配及形状，按表10-4分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。

碎石土的密度可按表10-5分为密实、中密和稍密。

表10-4碎石土分类

土的名称

颗粒形状

土的名称

颗粒形状

颗粒级配

漂石

圆形及亚圆形为主

块石

棱角形为主

粒径大于200mm的颗粒超过全重50%

卵石

碎石

粒径大于20mm的颗粒超过全重50%

圆砾

角砾

粒径大于2mm的颗粒超过全重50%

表10-5碎石土密实度的野外鉴别方法

密实度

骨架颗粒含量和排列

可挖性

可钻性

密实

骨架颗粒含量大于总重的70%，呈交错排列，连续接触

铁镐挖困难，用撬棍方能松动；井壁一般稳定

钻进极困难；冲击钻探时，钻杆、

吊锤跳动剧烈；孔壁较稳定

中密

骨架颗粒含量大于总重60%~70%，呈交错排列，大，呈交错排列，大部分接触

镢镐可挖掘；井壁有掉块现象，从井壁取出大颗粒处，能保持颗粒凹面形状

钻进较困难；冲击钻探时，钻杆、

吊锤跳动不剧烈；孔壁有坍塌现象

稍密

骨架颗粒含量小于总重的60%，

排列混乱，大部分接触

可以挖掘；井壁易坍塌，从井壁取出大颗粒后，砂性土立即坍落

钻进较容易；冲击钻探时，钻杆、

吊锤稍有跳动；孔壁易塌

3.砂土。

砂土即粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、塑性指数Ip不大于3的土。

根据颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。

砂土密实度，根据天然孔隙比e，分为密实、中密、稍密和松散，见表10-6。

表10-6砂土的分类和密实度的划分

土的名称

颗粒级配

密实

中密

稍密

松散

砾砂

粒径大于2mm的颗粒占全重量25%~50%

e＜0.60

0.60≤e≤0.75

0.75＜e≤0.85

e＞0.85

粗砂

粒径大于0.5mm的颗粒超过全重量50%

中砂

粒径大于0.25mm的颗粒超过全重量50%

细砂

粒径大于0.075mm的颗粒超过全重量75%

e＜0.70

0.70≤e≤0.85

0.85＜e≤0.95

e＞0.95

粉砂

粒径大于0.075mm的颗粒不超过全重量75%

4.粘性土。

按工程地质特征分为：

老粘性土、一般粘性土、淤泥及淤泥质土和红粘土。

按塑性指数Ip可分为粘土和粉质粘土，粘性土的形状根据液限指数IL分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，见表10-7。

表10-7粘性土的分类和状态的划分

土的名称

塑性指数Ip

塑性指数IL

粘土

Ip＞17

IL≤0

0＜IL≤0.25

0.25＜IL≤0.75

0.75＜IL≤1

IL＞1

粉质粘土

10＜Ip≤17

坚硬

硬塑

可塑

软塑

流塑

5.人工填土

（1）素填土。

即由碎石、砂土、粘性土等组成的填土，经夯实同称为压实填土。

（2）杂填土。

即含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。

（3）冲填土。

由泥砂形成的沉积土。

图10-3土的天然休止角

6.土的天然休止角φ'、内摩擦角φ、抗剪角β、上拔角α

（1）土天然休止角φ

'是土在自由堆积时，土堆自然形成的角度，如图10-3所示。

（2）土的内摩擦角φ，是为了处理一部分土与另一部分土之间的摩擦力问题而引入的一个参数。

根据土的抗剪强度的库仑定律，即在法向压应力变化不大时，土的抗剪强度τf与法向压应力σ的关系近似为一条直线，如图10-4所示。

图10-4抗剪强度与法向应力的关系曲线

对于砂土，τf~σ的关系曲线是通过坐标原点的一条直线，如图10-4（a）所示；对于粘性土，τf~σ的关系曲线是纵轴上有截距的直线，如图10-4（b）所示。

由库仑定律得出砂土和粘性土的抗剪强度表达式为：

砂土τf=σtanφ（10-4）

粘性土τf=σtanφ+C（10-5）

式中τf—土的抗剪强度，MPa;

σ—作用在剪切面上的法向应力，MPa;

φ—土的内摩擦角，（°）；

C—土的粘聚力，MPa。

库仑定律说明，土的抗剪强度是随着剪切面上的法向应力的增大而增大。

土的抗剪强度由土的内摩擦力σtanφ和粘聚力C两部分组成。

（3）土的抗剪角β是考虑到粘性土粘聚力C的影响，在求土的图10-5土的等代内摩擦角

抗剪强度时而引用的一个等代角度，如图10-5所示。

各类土壤的β值见表10-8。

表10-8土的计算容重γ、计算等代内摩擦角β、

计算上拔角α、被动侧土压力参数m

土名

粘土、亚粘土、轻亚粘土

砾

砂

粗砂

中砂

细

砂

粉

砂

坚硬、硬塑

可塑

软塑

γ（kN/m

）

β（°）

α（°）

m（kN/m

）

62.7

25.5

图10-6土的上拔角

（4）土的上拔角α是基础受上拔力时，由抵抗上拔力的锥形土体与垂直面所形成的一个角，如图10-6所示。

计算上拔角按表10-8查得。

二、土的物理力学性质及特征

土的物理性质是指土的物质组成、结构、密度和可塑性等基本属性。

土粒、水和气体是土的三个基本组成部分，其中土粒是主体，构成土的骨架，水和气体充满于土骨架的空隙中。

当土中的空隙完全被水填充时，称为饱和土；当土中空隙全被气体充满时，称为干土；当土的空隙中同时存在水和气体时，称为湿土。

颗粒间不具有粘聚力的土，称为无粘性土；颗粒间具有粘聚力的土，称为粘性土。

土是由土粒、水和气体组成。

它们在土中的含量不同，土的物理、力学性质也不同。

为了对土的物理性质作出定量的评价，常利用土中的土粒、水和气体在体积和质量上的相对比值，作为土的物理性质指标。

10-７土的三相关系示意图

为了便于研究土粒、水和气体在数量上的相互关系，设想把土体中的各相分别集中在一起，简化为图10-７所示的土的三相图。

图10-７中，Ｖ为土的总体积；Va为土中气体的体积；Vw为土中水的体积；m为土的总质量；mw为土中水的质量；ms为土中颗粒质量；ma为土中气体的质量，常忽略不计。

土的物理力学性质指标可分为重量指标和体积指标。

（一）重量指标

以土中各相的质量或重量来反映土的物理性质的指标，称为重量指标。

1.土的密度（ρ）和重度（γ）。

土的密度是指单位体积土的质量；重度是指单位体积土的重量。

随着土的湿度状态不同，在工程实际中常划分为以下4种。

（1）湿密度（ρ）和湿重度（γ）。

土的湿密度也就是土的密度，指天然状态下单位体积土的质量，即

（10-6）

土的湿重度也就是土的重度,指天然状态下单位体积土的重量，

（10-7）

式中g—重力加速度，标准值为9.80665m/s²；

ρ—湿密度，kg/m³；

γ—湿重度，N/m³。

（2）饱和密度（ρsat）和饱和重度（γsat）。

饱和密度是指土在饱和状态下单位体积的质量，即

（10-8）

同理

（10-9）

（3）浮密度（ρ'）和浮重度（γ'）。

浮密度是指水面以下的土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差，即

（10-10）

同理

（10-11）

（4）干密度（ρd）和干重度（γd）。

干密度是指土在干燥状态下单位体积的质量，

（10-12）

同理

（10-13）

2.土粒比重（Gs）。

土粒比重是指土粒质量与同体积4℃时的纯水质量之比，

（10-14）

3.含水率（w）。

含水率是指土中水的质量与土颗粒质量的比值百分数，

（10-15）

土从可塑状态转到流动状态的界限含水率wL称为液限，从半固态进入可塑状态的界限含水率wP称为塑限。

液限wL与塑限wP都是通过对地基土样进行实际测量确定的。

塑性指数IP。

塑性指数IP为液限wL与塑限wP之差，IP=wL-wP。

（10-16）

液性指数IL。

液性指数IL为天然含水率w与塑限wP之差除以塑性指数IP，即IL=（w-wP）/IP（10-17）

（二）体积指标

1.饱和度（Sr）。

饱和度是指土中水所占体积与孔隙体积的比值百分数，

（10-18）

2.孔隙率（n）。

土的孔隙率是指土中孔隙的体积与总体积的比值百分数，

（10-19）

3.孔隙比（e）。

土的孔隙比是指土中孔隙体积与土粒体积的比值百分数，

（10-20）

（三）土的压缩模量、变形模量、弹性模量

土在压力作用下，体积要缩小，即有压缩性。

土的压缩性主要是由于土中孔隙体积的减小，也就是孔隙中一部分水和空气被挤出，封闭气体被压缩，与此同时，土颗粒产生移动，相互靠拢挤紧。

土的压缩表现为竖向变形和侧向变形，一般以竖向变形为主。

1.土的压缩模量Es。

土的压缩模量Es是指土在侧限条件下在压力p1作用下受压时，竖向压应力增量Δp与相应的压应变的比值，即

（10-21）

假设某一试样，在压力为p1时，其高度为H1，孔隙比为e1；当压力由p1增大到p2时，土样稳定压缩量为S，相应孔隙比为e2；则

，

故

（10-22）

式中

—压缩系数，土试样的孔隙比减小量与压力增量的比值。

压缩模量越小，土的压缩性越高。

当Es＜4MPa时，为高压缩性土；当4MPa≤Es＜15MPa时，为中压缩性土；当Es＞15MPa为低压缩性土。

2.土的变形模量E0。

土的变形模量E0是指在单轴受力且无侧限情况下，应力与应变之比。

通过试验可知，土的压缩曲线与回弹曲线不重合，表明土体不能完全恢复其压缩变形。

卸载后恢复的那部分变形，称为弹性变形；不能恢复的那一部分变形，称为残余变形。

显然，土的变形模量与一般的弹性材料的弹性模量有区别，故称之为变形模量。

土的变形模量，多根据荷载试验求得。

3.土的弹性模量Ee。

土的弹性模量Ee，指法向应力与相应的土的弹性应变的比值，它常用于瞬时荷载下地基变形的计算以及动力基础的振动计算等。

第三节地基土中的应力

土体中的应力主要包括由土体本身重量产生的自重应力；由建筑物荷载引起的附加应力；由土中渗流引起的渗透力以及由于地震作用导致土体中产生的地震力等。

一、自重应力

土体在自重作用下，既无侧向变形，也无剪切变形，只产生垂直变形。

因为土层的覆盖面积很大，土的自重可看作分布面积无限大的荷载。

由于半无限土体的假定，自重应力仅与z轴有关。

根据这个条件，在均质土中的自重应力，按下式计算

（10-23）

式中σz—地面以下深度z处的自重应力，kN/m

；

z—地面至计算点处的深度，m；

A—土柱底面的面积，m

；

γ—土的天然重度，kN/m

；图10-8均质土的自重应力分布

显然，均质土层的自重应力σz与计算点的深度z成正比关系，在同一深度的水平面上，自重应力各处相等。

自重应力分布如图10-8所示。

当地基由成层土组成时，如图10-9所示，各土层的厚度为h1、h2、h3，相应的重度分别为γ1、γ2、γ3，各层土底面处的自重应力为各层土上覆的重量，即任意层i的厚度为hi，重度为γi,则在深度

处的自重应力σz为

（8-24）

二、附加应力图10-9成层土的自重应力分布

1.附加应力的计算

附加应力与自重应力不同，因为基础面积是有限的，基础荷载是局部荷载，应力传至深层产生应力扩散。

随着深度的增加，单位面积上的应力将减小。

在附加应力的作用下，地基产生变形，使建筑物基础发生沉降。

如图10-10所示，当半无限弹性体表面上作用一垂直集中力P时，弹性体内部任意点M可产生6个应力分量。

在这6个应力分量中，因为地基的变形主要是由垂直附加应力σz引起的。

垂直附加应力可用弹性理论解得为

（10-25）

式中z—地表面到计算点M的深度，m；

P—作用于坐标原点的垂直集中力，kN；图10-10集中力作用下应力分布图

R—M点至集中力P作用点的距离，m。

为了方便计算，将

代入式（10-25）简化为

（10-26）

式中K—应力分布系数，

2.矩形基础地基中附加应力计算

（1）均布垂直荷载情况。

矩形基础在均布荷载p0作用下，在M点产生的附加应力为

（10-27）

式中Kc—矩形基础受均布垂直荷载作用，角点下附加应力系数，

（10-28）

L、B—基础的长和宽，m。

m=L/B，n=z/B。

（2）三角形分布的垂直荷载情况（L边荷载分布不变）。

矩形基础受垂直三角形分布荷载作用时，附加应力计算式为

（10-29）

式中pOT—三角形分布的垂直荷载最大值，kN/m²；

KT—矩形基础受三角形垂直荷载作用，荷载强度为零的边角点下附加应力

系数，按式（10-30）计算。

（10-30）

三、基底压力

外界荷载、上部建筑物和基础的重量，都是通过基础传给地基土体的，作用在基础底面处单位面积上的压力称为基底压力。

实践和理论证明，基底压力的大小与分布和基础的形状、刚度、荷载大小的分布，地基土的性质等因素有关。

在同样条件下，基础刚度不同，则基底压力也就不同。

1.当矩形基础受垂直中心荷载作用时，基底压力为p=P/A（10-31）

式中p—基底压力，kN/m²；

P—作用于基础底面上包括自重的荷载合力，kN；

A—矩形基底面积，m²。

2.当基础为矩形，荷载合力作用在基底的一个主轴上，如图10-11（a）所示，基底两端的最大和最小基底压力为

（10-32）

式中B——与偏心荷载中P所作用的主轴相平行的矩形基础边长，m；

e——荷载合力的偏心距，m。

由式（10-32）可以看出，e越小，pmax与pmin的差值越小，即趋于均匀分布。

当eB/6时，基底一侧一部分的压力将为负值，如图10-11（d）所示，这意味着基底的BC段出现拉力，导致基底压力重新调整为：

小压力一侧基底部分范围内不受力，而另一侧基底压力增大。

第四节主要承受上拔力基础的计算

受拉力的铁塔基础、拉线盘等，属于主要承受上拔力的基础。

承受上拔力的基础，一般采用开挖基坑施工，因此基础周围的土壤结构受到了破坏，在计算时不考虑土体的抗剪强度，通常用“土重法”进行计算，即以基础自重加上堆体的重量来抵抗上拔力。

利用原状土抵抗上拔力的基础，可达到节约的目的。

当施工能保持基础周围土的原状时，可按“剪切法”进行计算。

一、阶梯形基础

1.基础上拔稳定计算

计算简图如图10-12所示。

根据土的类别及状态，基础的型式，按表10-9确定基础的临界深度hc。

基础上拔稳定按下式计算

（10-33）

式中T—上拔力，N；

Pf—基础自重，N；

γ0—土的计算重度，N/m³；

γf—基础附加分项系数；

Vt—上拔土堆体体积，m³；

V0—ht深度内的基础体积，m³；

ht—基础上拔深度，m。

表10-9临界深度hc

序

号

土名及状态

圆形底板

方形底板

砂类土（稍密~密实）

粘性土（坚硬~硬塑）

粘性土（可塑的）

粘性土（软塑的）

2.5D

2.0D

1.5D

1.2D

3.0B

2.5B

2.0B

1.5B

式（10-33）的适用条件：

对于非松散砂类土ht/D≤4.0（或ht/B≤5.0）；对于粘性土ht/D≤3.5（或ht/B≤4.5）。

图10-12临界深度

考虑水平力H的影响，式（10-30）右侧第一项还应乘以下列系数：

H/T=0.15～0.4时，乘以1.0～0.9；

H/T=0.4～0.7时，乘以0.9～0.8；

H/T=0.7～1.0时，乘以0.8～0.75；

Vt由下面方法确定：

（1）当ht≤hc时，则：

方形底板

圆形底板

（10-34）

（2）当ht>hc时，则：

方形底板

圆形底板

（10-35）

式中α—回填土的上拔角。

当相邻基础轴线间的距离

时，还应在

中减去

，对正方形底板的

按下式计算

（10-36）

2.基础强度计算

（1）主柱强度计算。

当矩形截面主柱承受双向偏心受拉时，如图10-13所示，其纵向钢筋（对称配筋）截面面积，可根据内力等于外力、内力矩等于外力矩的原理，考虑双向叠加而求得，应满足式（10-37）～（10-39）的要求，即

（10-37）

（10-38）

（10-39）

式中As—全部纵向钢筋的面积，m²；

Asx、Asy—平行于x轴和y轴方向两

侧钢筋的截面面积，m²；图10-13双向偏心受拉

T0—计算截面上的纵向拉力，N；

e0x、e0y—T0沿x轴和y轴方向的偏

心距，m；

Zx、Zy—平行于x轴和y轴方向两侧

钢筋重心间的距离，m；

n—全截面钢筋的总根数；

nx、ny—平行于x轴和y轴方向

一侧钢筋的根数；

γf—基础附加分项系数；

fs—钢筋的抗拉强度设计值，

N/m²。

（2）底板强度计算。

阶梯形基础如图10-14所示，在台阶以下一段一般设计成刚性的，故台阶不产生弯曲。

但要图10-14阶梯形基础

校核截面1-1和2-2的抗剪强度，以及截面3-3的抗裂强度。

基础上面的压应力为

（10-40）

式中σmax、σmin—基础上面的最大和最小压应力，N/m²;

T0—作用于

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