摘要：螺旋錨基礎(chǔ)作為一種原狀土基礎(chǔ)，具有施工快捷、機(jī)械化程度高、環(huán)境影響小等特點(diǎn)，適用于我國青藏高原凍土區(qū)。該凍土區(qū)輸電塔螺旋錨基礎(chǔ)適宜采用螺旋錨傾斜布置形式，承臺(tái)采用鋼筋混凝土預(yù)制或鋼制的結(jié)構(gòu)，這種型式結(jié)構(gòu)簡單、受力清晰，可有效發(fā)揮螺旋錨承載特性及其承載優(yōu)勢。輸電桿基礎(chǔ)螺旋錨適宜采用豎直或小角度傾斜的布置形式，同時(shí)承臺(tái)具備水平承載和抵抗傾覆彎矩作用的能力，基礎(chǔ)按最不利狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取涂覆防腐蝕涂層、預(yù)留腐蝕裕量等防腐設(shè)計(jì)措施。在青藏高原輸電線路工程中具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：青藏高原；輸電線路；多年凍土；螺旋錨基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)型式

螺旋錨基礎(chǔ)是一種由螺旋錨、上部承臺(tái)等構(gòu)件組成的基礎(chǔ)型式，利用深層土體抵抗上部結(jié)構(gòu)作用的錨固結(jié)構(gòu)體，其中螺旋錨是由錨桿、錨板（又稱錨葉或錨盤）、錨頭等構(gòu)成（如圖1所示）。螺旋錨施工時(shí)不必開挖基坑，通過錨桿施加扭矩，將螺旋狀錨板旋擰至較深土體中，對土體的擾動(dòng)小，能充分發(fā)揮原狀土體固有強(qiáng)度，提高承載能力。1833年，螺旋錨最先使用在英格蘭潮汐內(nèi)灣作為燈塔基礎(chǔ)。有關(guān)理論及設(shè)計(jì)計(jì)算研究方面，Wilson（1950年）開展螺旋錨承載力與沉降方面研究，提出了扭矩和樁的承載力的關(guān)系以及設(shè)計(jì)公式[3]。Meyerhof（1968年）對螺旋樁的承載力問題提出了塑性理論，并提出了抗拔力的計(jì)算公式[4]。G.H.Johnston等人（1974年）在多年凍土層中開展了螺旋錨試驗(yàn)研究，分析了承載機(jī)理[5]。M.P.Mitsch等人（1985年）分析了螺旋錨在砂土、粉土和粘土中的抗拔性能，提出了設(shè)計(jì)方法[6]。20世紀(jì)90年代，S.NarasimhaRao等人對螺旋錨在粘土及淤泥中的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[7]；AshrafGhaly等人分析了錨葉形狀、砂特性、安裝深度等因素對螺旋錨安裝扭矩值的影響，并建立了安裝扭矩計(jì)算理論模型，以及安裝扭矩與抗拔承載力間的關(guān)系，完成了不同密實(shí)度砂土、傾斜度錨桿抗拔試驗(yàn)，研究了承載機(jī)理，提出了斜錨的抗拔承載計(jì)算方法[8-9]。至此，有關(guān)螺旋錨的理論研究成果初步形成了較為完整的體系。工程應(yīng)用方面，二十世紀(jì)五十年代螺旋錨逐漸在國外發(fā)展成為工程中的實(shí)用技術(shù)。A.B.Cha-nee公司在輸電線塔的基礎(chǔ)工程中采用螺旋錨，1959年制定了第一個(gè)有關(guān)螺旋錨的標(biāo)準(zhǔn)，螺旋錨標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)逐步形成。目前，在美國、加拿大、墨西哥、澳大利亞等國家，螺旋錨廣泛應(yīng)用于工程施工。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代也開始將螺旋錨應(yīng)用于桅桿和塔的基礎(chǔ)[2]。我國螺旋錨使用始于20世紀(jì)90年代初，用作觸探試驗(yàn)加載的反力裝置。武漢水利電力學(xué)院王釗教授等開始將螺旋錨技術(shù)應(yīng)用于基坑支護(hù)和輸電線塔基礎(chǔ)，到21世紀(jì)初，一些小型螺旋錨在煤巷支護(hù)領(lǐng)域開始應(yīng)用�？傮w來看，在我國水利、電力、建筑、煤炭行業(yè)都開展了螺旋錨技術(shù)試驗(yàn)研究工作[2，10-12]。2011年國家電網(wǎng)公司制定并發(fā)布了有關(guān)輸電線路螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量驗(yàn)收的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13]。螺旋錨具有制造簡單、安裝和施工方便、鉆進(jìn)速度快，且發(fā)揮承載能力快，能縮短工期、降低造價(jià)，對環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。但該項(xiàng)基礎(chǔ)工程技術(shù)在我國輸變電工程中應(yīng)用處于技術(shù)探索與積累的初級階段，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可操作性不高，大規(guī)模的使用尚未開始。在青藏高原開展輸電線路建設(shè)，基礎(chǔ)施工及相關(guān)凍土是工程面臨的主要問題，針對該地區(qū)特殊環(huán)境開展螺旋錨基礎(chǔ)應(yīng)用探索意義重大。

1青藏凍土螺旋錨適用性分析

1.1青藏凍土地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)青藏高原可劃分為10個(gè)土壤地帶，29個(gè)土區(qū)[14]。東喜馬拉雅山南側(cè)山地、察隅河流域，大部分為高山峽谷，土層較薄；川西藏東地區(qū)，既有高山、高原，也有眾多寬谷和盆地，在盆地等地勢平緩地區(qū)土層較厚；川青藏接壤地區(qū)，已高山等為主，土層薄；治多那曲地區(qū)，多年凍土層分布廣泛，土層分布普遍較厚；藏南地區(qū)，普遍出現(xiàn)凍薄層土；青藏東部地區(qū)，在海東等地區(qū)存在深厚黃土、粉土分布；青南藏北地區(qū)，碎石土等凍薄層土分布廣泛；阿里地區(qū)，地貌以高原寬谷為主，寬谷地區(qū)一般沉積土層較厚；青藏高原西北部昆侖山地區(qū)，凍薄層土為主；柴達(dá)木盆地，干旱碎石土分布廣泛。對于螺旋錨主要適用于黏性土、粉土、松散砂土、松散且碎石粒徑較小的碎石土層，另外由于堅(jiān)硬的凍土層螺旋錨穿越較難，有待螺旋錨旋擰試驗(yàn)驗(yàn)證。1.2適用性分析基礎(chǔ)作為將上部結(jié)構(gòu)所承受的各種作用傳遞到地基上的結(jié)構(gòu)組成部分[15]，輸電線路螺旋錨基礎(chǔ)適用性主要考慮以下因素：（1）基礎(chǔ)是否可承受上部結(jié)構(gòu)及地基的各種作用，實(shí)現(xiàn)其安全、適用、耐久的基本功能。（2）螺旋錨在現(xiàn)有施工裝備水平下能否順利施工，并滿足質(zhì)量要求。從工程實(shí)踐看[2]，螺旋錨基礎(chǔ)可適用于砂土、粉土、黏性土等土層，以及凍土、淤泥質(zhì)土、黃土等特殊土層。根據(jù)研究及應(yīng)用情況，螺旋錨安裝扭矩與其抗拔承載力之間存在聯(lián)系[2，8]，這種聯(lián)系的經(jīng)驗(yàn)公式如下：（1）式中：Kt為扭矩系數(shù)，一般由經(jīng)驗(yàn)確定，取值一般10m-1至66m-1；Qu為螺旋錨極限抗拔承載力；T為施工安裝扭矩。目前，螺旋錨旋扭施工機(jī)械主要通過動(dòng)力頭液壓馬達(dá)產(chǎn)生安裝扭矩，現(xiàn)有裝備技術(shù)條件下動(dòng)力頭可產(chǎn)生超過400kN·m的扭矩，而用于螺旋錨施工的常用的動(dòng)力頭扭矩也超過100kN·m。在土層、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，按照式（1）計(jì)算單根螺旋錨理論上抗拔承載力可達(dá)到1000kN，多個(gè)螺旋錨與承臺(tái)組成的群錨基礎(chǔ)可滿足高壓、超高壓甚至特高壓輸電桿塔對基礎(chǔ)的承載能力要求。青藏高原處于中低緯度地區(qū)，海拔高、氣候嚴(yán)寒的特點(diǎn)決定著高海拔多年凍土的存在和廣泛分布。那曲等藏北地區(qū)多年凍土區(qū)永凍層下限超過20m，淺部為季節(jié)性凍土，覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土[16-18]。另外，青藏高原生態(tài)脆弱，輸電桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型更適宜采用原狀土基礎(chǔ)，減少施工擾動(dòng)，有利于避免凍土工程問題。凍土具有流變、脆性、摩擦角小等特征[19]，有利于螺旋錨施工，且加拿大等凍土分布廣的國家或地區(qū)已大量應(yīng)用螺旋錨基礎(chǔ)。因此，螺旋錨基礎(chǔ)適用于除巖石、含大量礫卵石土等地層以外的土層，包括青藏高原凍土，且一般情況下基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)有無地下水均適用。

2輸電桿塔對基礎(chǔ)的作用特點(diǎn)

對于輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)典型工況包括：（1）基礎(chǔ)頂面受豎向（上拔或下壓）與水平向荷載復(fù)合作用。一般存在于輸電鐵塔對基礎(chǔ)的作用，如圖2（a）所示。（2）基礎(chǔ)頂部受豎向下壓、水平向荷載以及傾覆彎矩復(fù)合作用。一般存在于輸電桿對基礎(chǔ)的作用，如圖2（b）所示。上拔、傾覆等反應(yīng)是輸電桿塔對基礎(chǔ)的作用效應(yīng)，往往控制輸電桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，而這些作用效應(yīng)主要由風(fēng)荷載、導(dǎo)線張力等可變作用產(chǎn)生。

3西藏高原凍土螺旋錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，110（66）kV~750kV線路輸電桿塔水平力與豎向力的比值一般為0.1~0.15。根據(jù)螺旋錨的承載特性，其豎向承載能力遠(yuǎn)大于水平承載能力，對于35kV及以上電壓等級的輸電桿塔基礎(chǔ)不適宜采用單個(gè)螺旋錨基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式。而對于青藏高原多年凍土區(qū)，淺部一般為季節(jié)性凍土層（厚度一般不大于3.0m），下部為永凍土層，融化狀態(tài)下處于軟塑或流塑狀態(tài)，那曲地區(qū)輸電線路基礎(chǔ)坑開挖后淺層土狀態(tài)如圖3所示，單錨布置形式難以滿足水平承載需要。因此凍土螺旋錨基礎(chǔ)適宜采用群錨結(jié)構(gòu)形式。另外，為滿足安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的要求，需針對不同的作用工況，考慮螺旋錨基礎(chǔ)承載特性，優(yōu)化螺旋錨布置。3.1輸電塔基礎(chǔ)輸電塔對基礎(chǔ)的作用力最主要的特點(diǎn)是基頂處彎矩設(shè)計(jì)計(jì)算為零。以基礎(chǔ)頂面為分析對象，按照靜力平衡，螺旋錨軸心盡可能交匯于基頂輸電桿塔對基礎(chǔ)作用合力點(diǎn)處，考慮螺旋錨應(yīng)保持一定間距，減少承載過程中群錨效應(yīng)，螺旋錨適宜傾斜布置，如圖4所示。螺旋錨傾斜布置且交匯于基頂，這種結(jié)構(gòu)形式簡潔，受力清晰，可保持螺旋錨承受軸心荷載作用，充分發(fā)揮其承載特性及軸心承載能力較高的優(yōu)勢。西藏高原凍土特殊地層分布及物理力學(xué)特性，更適合這種螺旋錨布置形式。另外，青藏高原混凝土等材料匱乏，運(yùn)輸成本高，適宜采用預(yù)制混凝土或鋼構(gòu)件承臺(tái)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速安裝施工，減少工程活動(dòng)影響對高原環(huán)境影響，且有利于冬季施工。3.2輸電桿基礎(chǔ)輸電桿對基礎(chǔ)的作用力與輸電桿比較，前者設(shè)計(jì)計(jì)算在基頂處要考慮彎矩作用。一般螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，主要通過地基土對承臺(tái)側(cè)壁的水平力和螺旋錨的不均勻作用來抵抗。對于青藏高原那曲等淺層為軟弱土層的地基條件，基頂彎矩作用主要依靠螺旋錨的不均勻作用平衡，因此，螺旋錨更合適采用豎直或小角度傾斜布置，示意如圖5所示。承臺(tái)可采用裝配式或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。目前，輸電桿在青藏高原主要用于110kV及以下電壓等級的輸電線路工程，因此，螺旋錨基礎(chǔ)適宜采用螺旋錨構(gòu)件豎直布置。

4基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)方法及參數(shù)取值青藏高原螺旋錨基礎(chǔ)主要有2種適用條件：土質(zhì)地基（含淺部季節(jié)性凍土層）和多年凍土層（含淺部季節(jié)性凍土層）。對于土質(zhì)地基及淺部凍土層，設(shè)計(jì)中螺旋錨錨盤均適宜埋置在凍土層以下，工程基礎(chǔ)應(yīng)按最不利條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，即按淺部凍土層融化狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法及參數(shù)取值依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對于多年凍土層，如青藏高原東部地區(qū)，多年凍土下線往往超過20m，設(shè)計(jì)中螺旋錨錨盤適宜穿過季節(jié)性凍土層，埋置在永凍層中，按照凍土物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行螺旋錨抗拔及抗壓工況設(shè)計(jì)。4.2防腐設(shè)計(jì)根據(jù)我國遼寧等地在運(yùn)螺旋錨基礎(chǔ)腐蝕情況調(diào)查看，實(shí)際腐蝕程度比預(yù)想要低，地基涉及強(qiáng)、微腐蝕環(huán)境。螺旋錨基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)，螺旋錨的防腐蝕措施包括：涂覆防腐蝕涂層（含熱鍍鋅、涂刷防銹漆等）、預(yù)留腐蝕裕量等。（1）螺旋錨基礎(chǔ)應(yīng)采取防腐措施，其防腐年限應(yīng)與螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命一致。（2）錨桿、錨盤均應(yīng)采取預(yù)留腐蝕厚度的設(shè)計(jì)措施，錨桿內(nèi)壁與外界環(huán)境密閉隔絕時(shí)，可不考慮內(nèi)壁腐蝕。預(yù)留厚度量可按類似環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕實(shí)測數(shù)據(jù)確定，也可按式（2）計(jì)算：Δδ=V[（1-Pt）t1+（t-t1）]，（2）式中：t為設(shè)計(jì)使用年限；Δδ為t時(shí)間內(nèi)單面腐蝕厚度預(yù)留量；V為單面腐蝕速率，可取0.02~0.03mm/a；Pt涂層保護(hù)防腐措施的保護(hù)效率，一般取50%~95%；t1涂層保護(hù)防腐措施的使用年限。（3）鋼制承臺(tái)及近地表的錨桿段外壁宜采取涂層保護(hù)防腐蝕措施。當(dāng)?shù)乇硗了缮�、植被發(fā)育、地表干濕交替明顯時(shí)，采取涂層保護(hù)措施的錨桿段宜根據(jù)環(huán)境適當(dāng)加長。（4）結(jié)合運(yùn)維要求，采用混凝土帽對鋼制承臺(tái)進(jìn)行防腐保護(hù)。

5結(jié)論

螺旋錨基礎(chǔ)作為一種原狀土基礎(chǔ)，具有施工快捷、機(jī)械化程度高、多環(huán)境影響小等特點(diǎn)。我國青藏高原凍土區(qū)螺旋錨基礎(chǔ)未曾開展相關(guān)研究及工程應(yīng)用，本文通過相應(yīng)技術(shù)探討，形成以下結(jié)論：（1）螺旋錨基礎(chǔ)適用于青藏高原凍土區(qū)，可滿足安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用要求，且具備相關(guān)施工機(jī)械等配套技術(shù)能力。（2）凍土區(qū)輸電塔螺旋錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適宜采用螺旋錨傾斜布置形式，承臺(tái)采用鋼筋混凝土預(yù)制或鋼制的結(jié)構(gòu)。（3）輸電桿基礎(chǔ)螺旋錨適宜采用豎直或小角度傾斜的布置形式，同時(shí)承臺(tái)需具備水平承載和抵抗傾覆彎矩作用的能力；基礎(chǔ)按最不利狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取涂覆防腐蝕涂層、預(yù)留腐蝕裕量等防腐設(shè)計(jì)措施。螺旋錨基礎(chǔ)在青藏高原凍土區(qū)輸電線路工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。在凍土地基螺旋錨基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工工藝與裝備研發(fā)等技術(shù)方面開展系統(tǒng)研究，形成標(biāo)準(zhǔn)化成套技術(shù)，支撐推廣應(yīng)用。