Application of Multiple Heads Pile Foundation in Transmission Line

根据规范要求^［2-3］，传统扩大头的作用范围根据地质不同取4~10 d（d为挖孔桩直径）。由于输电线路地质勘探的离散性较大，工程中一般偏于保守取3~4 d进行扩大头设计。为了加大扩大头作用的范围，在桩身上增加多个扩大头，扩大头间距可以取3~4 d^［4］。扩大头的尺寸应满足常规扩大头的要求。如图1所示。

Figure 1.  Pile foundation with multiple expanded heads

由于挖孔桩基础人工施工安全的局限性，目前一般的挖孔桩基础在6~15 m之间，桩径在1.2~2.4 m之间，其深径比一般在5~10 d。因此，多扩头挖孔桩基础相对常规扩大头基础只需增加1~2个扩大头即可，施工难度不大，但是上拔作用的范围却可以扩大到整个桩埋深范围。

挖孔桩基础是原状土基础，其上拔承载力主要靠侧阻力及桩土自重承担。多扩头挖孔基础受力模式与常规单扩头挖孔基础相同，可以参考常规的扩大头设计方法，上拔承载力计算按照下面公式计算。但是其扩大头作用范围应该取桩埋深全部。如图2桩身虚线部分所示。

Figure 2.  Comparison of action range between single and multiple expanded heads

式中：N_k为桩上拔作用力标准值；Tuk为基桩抗拔极限承载力标准值；qsik为抗压侧阻力标准值；λi为抗拔系数；ui为桩身周长，多扩底桩取ui=πD，D为扩大头直径；Gp为桩、土自重；l_i 为桩侧阻力作用范围内第i层土厚度。

对于常规的单扩大头桩，ui的作用范围有限，由于输电线路涉及的地质范围广，地质勘探相对粗糙，地质离散性较大。因此，在输电线路设计中保守采用，一般取3~4 d左右。而对于多扩头桩，摩擦力的作用范围及Gp的桩土自重范围，均可取埋深全长，因此相比单扩头挖孔桩，多扩头桩的上拔承载力有较大幅度提高^［5］。

为了充分发挥多扩头挖孔桩基础侧阻力，应当充分保护开挖过程中坑壁的完整性。

对于多扩头基础，扩大头的高度及扩大头的大小应该满足规范［2］要求，高度h_c为0.3~0.35倍桩径；直径D不宜大于3倍桩径。为了保护施工中工人的安全，桩身及扩头部分应该视地质成孔性能来考虑设置护壁。一般来说，对于成孔良好的硬塑土或较完整的中风化及上的地质，不需要设置护壁。对于含沙量较大或者破碎程度较高的岩石地质，需要设置护壁。多扩头桩扩大头部分更应该加强设置护壁。

常见的扩大头护壁的设计如图3所示。

Figure 3.  Protection wall design at expanded heads

施工过程中应该根据护壁是否设置来决定挖坑及扩底的顺序。对于无需设置护壁的多扩头桩，其扩大头部分应该在桩身开挖完成后再加以掏挖完成，以免在后续施工中由于天气变化降雨，导致雨水浸泡坑壁而引起塌孔事故；对于设置护壁的，为了保证护壁连续性，应当从上至下顺序开挖时，加以扩底，并及时浇筑护壁。基坑掏挖成多扩底挖孔桩后，应该及时浇筑混凝土成桩。

对于500 kV多回路及特高压输电线路，基础上拔作用力标准值一般在1 MN~7 MN，对于硬塑土山地地区，其桩径一般在1.2~2.0 m之间，由于人工挖孔作业安全的原因，一般最深在14 m左右。

山地典型硬塑土地质参数如表1所示。

对于相同埋深及露高的挖孔桩基础，将单扩头的基础与多扩头的相对比，计算中单头基础按照4 d的作用范围考虑扩大头作用。

由表2可知，在与单桩同等条件下，增加扩大头个数，承载力提高幅度在9%~34%，而且随着深径比的增加而增大。

对于混凝土量，由于增加了扩大头数量，混凝土量增加幅度为6%~12%，随着深径比增加，其增大的幅度变小。

如果在平丘适合机械化施工的地区，采用可扩头的机械化钻头代替人工作业，其埋深可达20 m以上，深径比可以达到16左右，其承载力提高幅度更大，混凝土量增加比例越少。

同样采用上文中的地质参数，取露高0.5 m。由表3可知，多扩头挖孔桩基础与单扩头基础上拔承载力相当，而混凝土量却可较大幅度节省。深径比5~10的多扩头桩，其节省混凝土量在4%~26%，随着深径比的增加而节省幅度更大。

在人工作业地区，一般工程中最大不超过14 m，而且桩径越小限值越低。多扩头埋深在临界时，与之相当的单扩头桩需要增加一级桩径，因此，混凝土增加比例将更大。

对于作用力大的铁塔，如多回路耐张塔，终端塔，考虑安全系数后，上拔作用力标准值达到7 MN以上，常规的设计需要群桩基础；而在作用力7 MN~9 MN的基础，以采用多扩头基础，将大幅节省混凝土量。

1）本文提出多扩大头桩基础新型基础，适用于山地地区特高压、超高压、沿海强风区多回路线路等基础力大的工程。

2）多扩大头基础扩大头间距不大于4 d，扩大头作用范围取全部埋深范围，侧阻力计算取扩大头直径，桩土自重考虑扩大头上部土自重。

3）多扩头基础按照地质差异设置护壁。对于不设置护壁的应该最后掏挖扩底；设置护壁的应该保证护壁连续性，从上至下顺序扩底成孔；成孔后均应及时浇筑混凝土成桩。

4）多扩大头基础与同条件的单扩头基础相比，上拔承载力提高了9%~34%，而混凝土量增加6%~12%，随着深径比的增大优势更明显，承载力提高越多而混凝土量增加越少。

5）同样承载力条件下，多扩头基础相对单扩头基础节省混凝土4%~26%，而且随着深径比增加而增大。