强腐蚀地区地震液化地基输电线路基础选型及地基处理

蒲 凡，刘洪昌，姜雅辛，杨 洋

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

750 kV南疆巴楚—喀什输电线路工程沿线地区属标准的大陆性气候特点，气候干燥、降水量小、蒸发量大，属我国新疆典型的盐渍土分布地带，工程区普遍发育盐渍土，盐渍土类型主要为中硫酸盐渍土、中亚硫酸盐渍土，根据其对混凝土结构的腐蚀性按Ⅲ类环境类型考虑。

地震基本烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度0.3 g，规程规定［1］，8度及以上地区220 kV及以上耐张型杆塔的基础，当场地为饱和砂土或饱和粉土时，应考虑地基液化的可能性，并应采取必要的稳定和抗震措施。

选取该工程中既有强腐蚀又有地震液化现象的地基，设计中考虑对基础的防腐，根据地基液化程度采取消除或者部分消除地基液化措施。

1 强腐蚀地基对基础混凝土结构的影响

表1 地基土岩溶性评价

表2 地基液化等级判别

钙矾石结合了大量结晶水，使固相体积增大，形态主要为针状结晶，四向放射，只是混凝土结构破坏，形成裂纹，使得地基土中的Cl-离子进入混凝土结构中，腐蚀钢筋。

《工业建筑防腐蚀设计规范》［3］规定以离子腐蚀为主的地基，混凝土强度等级≥C40，提高混凝土的抗裂性能，同时对基础表面进行防护。

基础防腐蚀主要措施包括控制混凝土标号和水胶比、增加基础保护层厚度、掺入抗硫酸盐外加剂、基础外表面涂刷防腐涂料、采用防腐土工布等措施。

2 地质条件及液化判别

该工程存在严重液化的塔位，抗震设防烈度为8度，地震加速度为0.3 g，设计地震分组为第3组，地质条件为粉土粉砂，标贯试验液化判别见表2。

表2中地基经标贯试验，根据《建筑抗震设计规范》［4］4.3.5 条判别 IlE=22.4＞18 为严重液化。此类地基在地震作用下地基土中孔隙水压力骤然上升，孔隙水压力来不及消散，使得原来由砂粒通过其接触点所传递的有效压力减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态，地基承载力迅速下降，造成基础沉降，将会对该工程造成不可估量的损失。

《电力设施抗震设计规范》［5］规定：对位于地震烈度8度及以上的地区，且场地为饱和砂土和饱和粉土时，应考虑地基液化的可能性，地基和基础设计时考虑适当的抗液化或消除液化措施。抗液化措施按照处理对象可分为两大类：一类是地基处理，消除或者部分消除液化影响，输电线路常用的有换填法、加密法；另一类是穿透液化层，允许发生液化，主要采用桩基础法［6－7］。

3 强腐蚀地区地震液化地基的基础选型及地基处理措施

3.1 地震作用基础作用力计算

根据上述分析，选取巴楚—喀什终端塔JD-33对其进行地震作用下的基础作用力计算和基础设计。水平地震动峰值加速度为0.3 g，对应地震基本烈度为8度，设计地震分组为2组，Ⅲ类场地类别，阻尼比0.04，根据工程重要性，考虑为丙类建筑。在X和Y两个主轴方向的水平地震作用力，通过振型分解反应谱法进行计算。先考虑地震波对杆塔的影响，然后和其他外荷载产生的影响进行荷载效应组合的方式，公式如下：

式中：F为地震组合作用力；SGE为重力荷载代表值；SEHK为水平地震作用；SEQK为竖向地震作用；SWK为风荷载；γG、γEHK、γEQK、γWK分别为相对应荷载分项系数。

通过ANSYS时程分析计算得到多遇地震和设防地震下该塔型的SEHK，再与通用软件计算的SGE、SEQK和SWK进行汇总，得到多遇地震和设防地震下基础作用力。

表3 多遇地震作用下基础作用力 kN

表4 设防地震作用下基础作用力 kN

从表3~4可以看出，多遇地震作用下基础作用力约为最大基础作用力的40%，设防地震作用下基础作用力约为最大基础作用力的60%，基础承载力计算时可不考虑地震作用。

3.2 基础设计方案

该工程有严重地震液化的塔位同时具有强腐蚀性，基础设计时要考虑基础的防腐蚀性，同时需要消除地震液化的影响。考虑“裹体灌注桩”、“联合板式基础”和“大板基础+碎石桩”3种方案。

方案一。“裹体灌注桩”为高强防腐布袋裹体灌注桩。混凝土裹体桩的包裹材料采用“二布一膜”复合土工布方案，复合土工布可提高土工布与土相互作用摩擦阻力，同时提高土工布与混凝土粘合力；中间土工膜起到隔水和阻水作用。此方案优点为工程量小、耐腐蚀、防渗透性强，缺点为复合材料施工时易损坏、检测复杂。

方案二。“联合板式基础”亦可在基础表面涂刷HCPE等防腐涂料，基础为一个整体，降低了对不均匀沉降的敏感性，可减轻液化的影响。此方案优点是施工方便、受力清晰，缺点是基础工程量大，造价高。

方案三。“大板基础+振冲碎石桩”，采用振冲碎石挤密消除地基液化影响，增强地基承载力，板式基础充分利用底板上土体的自重及粘聚力，满足上拔和下压承载力，对基础表面涂刷HCPE等防腐涂料，增强基础的耐腐蚀性。此方案的优点是工艺成熟、施工便利，缺点是地基处理面积较大。

对3个方案进行经济技术分析比较见表5。采用“大板基础+碎石桩”经济性最优，同时此方案为基础采用大开挖方式，对于粉土粉砂地基可以降低施工安全风险。

表5 不同地基液化处理方案比较

4 碎石挤密地基液化设计方案

4.1 碎石桩复合地基参数设计

挤密范围。地基处理范围考虑该工程的重要性和场地条件，在基础外边缘扩大3~4排桩。

桩径。根据南疆地区常用挤密桩施工设备调查，该工程采用沉管法成桩，选取0.4 m桩径，易成桩，同时具有较好的施工经验。

桩位布置。设计基础底板为6.2 m×6.2 m，可采用等边三角形布置，根据对已处理桩间土的试验，处理后的孔隙比e1取0.65，《勘测报告》取土的天然孔隙比e0为0.8。本工程桩径取400 mm，桩间距不宜大于桩直径的4.5倍。三角形布置桩间距为

式中：ε为修正系数，当考虑振动下沉密实作用，取1.1~1.2；d为碎石桩桩径；S为桩间距。

根据式 （2），可得三角形布置的桩间距S为1.45m，为保证效果，取S为1.4 m，桩径与桩间距比值为3.5，可以起到有效的加固效果。

桩长的确定。该工程相对硬层埋藏深度较大，铁塔基础需要控制变形和沉降，桩长设计需要满足抗液化要求。

根据地基处理范围、桩径、桩位布置、桩长的确定，该基础地基处理碎石挤密桩有效桩长9 m，桩总数538根，布置见图1。

图1 振冲碎石桩布置

4.2 地基处理效果评价

当地基处理后液化指数IlE≤6，则判别为轻微液化，可以不考虑对基础的影响。原土层液化指数为22.4，判别为严重液化，地基处理后液化指数如表6所示。处理后IlE=5.39＜6，根据规范规定判别其液化等级从严重液化降为轻微液化，已经不具液化危害，可见其处理效果较好。

表6 地基处理后液化指数

5 结语

通过对该地基腐蚀特性研究，提出采用开挖式基础，施工方便，对基础表面进行防腐蚀处理，减少甚至消除SO42-离子进入混凝土结构的通道，增强基础的抗腐蚀性。

对比“裹体灌注桩”、“联合板式基础”和“大板基础+碎石桩”3种基础型式及地基处理方式，“大板基础+碎石桩”经济性最优，同时此方案为基础采用大开挖方式，对于粉土粉砂地基可以降低施工安全风险。

碎石挤密桩挤压和置换作用，降低地基的孔隙率，形成渗透性良好的人工竖井减压，可在地震作用时，及时排除孔隙水，降低液化影响，经地基处理后，该地基液化指数IlE=5.39＜6，从严重液化降为轻微液化，不具液化危害。

［1］国家能源局.架空输电线路基础设计技术规程：DL／T 5219—2014［S］.北京：中国计划出版社，2014.

［2］黄新，胡同安.水泥-废石膏加固软土的试验研究［J］.岩土工程学报，1998，20（5）：75-79.

［3］中华人民共和国建设部.工业建筑防腐蚀设计规范：GB 50046—2008［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［4］中华人民共和国建设部.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部.电力设施抗震设计规范：GB50260—2013［S］.北京：中国计划出版社，2013.

［6］王文涛.用碎石桩防止粉土地基液化的设计方法［J］.工业建筑，1996，26（4）：41-44.

［7］黄茂松，吴世明，赵竹占.振动挤密砂桩与振冲碎石桩抗液化分析［J］.浙江大学学报（自然科学版），1992，26（2）：165-171.