输电铁塔基础设计综述

输电铁塔基础设计综述

摘要输铁塔基础是输电线路的重要组成部分，杆塔基础必须保证杆塔在各种受力情况下不倾覆、不下沉和不上拔，使线路安全可靠、耐久地运行。因此，对影响铁塔基础承载能力和稳定性因素进行研究具有重要意义。

关键词输电铁塔基础承载力倾覆型式

输电铁塔基础是保证电网安全稳定的重要组成部分，其在电网的投资建设中所占比重较大。杆塔基础必须保证杆塔在各种受力情况下不倾覆、不下沉和不上拔，使线路安全可靠、耐久地运行。为了保证铁塔以及基础本身承载力的正常使用，基础设计计算时应考虑三个方面：一是地基承载力的计算；二是被动土抗力的计算；三是基础的强度计算。

本文在查阅铁塔基础的研究后，对影响基础稳定和承载能力的因素及其型式的选择进行综述。

一、影响铁塔地基承载力的因素

地基承载力是单位面积土允许承受的压力，它与土的种类和状态有关。根据铁塔基础的受力特点，由于其受到较大水平荷载作用，导致铁塔基础在实际工况下整个基础底板受偏心倾斜荷载作用的影响特别突出，地基失稳时整个破坏面呈三维模式。对铁塔地基承载力有影响的主要因素有以下几个方面：

1．土的物理力学性质。地基土的物理力学性质指标直接影响承载力的高低。

2．地基土的堆积年代及其成因。当铁塔基础横跨不同地层的地质体时，必须要考虑地层形成时代的早晚对其承载力的影响。地质年代对地基的工程性能的影响，是颗粒组成、颗粒形状、大小和矿物成分、化学成分及成岩作用程度的函数，也可以表现为物理力学性质和水利力学性质对承载力的影响。堆积年代越久，一般承载力也越高，冲洪积成因土的承载力一般比坡积土要大。

3．地下水。地下水上升时，土的天然重度变为有效重度，承载力也相应减小。另外，地下水大幅度升降会影响地基变形，湿陷性黄土遇水湿陷，膨胀土遇水膨胀、失水收缩，这些对承载力都有影响。

4．铁塔性质。铁塔的结构形式、体形、整体刚度、重要性以及使用要求不同，对容许沉降的要求也不同，因而对承载力的选取也应有所不同。

5．铁塔。铁塔基础形状、尺寸及埋深对承载力有影响。

6．荷栽作用方向。荷载的作用方向（倾斜或竖直）将严重影响地基承载力的大小，其中倾斜荷载为不利因素。

7．荷载作用时间。若荷载作用时间很短，如地震荷载，则极限荷载可以提高，如果地基为高塑性黏土，呈可塑或软塑状态。在长时间荷载作用下，土质将产生蠕变，并强度降低，即极限荷载降低。

目前地基承载力设计值的确定方法可归纳为三类：一是根据土的抗剪强度指标以理论公式计算。这类方法又可分为两大类：按塑性区开展深度确定，即“弹塑性法”；按极限承载力确定，即“刚塑性法”。二是原位测试确定地基承载力。原位试验确定地基的承载力的优点是避免了钻探取样以及由此引起的对土样扰动的影响。三是经验法确定地基的承载力。

二、影响铁塔地基抗倾覆的因素

铁塔基础埋置于土体中，同时受到多种荷载的作用，影响抗倾覆的因素众多，主要包括以下几个方面：

1．基础自身。目前通常将与土共同工作的构件根据其自身的刚度分为附性、半附性和柔性3种，后两种有时根据具体情况也统称为弹性。由于构件刚度不同，在外力作用下，其内部的应力应变及其对土体的反力有很大的差异。附性情况下，外荷载作用时，基础立柱有可能绕某点作附性转动；在弹性情况下，基础倾覆及其破坏的先决条件是立柱自身刚度与土的刚度之比。

2．基底地基土及立柱周围土体的特性。众所周知，地基土的强度影响基础的竖向位移与稳定，也决定了地基的变形条件。在外荷载作用下，立柱周围的土体受到挤压，从而使立柱产生水平位移和转角，力的作用是相互的，因而立柱会受到土体的反作用，从而形成抵抗弯矩。在基础立柱和侧向土体不破坏前，能与外荷载作用相平衡，确保整个基础的稳定随着荷载的逐渐增加，将可能因立柱周围土体发生塑性流动而引起基础的失稳。

3．荷载工况。电力铁塔基础荷载条件比较复杂，有下压荷载和上拔力，并且水平荷载较大，各种荷载工况对输电线路铁塔基础的倾覆稳定有着重要的影响。现有的研究表明，在竖向下压荷载作用下，立柱与周围土体的摩擦力可以在一定程度上提高基础立柱的抗侧向荷载的作用。然而，在上拔荷载作用下该作用力便成为了不利因素。因此，对倾覆稳定性而言，上拔荷载与水平力的组合为最不利荷载工况。

4．施工与工艺措施。主要表现为回填土的强度，以及相应的加强措施，因为近地表加强层不仅水平反力系数大，而且其产生的力矩也要大。因此，近地表回填土的密实度和相应的加强措施对倾覆稳定起着十分重要的作用。

铁塔基础在外荷载作用下的工作性能与基础和土体的相互作用密切相关，在上拔力与水平荷载组合下，产生抵抗倾覆力矩的力主要有：立柱周围土体的抗力、基础自重、土重以及地基反力。通常，立柱顶部受到横向荷载作用时，由于基础立柱呈刚性，在横向荷载作用下，立柱会发生与外荷载方向一致的侧向位移，促使周围土体发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了立柱变形的进一步发展。当水平力较小时，抗力是由靠近地面的土提供的，而且土的变形主要是弹性，此时土体处于弹性压缩阶段。随着荷载的增大，立柱变形加大，表层土体将逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深的土层传递。由于在立柱顶部的表层土容易发生局部破坏向上涌起，使该部分地基土的水平反力减小，立柱前侧的屈服区随荷载的增加而向下扩展，实现力矩中心的不断改变，位移也不断增大。同时，由于上拔力的作用，随着外荷载的增加基础受到的偏心作用越来越大，基底反力分布也越来越不均匀。当荷载增大到一定程度，基底部分土体开始进入塑性区。如果荷载一直增大，当变形增大到基础自身所不能容许的程度或立柱周围及基底土体部分出现塑性流动而破坏时，整个体系便失去稳定。

三、铁塔基础上拔承载力的计算方法

输电线路杆塔基础设计，在上世纪普遍采用土重法进行上拔承载力计算。所谓土重法，即当基础承受上拔荷载时，假定基础底板上部产生一倒锥体的土重，以此土重和基础自重计算极限抗拔力。在“水利电力部电力设计标准《送电线路基础设计技术规定》(SDGJ62-84)”