CN104929147A - 中空大直径挖孔基础及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空大直径挖孔基础，包括基础主柱和基础宽底部；基础主柱包括基础露头和基础埋深段，基础埋深段内设有主柱空腔；基础宽底部包括圆台和底部圆柱体，圆台内设有底部空腔；主柱空腔和底部空腔内填充有弃土；主柱主筋和圆柱主筋通过圆台主筋相连，主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋外侧设有外箍筋，主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋内侧设有架立箍筋。本发明还公开了一种中空大直径挖孔基础的制作方法，步骤如下：一、初步设置挖孔基础尺寸参数，二、计算挖孔基础的弯矩、剪力、位移和转角，三、验算截面尺寸，四、正截面承载力计算，五、现场施工。本发明有效减少基础混凝土的使用和弃土量，保护环境，可以广泛应用于电力工程技术领域。

Description

中空大直径挖孔基础及其制作方法

技术领域

本发明涉及电力工程技术领域，特别是涉及一种中空大直径挖孔基础及其制作方法。

背景技术

近年来，随着特高压电网建设的发展，特高压杆塔因导线截面、间隙、对地距离增大其荷载均大幅增加，由此引起的下部基础承担的载荷也随之增大，例如1000kV线路悬垂塔基础作用力达到7000kN，耐张塔达到15000kN，水平力约为1000kN，是500kV线路杆塔基础作用力的4～5倍。原状土挖孔基础因其良好的技术经济和环境效益，在输电线路中被广泛应用。但在上述荷载条件下，原状土挖孔基础的直径及埋深均需大幅度增大，大大削弱了其经济性和环保性。

随着特高压工程的建设，特别是偏远山区中的塔位，由于运输条件的限制，大量基础材料的运输将消耗很大的资源，同时随着人们对环境保护的要求越来越严格，挖孔基础的弃土处理问题又是一直影响塔基周围环境的重要因素。如何减少基础混凝土的使用量和弃土方量，成为行业内的一大难题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种中空大直径挖孔基础及其制作方法，不仅可以有效减少基础混凝土的使用量，而且可以在基础中回填部分弃土，有效减少弃土量，从而起到保护环境的作用。

本发明提供的一种中空大直径挖孔基础，包括从上到下依次连接的基础主柱和基础宽底部；所述基础主柱包括基础露头和基础埋深段，所述基础露头与上部的输电塔钢桁架连接，所述基础埋深段内设有主柱空腔；所述基础宽底部包括上小下大的圆台和位于圆台底部的底部圆柱体，所述圆台顶部直径与基础主柱底部直径相等，所述圆台底部直径与底部圆柱体端面直径相等，所述圆台内设有与主柱空腔相连通的底部空腔；所述主柱空腔和底部空腔内填充有弃土；所述基础主柱内周向均布有多根纵向设置的主柱主筋，所述底部圆柱体内周向均布有多根纵向设置的圆柱主筋，每根对应的主柱主筋和圆柱主筋通过均布于圆台内的圆台主筋相连，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋外侧分别设有多根沿周向环形布置的外箍筋，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋内侧分别设有多根沿周向环形布置的架立箍筋。

在上述技术方案中，所述基础主柱是圆柱形结构，所述主柱空腔和底部空腔为同轴等直径圆柱形空腔。

在上述技术方案中，所述基础主柱的直径d₁＝1.5～2.5m，所述主柱空腔上的基础主柱实心段的轴向长度Z₁＝1.2～1.5d₁，所述主柱空腔和底部空腔的轴向长度Z₂＝4～6d₁，所述基础宽底部的实心段轴向长度Z₃＝0.8～1.0d₁，所述主柱空腔和底部空腔的侧壁厚度为0.4～0.6m，所述底部圆柱体端面直径d₂＝1.5～2.0d₁，所述底部圆柱体高度h₁＝0.15～0.20d₂，所述圆台的高度和侧壁斜率分别为h₂和(d₂-d₁)/(2×h₂)，所述(d₂-d₁)/(2×h₂)＝1/3～1/2，所述基础露头高度H₂＝0.5～2.5m，所述挖孔基础其余埋入地层中的高度H₁＝10.0～20.0m。

本发明提供的一种中空大直径挖孔基础的制作方法，包括如下步骤：步骤一、根据上部输电塔传递给基础的作用力大小和现场地质条件作为边界约束条件，初步设置中空大直径挖孔基础的几何尺寸参数，所述几何尺寸参数包括：挖孔基础其余埋入地层中的高度H₁、基础主柱的直径d₁、底部圆柱体端面直径d₂、底部圆柱体高度h₁、圆台的高度h₂；上述参数根据本发明使用人的经验设定初值；步骤二、计算挖孔基础在上部铁塔传来的外荷载作用下随入土深度变化的弯矩、剪力、位移和转角的数值，具体步骤如下：A、建立求取中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式：从材料力学基本理论出发，建立求取中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式，根据“中空大直径挖孔基础”的挠曲微分方程：——公式1，将基础按土质变化和中空大直径挖孔基础截面变化，根据需要进行单元划分，按文克尔假定，第j段桩身 $E_j{I}_j\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-m_j(z_{0j}+z){\mathrm{xb}}_j,$ 令 $a=\sqrt[5]{\frac{m_j{b}_j}{E_j{I}_j}},$ 则 $\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-a^5(z_{0j}+z)x$ ——公式2，式中，a——基础的变形系数，b_j——第j段基础的计算宽度，E_jI_j——第j段基础的抗弯刚度，z_0j——第j段基础顶截面处土的抗力情况参数，m_j——竖向地基系数的比例系数；用幂级数解法求解上述方程， 写成矩阵形式其中， $\begin{array}{cc}{A}_1={\tilde{A}}_1,B_1=\frac{{\tilde{B}}_1}{a},C_1=\frac{{\tilde{C}}_1}{a^{2}EI},D_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{a^{3}EI};& A_2=a{\tilde{A}}_2,B_2={\tilde{B}}_2,C_2=\frac{{\tilde{C}}_2}{aEI},D_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{a^{2}EI};\end{array}$ $\begin{array}{cc}{A}_3=a^{2}EI{\tilde{A}}_3,B_3=aEI{\tilde{B}}_3,C_3={\tilde{C}}_3,D_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{a};& A_4=a^{3}EI{\tilde{A}}_4,B_4=a^{2}EI{\tilde{B}}_4,C_4=a{\tilde{C}}_4,D_4={\tilde{D}}_4;\end{array}$ 亦可写成，[M₁]＝[E₁][M₀]，[M₂]＝[E₂][M₁]＝[E₂][E₁][M₀]，······[M_n]＝[E_n][E_n-1]……[E₁][M₀]＝[E][M₀]——公式8，即得“中空大直径挖孔基础”位移、转角、剪力和弯矩表达式为： B、确定挖孔基础顶部位移和转角：实际工程中只知道基础顶部弯矩M₀和剪力Q₀而位移x₀和转角未知，故不能直接用公式9求解，为此，需要利用基础底部边界约束条件确定x₀和包括以下三种情况：a、不考虑底部约束条件时桩底支撑于土层或岩面上，即Q_z＝0，M_z＝0；b、考虑底部约束条件时桩底支撑于土层或岩面上，即Q_z＝0，c、桩下端嵌固于岩层中，即x_z＝0，根据不同的约束情况，利用公式9求得基础顶部的位移x₀和转角C、逐层计算中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩：根据上部输电塔传递给挖孔基础的作用力大小、现场地质条件以及求得的位移x₀和转角该作用力包括竖向压力N和上拔作用力T，其中，竖向压力N包括X向水平分力Nx和Y向水平分力Ny；上拔作用力T包括X向水平分力Tx和Y向水平分力Ty，利用荷载传递矩阵法由第一层开始向下逐层计算，由EI₁，EI₂，……，EI_n以及m₁，m₂，……，m_n计算出x_j,M_j,Q_j；步骤三、步骤三、验算中空大直径挖孔基础截面尺寸是否满足要求：A、空心挖孔基础直接承受输电塔传递过来的竖向压力N和上拔作用力T；空心挖孔基础采用剪切法计算空心挖孔基础尺寸应符合下列要求：——公式10，——公式11，式中，T_v—抗拔土体圆弧滑动面剪切阻力垂直投影分量，G_s—圆弧滑动面内土体自重，G_f—基础混凝土自重；B、基础顶部的位移值x小于容许值，如不满足上述要求，重复步骤一和骤二，直到满足为止；步骤四、中空大直径挖孔基础正截面承载力计算：A、空心挖孔基础的受压和受弯承载力验算：对于空心挖孔基础，其主柱截面为圆环，根据对圆环截面构件受压和受弯承载力，得到圆环截面的受压承载力验算公式：N≤αα₁f_cA+(α-α_t)f_yA_s——公式12， $M\≤{\mathrm{\α}}_1{f}_{c}A(r_1+r_2)\frac{sin\mathrm{\π}\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}+f_y{A}_s{r}_s\frac{(sin\mathrm{\π}\mathrm{\α}+sin\mathrm{\π}t)}{\mathrm{\π}}$ ——公式13，在上述公式中的系数和偏心距，应按下列公式计算：α_t＝1.25-2α，e_i＝e₀+e_a，式中，A——环形截面面积，A_s——钢筋的截面面积，r₁、r₂——环形截面的内、外半径，r_s——纵向钢筋重心所在圆周的半径，e₀——轴向压力对截面中心的偏心距，e_a——附加偏心距，α——受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值，α_t——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α>2/3时，取α_t＝0；B、空心挖孔基础的偏心受拉承载力验算：根据圆环截面构件偏心受拉承载力，得到圆环截面的偏心受拉承载力验算公式：——公式14，式中，N_u0——构件的轴心受拉承载力设计值，e₀——轴向拉力作用点至截面重心的距离，M_u——按通过轴向拉力作用点的弯矩平面计算的正截面受弯承载力设计值，C、空心挖孔基础的局部冲切验算：对于空心挖孔基础的局部冲切验算，参考对冲切承载力的计算公式：F_l≤(0.7β_hf_t+0.25σ_pc,m)ηu_mh₀——公式15，η按下列两个公式计算，并取其中较小值： ${\mathrm{\η}}_1=0.4+\frac{1.2}{{\mathrm{\β}}_s},{\mathrm{\η}}_1=0.5+\frac{a_s{h}_0}{4u_m},$ F_l——局部荷载设计值或集中反力设计值，β_h——截面高度影响系数，σ_pc,m——计算截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值，u_m——计算截面周长，h₀——截面有效高度，η₁——局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数，η₂——计算截面周长与截面有效高度之比的影响系数，β_s——局部荷载或集中反力作用面积为矩形时的长边与短边尺寸的比值，a_s——柱位置影响系数；对薄弱截面进行验算；步骤五、中空大直径挖孔基础的现场施工，具体步骤如下：A、基坑开挖；B、钢筋架立和模板支护：需要支护内模板，以方便主柱空腔和底部空腔外侧混凝土的浇筑；C、混凝土浇筑和弃土回填：保证主柱空腔和底部空腔底部和侧面混凝土一次浇筑成型，注意模板的拆除时机，以保证弃土回填不影响挖孔基础的浇筑质量；D、顶部混凝土浇筑：完成弃土的回填工作后，浇筑顶部混凝土。

在上述技术方案中，所述步骤二第C项中，制造主柱空腔和底部空腔时，将充气芯模放入内模板内，并充入压缩空气，当内模板外的混凝土凝固以后，放出袋子中的压缩空气，充气芯模即收缩，从主柱空腔和底部空腔中抽出充气芯模，再回填弃土。

在上述技术方案中，所述中空大直径挖孔基础采用标号为C25的混凝土，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋采用HRB400的钢筋，外箍筋和架立箍筋采用HPB300的钢筋。

本发明中空大直径挖孔基础及其制作方法，具有以下有益效果：对于大直径、大埋深的掏挖基础，考虑基础钢筋均分布在外侧的特点，可以考虑在掏挖基础的一定埋深内将基础设计为用弃土作为填充物的空心基础。可将挖孔基础分成3段，所述主柱空腔上的基础主柱实心段的轴向长度Z₁＝1.2～1.5d₁，取决于预埋件的锚固长度和混凝土的局部受压强度要求，所述主柱空腔和底部空腔的轴向长度Z₂＝4～6d₁，所述基础宽底部的实心段轴向长度Z₃＝0.8～1.0d₁，中部主柱空腔和底部空腔筒壁厚0.4m～0.6m，在中空腔内回填弃土。采用此种设计方案，是考虑到特高压工程建设位于偏远山区中的塔位，由于运输条件的限制，大量基础材料的运输将消耗很大的资源，同时随着人们对环境保护的要求越来越严格，挖孔基础的弃土处理问题一直是影响塔基周围环境的重要因素。该方案可在不显著降低基础承载力的条件下节省混凝土浇筑方量，在基础中回填部分弃土，还可有效减少弃土量，从而起到保护环境的作用。

具体的优点在于：

其一，采用中空大直径挖孔基础，不仅减少基础混凝土的使用量，降低成本，而且在基础中回填部分弃土，有效减少了弃土方量，从而起到保护环境的作用。

其二，实心混凝土是大体积混凝土，浇筑振捣困难，水化热大，而中空大直径挖孔基础能有效克服这些问题。

其三，施工便利，且后期运行维护方便。

其四，该技术方案简便易行，并能同时考虑不同约束条件和多层复杂地质条件的情况，具有广泛推广价值。

附图说明

图1为本发明中空大直径挖孔基础的结构示意图；

图2为本发明中空大直径挖孔基础制作方法的流程示意图；

图3为本发明中空大直径挖孔基础制作方法中采用荷载传递法逐层计算的结构示意图；

图4为采用图2的步骤一后空心挖孔基础弯矩、剪力、位移及转角示意图；

图5为本发明中空大直径挖孔基础制作方法中步骤二的施工结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1，本发明中空大直径挖孔基础，包括从上到下依次连接的基础主柱1和基础宽底部2；所述基础主柱1包括基础露头1.1和基础埋深段1.2，所述基础露头1.1与上部的输电塔钢桁架(图中未示出)连接，所述基础埋深段1.2内设有主柱空腔1.2.1；所述基础宽底部2包括上小下大的圆台2.1和位于圆台2.1底部的底部圆柱体2.2，所述圆台2.1顶部直径与基础主柱1底部直径相等，所述圆台2.1底部直径与底部圆柱体2.2端面直径相等，所述圆台2.1内设有与主柱空腔1.2.1相连通的底部空腔2.1.1；所述主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1内填充有弃土；所述基础主柱1内周向均布有多根纵向设置的主柱主筋(图中未示出)，所述底部圆柱体2.2内周向均布有多根纵向设置的圆柱主筋(图中未示出)，每根对应的主柱主筋和圆柱主筋通过均布于圆台2.1内的圆台主筋(图中未示出)相连，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋外侧分别设有多根沿周向环形布置的外箍筋(图中未示出)，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋内侧分别设有多根沿周向环形布置的架立箍筋(图中未示出)。

所述基础主柱1是圆柱形结构，所述主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1为同轴等直径圆柱形空腔。

所述基础主柱1的直径d₁＝1.5～2.5m，所述主柱空腔1.2.1上的基础主柱1实心段的轴向长度Z₁＝1.2～1.5d₁，所述主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1的轴向长度Z₂＝4～6d₁，所述基础宽底部2的实心段轴向长度Z₃＝0.8～1.0d₁，所述主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1的侧壁厚度为0.4～0.6m，所述底部圆柱体2.2端面直径d₂＝1.5～2.0d₁，所述底部圆柱体2.2高度h₁＝0.15～0.20d₂，所述圆台2.1的高度和侧壁斜率分别为h₂和(d₂-d₁)/(2×h₂)，所述(d₂-d₁)/(2×h₂)＝1/3～1/2，所述基础露头1.1高度H₂＝0.5～2.5m，所述挖孔基础其余埋入地层中的高度H₁＝10.0～20.0m，本发明挖孔基础的高度H＝H₁+H₂。

参见图2，本发明中空大直径挖孔基础的制作方法，包括如下步骤：

步骤一、根据上部输电塔传递给基础的作用力大小和现场地质条件作为边界约束条件，初步设置中空大直径挖孔基础的几何尺寸参数，所述几何尺寸参数包括：挖孔基础其余埋入地层中的高度H₁、基础主柱1的直径d₁、底部圆柱体2.2端面直径d₂、底部圆柱体2.2高度h₁、圆台2.1的高度h₂；上述参数根据本发明使用人的经验设定初值；

步骤二、计算挖孔基础在上部铁塔传来的外荷载作用下随入土深度变化的弯矩、剪力、位移和转角的数值，具体步骤如下：

A、建立求取中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式：

从材料力学基本理论出发，建立求取中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式，根据“中空大直径挖孔基础”的挠曲微分方程：

$EI\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-q$ ——公式1，

将基础按土质变化和中空大直径挖孔基础截面变化，根据需要进行单元划分，按文克尔假定，第j段桩身

$E_j{I}_j\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-m_j(z_{0j}+z){\mathrm{xb}}_j,$

令

$a=\sqrt[5]{\frac{m_j{b}_j}{E_j{I}_j}},$

则

$\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-a^5(z_{0j}+z)x$ ——公式2，

式中，

a——基础的变形系数，

b_j——第j段基础的计算宽度，

E_jI_j——第j段基础的抗弯刚度，

z_0j——第j段基础顶截面处土的抗力情况参数，

m_j——竖向地基系数的比例系数；

可用幂级数解法求解上述方程，

写成矩阵形式

其中， $A_1={\tilde{A}}_1,B_1=\frac{{\tilde{B}}_1}{a},C_1=\frac{{\tilde{C}}_1}{a^{2}EI},D_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{a^{3}EI};$

$A_2=a{\tilde{A}}_2,B_2={\tilde{B}}_2,C_2=\frac{{\tilde{C}}_2}{aEI},D_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{a^{2}EI};$

$A_3=a^{2}EI{\tilde{A}}_3,B_3=aEI{\tilde{B}}_3,C_3={\tilde{C}}_3,D_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{a};$

$A_4=a^{3}EI{\tilde{A}}_4,B_4=a^{2}EI{\tilde{B}}_4,C_4=a{\tilde{C}}_4,D_4={\tilde{D}}_4;$

亦可写成，

[M₁]＝[E₁][M₀]，

[M₂]＝[E₂][M₁]＝[E₂][E₁][M₀]，

······

[M_n]＝[E_n][E_n-1]……[E₁][M₀]＝[E][M₀]——公式8，

即得“中空大直径挖孔基础”位移、转角、剪力和弯矩表达式为：

B、确定挖孔基础顶部位移和转角：

实际工程中只知道基础顶部弯矩M₀和剪力Q₀而位移x₀和转角未知，故不能直接用公式9求解，为此，需要利用基础底部边界约束条件确定x₀和包括以下三种情况：

a、不考虑底部约束条件时桩底支撑于土层或岩面上，即Q_z＝0，M_z＝0；

b、考虑底部约束条件时桩底支撑于土层或岩面上，即Q_z＝0，

c、桩下端嵌固于岩层中，即x_z＝0，

根据不同的约束情况，利用公式9求得基础顶部的位移x₀和转角

C、逐层计算中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩：

根据上部输电塔传递给挖空基础的作用力大小、现场地质条件以及求得的位移x₀和转角该作用力包括竖向压力N和上拔作用力T，其中，竖向压力N包括X向水平分力Nx和Y向水平分力Ny；上拔作用力T包括X向水平分力Tx和Y向水平分力Ty，利用荷载传递法由第一层开始向下逐层计算，参见图3，由EI₁，EI₂，……，EI_n以及m₁，m₂，……，m_n计算出x_j,M_j,Q_j；通过计算发现，中空基础和实心基础的弯矩均随深度先增大后减少，在基础底部降到零；剪力随深度先减少至零，然后反向增大，最后减少至零；转角和位移随深度的增加均减少。两者差异较少，最大弯矩空心基础比实心基础减少5％左右，最大剪力两者相等，最大位移空心基础比实心基础增大5％左右，最大转角空心基础比实心基础增大5％左右，如图4所示；

步骤三、验算中空大直径挖孔基础截面尺寸是否满足要求：

A、空心挖孔基础直接承受输电塔传递过来的竖向压力N和上拔作用力T；空心挖孔基础采用剪切法计算空心挖孔基础尺寸应符合下列要求：

${\mathrm{\γ}}_{f}T\≤\frac{T_v+G_s}{2}+G_f$ ——公式10，

$(N+1.2G)/\left(\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^2\right)\≤f_a/0.75$ ——公式11，

式中，

T_v—抗拔土体圆弧滑动面剪切阻力垂直投影分量，

G_s—圆弧滑动面内土体自重，

G_f—基础混凝土自重；

B、基础顶部的位移值x小于容许值，

如不满足上述要求，重复步骤一和骤二，直到满足为止；

步骤四、中空大直径挖孔基础正截面承载力计算：

A、空心挖孔基础的受压和受弯承载力验算：

对于空心挖孔基础，其主柱截面为圆环，参考《混凝土结构设计规范》中对圆环截面构件受压和受弯承载力的规定，可以得到圆环截面的受压承载力验算公式：

N≤αα₁f_cA+(α-α_t)f_yA_s——公式12，

$M\≤{\mathrm{\α}}_1{f}_{c}A(r_1+r_2)\frac{sin\mathrm{\π}\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}+f_y{A}_s{r}_s\frac{(sin\mathrm{\π}\mathrm{\α}+sin\mathrm{\π}t)}{\mathrm{\π}}$ ——公式13，

在上述公式中的系数和偏心距，应按下列公式计算：

α_t＝1.25-2α，

e_i＝e₀+e_a，

式中，

A——环形截面面积，

A_s——钢筋的截面面积，

r₁、r₂——环形截面的内、外半径，

r_s——纵向钢筋重心所在圆周的半径，

e₀——轴向压力对截面中心的偏心距，

e_a——附加偏心距，

α——受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值，

α_t——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α>2/3时，取α_t＝0；

B、空心挖孔基础的偏心受拉承载力验算：

参考《混凝土结构设计规范》中对圆环截面构件偏心受拉承载力的规定，得到圆环截面的偏心受拉承载力验算公式：

$N\≤\frac{1}{\frac{1}{N_{u0}}+\frac{e_0}{M_u}}$ ——公式14，

式中，

N_u0——构件的轴心受拉承载力设计值，

e₀——轴向拉力作用点至截面重心的距离，

M_u——按通过轴向拉力作用点的弯矩平面计算的正截面受弯承载力设计值，

C、空心挖孔基础的局部冲切验算：

对于空心挖孔基础的局部冲切验算，可参考《混凝土结构设计规范》中对冲切承载力的计算公式：

F_l≤(0.7β_hf_t+0.25σ_pc,m)ηu_mh₀——公式15，

η按下列两个公式计算，并取其中较小值：

${\mathrm{\η}}_1=0.4+\frac{1.2}{{\mathrm{\β}}_s},$

${\mathrm{\η}}_1=0.5+\frac{a_s{h}_0}{4u_m},$

F_l——局部荷载设计值或集中反力设计值，

β_h——截面高度影响系数，

σ_pc,m——计算截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值，

u_m——计算截面周长，

h₀——截面有效高度，

η₁——局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数，

η₂——计算截面周长与截面有效高度之比的影响系数，

β_s——局部荷载或集中反力作用面积为矩形时的长边与短边尺寸的比值，

a_s——柱位置影响系数；

对薄弱截面进行验算；

D、借鉴实例进行技术经济比较：

以榆横～潍坊特高压线路工程一种直线塔和耐张塔基础作用力(表1)为例进行经济比较。塔型为SZC30101A和SJC30103A，导线采用8×JL/G1A-630/45钢芯铝绞线，地线一根为OPGW复合光缆，另一根为普通地线，气象条件为10mm冰区、30m/s风、海拔500～1000m，造价比较列于下表2。

表1杆塔基础荷载

表2普通基础和中空挖孔基础材料量和造价比较

由表2可以看出，对于直线塔的情况，由于基础主柱的直径和埋深均偏小，混凝土减少约16％，钢筋用量增加10％左右，总造价减少约5％，经济性良好；

对于基础作用力较大的转角塔，中空挖孔基础的经济性就能得到很好的体现，混凝土用量减少约20％，钢筋用量增加约15％，总造价减少约10％，具有明显的经济效益；

步骤五、中空大直径挖孔基础的现场施工，具体步骤如下：

A、基坑开挖；

B、钢筋架立和模板支护：

对于挖孔基础钢筋的架立与普通基础类似，但还需要支护内模板3，以方便主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1外侧混凝土的浇筑；

C、混凝土浇筑和弃土回填：

保证主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1底部和侧面混凝土一次浇筑成型，因此需要特别注意模板的拆除时机，以保证弃土回填不影响挖孔基础的浇筑质量，其中施工的难度在于支护内模板3，可以利用充气芯模用于主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1的混凝土构件制作，制造主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1时，将充气芯模放入内模板3内，并充入压缩空气，当内模板3外的混凝土凝固以后，放出袋子中的压缩空气，充气芯模即收缩，从主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1中抽出充气芯模，再回填弃土；充气芯模使用简便，经济耐用，未充气能柔软收缩，任意折叠、卷曲，充气膨胀后具有足够的强度来承受混凝土的压力。施工实践证明，使用胶囊成孔工艺，施工方便，适用范围广，可反复使用80～100次以上，造价低廉。但是考虑到充气芯模无论从基础顶部还是侧面抽出，都会产生基础混凝土二次浇注问题。由于空心掏挖基础的上述缺点，所以只推荐在挖孔基础的基础主柱1直径d1大于1.5m、整体高度大于10m时使用；

D、顶部混凝土浇筑：

完成弃土的回填工作后，浇筑顶部混凝土，这一过程与普通掏挖基础没有区别，具体参见图5。

所述中空大直径挖孔基础采用标号为C25的混凝土，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋采用HRB400的钢筋，外箍筋和架立箍筋采用HPB300的钢筋。

对于大直径、大埋深的掏挖基础，考虑基础钢筋均分布在外侧的特点，可以考虑在掏挖基础的一定埋深内将基础设计为用弃土作为填充物的空心基础。可将挖孔基础分成3段，所述主柱空腔1.2.1上的基础主柱1实心段的轴向长度Z₁＝1.2～1.5d₁，取决于预埋件的锚固长度和混凝土的局部受压强度要求，所述主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1的轴向长度Z₂＝4～6d₁，所述基础宽底部2的实心段轴向长度Z₃＝0.8～1.0d₁，中部主柱空腔1.2.1和底部空腔2.1.1筒壁厚0.4m～0.6m，在中空腔内回填弃土。采用此种设计方案，是考虑到特高压工程建设位于偏远山区中的塔位，由于运输条件的限制，大量基础材料的运输将消耗很大的资源，同时随着人们对环境保护的要求越来越严格，挖孔基础的弃土处理问题一直是影响塔基周围环境的重要因素。该方案可在不显著降低基础承载力的条件下节省混凝土浇筑方量，在基础中回填部分弃土，还可有效减少弃土量，从而起到保护环境的作用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种中空大直径挖孔基础，其特征在于：包括从上到下依次连接的基础主柱(1)和基础宽底部(2)；所述基础主柱(1)包括基础露头(1.1)和基础埋深段(1.2)，所述基础露头(1.1)与上部的输电塔钢桁架连接，所述基础埋深段(1.2)内设有主柱空腔(1.2.1)；所述基础宽底部(2)包括上小下大的圆台(2.1)和位于圆台(2.1)底部的底部圆柱体(2.2)，所述圆台(2.1)顶部直径与基础主柱(1)底部直径相等，所述圆台(2.1)底部直径与底部圆柱体(2.2)端面直径相等，所述圆台(2.1)内设有与主柱空腔(1.2.1)相连通的底部空腔(2.1.1)；所述主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)内填充有弃土；所述基础主柱(1)内周向均布有多根纵向设置的主柱主筋，所述底部圆柱体(2.2)内周向均布有多根纵向设置的圆柱主筋，每根对应的主柱主筋和圆柱主筋通过均布于圆台(2.1)内的圆台主筋相连，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋外侧分别设有多根沿周向环形布置的外箍筋，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋内侧分别设有多根沿周向环形布置的架立箍筋。

2.根据权利要求1所述的中空大直径挖孔基础，其特征在于：所述基础主柱(1)是圆柱形结构，所述主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)为同轴等直径圆柱形空腔。

3.根据权利要求2所述的中空大直径挖孔基础，其特征在于：所述基础主柱(1)的直径d₁＝1.5～2.5m，所述主柱空腔(1.2.1)上的基础主柱(1)实心段的轴向长度Z₁＝1.2～1.5d₁，所述主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)的轴向长度Z₂＝4～6d₁，所述基础宽底部(2)的实心段轴向长度Z₃＝0.8～1.0d₁，所述主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)的侧壁厚度为0.4～0.6m，所述底部圆柱体(2.2)端面直径d₂＝1.5～2.0d₁，所述底部圆柱体(2.2)高度h₁＝0.15～0.20d₂，所述圆台(2.1)的高度和侧壁斜率分别为h₂和(d₂-d₁)/(2×h₂)，所述(d₂-d₁)/(2×h₂)＝1/3～1/2，所述基础露头(1.1)高度H₂＝0.5～2.5m，所述挖孔基础其余埋入地层中的高度H₁＝10.0～20.0m。

4.一种制作如权利要求1所述中空大直径挖孔基础的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据上部输电塔传递给基础的作用力大小和现场地质条件作为边界约束条件，初步设置中空大直径挖孔基础的几何尺寸参数，所述几何尺寸参数包括：挖孔基础其余埋入地层中的高度H₁、基础主柱(1)的直径d₁、底部圆柱体(2.2)端面直径d₂、底部圆柱体(2.2)高度h₁、圆台(2.1)的高度h₂；上述参数根据本发明使用人的经验设定初值；

步骤二、计算挖孔基础在上部铁塔传来的外荷载作用下随入土深度变化的弯矩、剪力、位移和转角的数值，具体步骤如下：

A、建立求取中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式：

从材料力学基本理论出发，建立求取中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩的统一表达式，根据“中空大直径挖孔基础”的挠曲微分方程：

$EI\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-q$ ——公式1，

将基础按土质变化和中空大直径挖孔基础截面变化，根据需要进行单元划分，按文克尔假定，第j段桩身

$E_j{I}_j\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-m_j(z_{0j}+z){\mathrm{xb}}_j,$

令

$a=\sqrt[5]{\frac{m_j{b}_j}{E_j{I}_j}},$

则

$\frac{d^{4}x}{{\mathrm{dz}}^4}=-a^5(z_{0j}+z)x$ ——公式2，

式中，

a——基础的变形系数，

b_j——第j段基础的计算宽度，

E_jI_j——第j段基础的抗弯刚度，

z_0j——第j段基础顶截面处土的抗力情况参数，

m_j——竖向地基系数的比例系数；

用幂级数解法求解上述方程，

——公式3，

——公式4，

——公式5，

——公式6，

写成矩阵形式

——公式7，

其中， $A_1={\tilde{A}}_1,B_1=\frac{{\tilde{B}}_1}{a},C_1=\frac{{\tilde{C}}_1}{a^{2}EI},D_1=\frac{{\tilde{D}}_1}{a^{3}EI};$

$A_2=a{\tilde{A}}_2,B_2={\tilde{B}}_2,C_2=\frac{{\tilde{C}}_2}{aEI},D_2=\frac{{\tilde{D}}_2}{a^{2}EI};$

$A_3=a^{2}EI{\tilde{A}}_3,B_3=aEI{\tilde{B}}_3,C_3={\tilde{C}}_3,D_3=\frac{{\tilde{D}}_3}{a};$

$A_4=a^{3}EI{\tilde{A}}_4,B_4=a^{2}EI{\tilde{B}}_4,C_4=a{\tilde{C}}_4,D_4={\tilde{D}}_4;$

亦可写成，

[M₁]＝[E₁][M₀]，

[M₂]＝[E₂][M₁]＝[E₂][E₁][M₀]，

······

[M_n]＝[E_n][E_n-1]……[E₁][M₀]＝[E][M₀]——公式8，

即得“中空大直径挖孔基础”位移、转角、剪力和弯矩表达式为：

——公式9；

B、确定挖孔基础顶部位移和转角：

实际工程中只知道基础顶部弯矩M₀和剪力Q₀而位移x₀和转角未知，故不能直接用公式9求解，为此，需要利用基础底部边界约束条件确定x₀和包括以下三种情况：

a、不考虑底部约束条件时桩底支撑于土层或岩面上，即Q_z＝0，M_z＝0；

b、考虑底部约束条件时桩底支撑于土层或岩面上，即Q_z＝0，

c、桩下端嵌固于岩层中，即x_z＝0，

根据不同的约束情况，利用公式9求得基础顶部的位移x₀和转角

C、逐层计算中空大直径挖孔基础的位移、转角、剪力和弯矩：

根据上部输电塔传递给挖孔基础的作用力大小、现场地质条件以及求得的位移x₀和转角该作用力包括竖向压力N和上拔作用力T，其中，竖向压力N包括X向水平分力Nx和Y向水平分力Ny；上拔作用力T包括X向水平分力Tx和Y向水平分力Ty，利用荷载传递矩阵法由第一层开始向下逐层计算，由EI₁，EI₂，……，EI_n以及m₁，m₂，……，m_n计算出x_j,M_j,Q_j；

步骤三、验算中空大直径挖孔基础截面尺寸是否满足要求：

A、空心挖孔基础直接承受输电塔传递过来的竖向压力N和上拔作用力T；空心挖孔基础采用剪切法计算空心挖孔基础尺寸应符合下列要求：

${\mathrm{\γ}}_{f}T\≤\frac{T_v+G_s}{2}+G_f$ ——公式10，

$(N+1.2G)/\left(\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^2\right)\≤f_a/0.75$ ——公式11，

式中，

T_v—抗拔土体圆弧滑动面剪切阻力垂直投影分量，

G_s—圆弧滑动面内土体自重，

G_f—基础混凝土自重；

B、基础顶部的位移值x小于容许值，

如不满足上述要求，重复步骤一和骤二，直到满足为止；

步骤四、中空大直径挖孔基础正截面承载力计算：

A、空心挖孔基础的受压和受弯承载力验算：

对于空心挖孔基础，其主柱截面为圆环，根据对圆环截面构件受压和受弯承载力，得到圆环截面的受压承载力验算公式：

N≤αα₁f_cA+(α-α_t)f_yA_s——公式12，

$M\≤{\mathrm{\α}}_1{f}_{c}A(r_1+r_2)\frac{sin\mathrm{\π}\mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}+f_y{A}_s{r}_s\frac{(sin\mathrm{\π}\mathrm{\α}+sin\mathrm{\π}t)}{\mathrm{\π}}$ ——公式13，

在上述公式中的系数和偏心距，应按下列公式计算：

α_t＝1.25-2α，

e_i＝e₀+e_a，

式中，

A——环形截面面积，

A_s——钢筋的截面面积，

r₁、r₂——环形截面的内、外半径，

r_s——纵向钢筋重心所在圆周的半径，

e₀——轴向压力对截面中心的偏心距，

e_a——附加偏心距，

α——受压区混凝土截面面积与全截面面积的比值，

α_t——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当α>2/3时，取α_t＝0；

B、空心挖孔基础的偏心受拉承载力验算：

根据圆环截面构件偏心受拉承载力，得到圆环截面的偏心受拉承载力验算公式：

$N\≤\frac{1}{\frac{1}{N_{u0}}+\frac{e_0}{M_u}}$ ——公式14，

式中，

N_u0——构件的轴心受拉承载力设计值，

e₀——轴向拉力作用点至截面重心的距离，

M_u——按通过轴向拉力作用点的弯矩平面计算的正截面受弯承载力设计值，

C、空心挖孔基础的局部冲切验算：

对于空心挖孔基础的局部冲切验算，参考对冲切承载力的计算公式：

F_l≤(0.7β_hf_t+0.25σ_pc,m)ηu_mh₀——公式15，

η按下列两个公式计算，并取其中较小值：

${\mathrm{\η}}_1=0.4+\frac{1.2}{{\mathrm{\β}}_s},$

${\mathrm{\η}}_1=0.5+\frac{a_s{h}_0}{4u_m},$

F_l——局部荷载设计值或集中反力设计值，

β_h——截面高度影响系数，

σ_pc,m——计算截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值，

u_m——计算截面周长，

h₀——截面有效高度，

η₁——局部荷载或集中反力作用面积形状的影响系数，

η₂——计算截面周长与截面有效高度之比的影响系数，

β_s——局部荷载或集中反力作用面积为矩形时的长边与短边尺寸的比值，

a_s——柱位置影响系数；

对薄弱截面进行验算；

步骤五、中空大直径挖孔基础的现场施工，具体步骤如下：

A、基坑开挖；

B、钢筋架立和模板支护：

需要支护内模板(3)，以方便主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)外侧混凝土的浇筑；

C、混凝土浇筑和弃土回填：

保证主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)底部和侧面混凝土一次浇筑成型，注意模板的拆除时机，以保证弃土回填不影响挖孔基础的浇筑质量；

D、顶部混凝土浇筑：

完成弃土的回填工作后，浇筑顶部混凝土。

5.根据权利要求4所述的中空大直径挖孔基础制作方法，其特征在于：所述步骤二第C项中，制造主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)时，将充气芯模放入内模板(3)内，并充入压缩空气，当内模板(3)外的混凝土凝固以后，放出袋子中的压缩空气，充气芯模即收缩，从主柱空腔(1.2.1)和底部空腔(2.1.1)中抽出充气芯模，再回填弃土。

6.根据权利要求4所述的中空大直径挖孔基础制作方法，其特征在于：所述中空大直径挖孔基础采用标号为C25的混凝土，所述主柱主筋、圆台主筋和圆柱主筋采用HRB400的钢筋，外箍筋和架立箍筋采用HPB300的钢筋。