《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告.doc

输电线路铁塔加固纠偏技术研究技术报告 输电线路铁塔加固纠偏技术研究鉴定资料之二输电线路铁塔加固纠偏技术研究技 术 报 告厦门电业局福州大学土木工程学院2006年12月1. 问题的提出随着我国经济建设的蓬勃发展，电力工业作为我国的一项基础产业业，其发展速度的快慢直接影响制约着其它工业的发展。高压架空线路是构成电力系统必不可少的重要组成部分，是电力系统中电能传输、交换、调节和分配的主要环节。通过高压架空线路可以进行电力系统间的联网，提高系统的安全性、可靠性以及稳定性使各种能源能够得到充分利用。输电铁塔作为电力输送的支柱，约占线路总投资的40左右，所占的比重很大，它的安全性和信赖性受到现代社会的日益关注。近年来，以大城市为中心的电力需求急剧增加，而火力、水力和原子能等大规模的发电设备都远离都市，特别是在我国“北电南送”、“西电东送”的格局下，高电压、大容量输电线路的建设成为社会发展的必然。因此，铁塔在电力能源的传输中起着举足轻重的作用，它的结构强度、力学性能会直接影响到整个电力系统的安全和经济运行。自1980年我国第一条500kV平武输电线路投入运行以来，500kV线路已逐步成为各大电力系统的骨架和跨省跨地区的联络线。随着装机容量、电压等级的提高，对铁塔性能的要求也越来越高，而一旦遭受破坏，短时间内又难以恢复，给国民经济带来了巨大的损失，人民生活受到严重影响。据新浪网新闻中心新华通讯社报道，2000年7月21日凌晨，在吉林省东北电网10座500kV高压输电铁塔因遭龙卷风、大暴雨和冰雹侵袭发生倒塌。1999年9月21日，在台湾地区，发生6.8级大地震，造成345kVM高压输电铁塔大规模损坏。2001年4月3日晚间，在美国加州，一场暴风雨摧毁了太平洋电网的6个输电铁塔，输电干线被迫中断。铁塔作为高压输电线路的一项重要组成部分，其功能主要是用来支持导线、避雷线以及其它附件，使导线、避雷线保持一定的安全距离，并使导线对地面、交叉跨越物或其它建筑物保持允许的安全距离。铁塔承受的载荷主要包括：导线自重、风载、覆冰等的作用以及年平均气温的影响。而且在一定的风力作用下，导线会发生稳定的风致微幅振动，从而激励塔身振动，严重时会引起铁塔破坏。在这些载荷条件下，铁塔都应该保证有足够强度而不致被破坏。另外，对于一些特殊的工作条件，比如导线断裂，此时铁塔是否具有足够的强度来防止由于断线引起更进一步的严重破坏也是考核铁塔性能的一个重要指标。随着输电电压等级的提高，铁塔的体积越来越庞大，重量也越来越重。目前我国己经有很多地方建成500kV的输电网，并且电压等级还在进一步提高，多回路、多分裂导线铁塔以及山区、过江等大跨越巨型铁塔的使用进一步提高了对输电铁塔的要求。按照铁塔在线路中的位置和作用不同，可以分为直线塔（z）、跨越塔（K）、耐张塔（N）、转角塔（J）、终端塔（D）、换位塔（H)和变电构架等。按照铁塔结构、形状、特点来分，常见的有酒杯型铁塔（B）、猫头型铁塔（M）、干字形铁塔(G）、丰子型铁塔（F）等。按材料来分有角钢钢板螺栓铁塔和钢管焊接螺栓铁塔等。在我国，大多数采用角钢钢板螺栓铁塔，其构造主要采用角钢、钢板等部件制仁作，用螺栓联接组合而成，局部采用少量焊接件，基础座板采用电焊焊接，塔上部件一般都采用热浸镀锌防腐。总体结构上，自立式角钢塔的主体结构为构架型，主要有如下几个特点：（1）铁塔的主材通常采用较大型号的角钢，并且主材通常不打断，而只在联接处打螺栓孔用螺栓或者联接板联接。（2）斜材、辅材及横隔材采用较主材型号小的角钢，两联接端之间为一小段独立的角钢。（3）铁塔的塔脚处通常用螺栓与塔脚板联接，并与地基相连。（4）构成铁塔构件（角钢）的长细比较大。（5）各个角钢联接处通常采用联接板（也有直接联接在主材上）用一个或者多个螺栓联接。（6）主材、斜材及横隔材通常是受力材，将载荷从它们的施加点处往下传到铁塔的基础上，而辅助材是用来提供受力材的中间支撑。厦门电业局所辖110KV钟贞、回10塔位于海沧出口加工区内，该塔基地质条件比较复杂，在运行过程中地基发生不均匀沉降，造成铁塔严重偏斜，经监测显示基础沉降和铁塔偏斜有进一步发展的趋势。如不及时处理，铁塔基础的稳定性将遭受破坏，存在倒杆断线的重大事故隐患，直接威胁海沧地区的安全供电。如按常规做法另选塔位进行线路改建，存在110kV贞庵变全站停电影响周边地区正常供电的问题，而且该塔所处地形特殊，前为水渠、后为公路，难以选择新铁塔基础位置。为解决上述问题，决定组织进行技术攻关，在不影响线路正常供电的情况下，进行铁塔基础原位加固纠编。本项目的提出是受建筑物纠偏的启发，但因为架空线路的材料、结构、受力情况及基础形式与普通建筑物不同，最关键的是要保证纠偏过程中不能中断供电，因此难度很大，但是经过咨询有关专家并经多次现场勘察及论证，课题组人员认为借鉴建筑物加固纠偏理论和技术并充分考虑电力线路铁塔的特殊性，项目是可行的。据了解，目前省内尚未进行该项技术研究，国内少见在输电线路铁塔中采用这类技术的报道，但是开展不停电铁塔纠偏是大势所趋。该项目的成功研究将有效解决输电线路铁塔由于基础沉降造成的偏斜缺陷，提高电网供电可靠性，有很好的推广应用前景。2. 项目研究方案简介2.1项目研究目标结合厦门电业局所辖110KV钟贞、回10倾斜电塔加固纠偏工程，深入研究输电线路倾斜铁塔加固纠偏关键技术，提出输电线电路铁塔加固纠偏成套技术，为输电线路倾斜铁塔原位在线加固纠偏提供技术支持。2.2项目研究内容 输电线路倾斜铁塔加固纠偏设计计算方法研究； 输电线路倾斜铁塔加固纠偏顶升结构优化设计； 输电线路倾斜铁塔加固纠偏信息化施工控制技术。2.3技术关键 运用现代数值分析手段，分析倾斜铁塔健康状况和加固纠偏过程应力状况，提出输电线路倾斜铁塔加固纠偏设计计算方法； 结合工程实际和现场试验，提出输电线路倾斜铁塔信息化施工控制技术。2.4预期成果 输电线电路铁塔加固纠偏成套技术在不断电的条件下实施铁塔基础原位加固纠偏，社会经济效益显著； 所提出的输电线电路铁塔加固纠偏成套技术，可为输电线路倾斜铁塔原位在线加固纠偏提供技术支持。2.5项目创新点 采用有限元技术分析倾斜铁塔健康状况和纠偏过程塔身应力变化，完善铁塔加固纠偏设计计算方法； 结合工程实际，优化顶升结构设计，确保铁塔加固纠偏达到预期目标； 研究铁塔加固纠偏信息化施工控制技术，确保加固纠偏过程铁塔绝对安全。2.6项目依托工程概况已建的110KV输电线路铁塔位于厦门市海沧出口加工区内，该塔在运行过程中，地基发生不均匀沉降，变形观测结果分别见表1。、腿相对腿出现不均匀沉降，并有进一步发展的趋势。塔身倾斜现状见图1，基础平面与钻孔布置见图2。图1 铁塔倾斜现状图2 电塔基础平面与钻孔布置表1 基础不均匀沉降观测结果测量位置与腿相差值（mm）腿-37腿-133腿-117腿02006年1月对铁塔场地进行岩土工程补充勘察，钻孔地质剖面见图3，各土层特征分述如下：a) 素填土：浅黄色、褐灰色，稍湿-湿，结构松散，填料成分以粉质粘性土为主，底部为原塔施工时换填的中砂，属新近回填而成，该层在场区均有揭露，厚度5.806.80m； b) 淤泥：呈灰黑色，湿，流塑状，触变、污手，含些腐殖质，具腥臭味；该层在腿附近缺失（ZK3孔未揭露），其埋深5.806.50m，厚度2.103.20m；c) 粉质粘土：褐灰色、青灰色，呈可塑硬塑状，成分以粘、粉粒为主，砂砾含量为10%左右，粘性强，属冲洪积而成；该层在场区均有揭露，其埋深6.809.00m，厚度7.8010.10m；d) 残积砂质粘性土：系花岗岩风化残积而成，呈浅黄色、褐黄色、灰白色，湿，可塑状硬塑状，主要由长石风化的粘粉粒、石英砂粒及少量云母碎屑组成，石英砂粒含量约15%，具遇水易崩解、软化的特点；该层在场区均有揭露，其埋深16.8017.00m，揭露厚度1.153.15m，属中等压缩性土，工程性能较好。图3钻孔地质剖面（单位：m）3. 既有建筑物纠偏加固机理3.1 既有建筑物基础加固托换技术既有建(构)筑物地基加固与基础托换主要从3方面考虑：一是通过将原基础加宽，减小作用在地基土上的接触压力。虽然地基土强度和压缩性没有改变，但单位面积上荷载减小，地基土中附加应力水平减小，可使原地基满足建筑物对地基承载力和变形的要求。或者通过基础加深，虽未改变作用在地基土上的接触应力，但由于基础埋深加大，一者使基础置入较深的好土层，再者加大埋深，地基承载力通过深度修正也有所增加。二是通过地基处理改良地基土体或改良部分地基土体，提高地基土体抗剪强度、改善压缩性，以满足建筑物对地基承载力和变形的要求，常用如高压喷射注浆、压力注浆以及化学加固、排水固结、压密、挤密等技术。三是在地基中设置墩基础或桩基础等竖向增强体，通过复合地基作用来满足建筑物对地基承载力和变形的要求，常用锚杆静压桩、树根桩或高压旋喷注浆等加固技术。有时可将上述几种技术综合应用。3.1.1 基础加固技术有许多既有建筑物或改建增层工程，常因基础底面积不足而使地基承载力或变形不满足规范要求，从而导致既有建筑物开裂或倾斜；或由于基础材料老化、浸水、地震或施工质量等因素的影响，原有地基基础已显然不再适应，一般常用基础加宽托换，以增大基础支承面积、加强基础刚度、或增大基础的埋置深度等。通常采用混凝土套或钢筋混凝土套加固。当采用混凝土套或钢筋混凝土套时，应注意以下几点施工要求：基础加大后刚性基础应满足混凝土刚性角要求，柔性基础应满足抗弯要求；为使新旧基础牢固联结，在灌注混凝土前应将原基础凿毛并刷洗干净，再涂一层高标号水泥砂浆，沿基础高度每隔一定距离应设置锚固钢筋；也可在墙脚或圈梁钻孔穿钢筋，再用环氧树脂填满，穿孔钢筋须与加固筋焊牢；对加套的混凝土或钢筋混凝土的加宽部分，其地基上应铺设的垫料及其厚度，应与原基础垫层的材料及厚度相同，使加套后的基础与原基础的基底标高和应力扩散条件相同和变形协调；对条形基础应按长度1.52.0m划分成许多单独区段，分别进行分批、分段、间隔施工，决不能在基础全长挖成连续的坑槽和使全长上地基土暴露过久，以免导致地基土浸泡软化，使基础随之产生很大的不均匀沉降。当原基础承受中心荷载时，可采用双面加宽；当原基础承受偏心荷载，或受相邻建筑基础条件限制，或为沉降缝处的基础，或为了不影响室内正常使用时，可在单面加宽原基础；亦可将柔性基础改为刚性基础；也可将条形基础扩大成片筏基础。3.1.2 坑式托换加固若根据验算原地基承载力和变形不能满足规范要求时，除了可采用基础加宽的托换方法外，尚可将基础落深在较好的新持力层上的坑式托换加固方法，也称为墩式托换。坑式托换基础施工步骤：在贴近被托换的基础侧面，由人工开挖一个长宽为1.2m0.9m的竖向导坑，并挖到比原有基础底面下再深1.5m处；再将导坑横向扩展到直接的基础下面，并继续在基础下面开挖到所要求的持力层标高；采用现浇混凝土浇筑已被开挖出来的基础下的挖坑体积形成墩子。但在离原有基础底面8cm处停止浇注，养护一天后，再将1:1干硬性水泥砂浆放进8cm的空隙内，充分捣实成填充层；用同样步骤，再分段分批的挖坑和修筑墩子，直至全部托换基础的工作完成为止。3.1.3桩式托换加固桩式托换加固法是采用坑式静压桩、锚杆静压桩、灌注桩和树根桩等桩型进行托换的技术。锚杆静压桩是锚杆和静力压桩两项技术巧妙结合而形成的一种桩基施工新工艺，它是对需进行地基基础加固的既有建筑物基础上按设计开凿压桩孔和锚杆孔，用粘结剂埋好锚杆，然后安装压桩架与建筑物基础连为一体，并利用既有建筑物自重作反力，用千斤顶将预制桩段压人土中，桩段间用硫磺胶泥或焊接连接。当压桩力或压人深度达到设计要求后，将桩与基础用微膨胀混凝土浇注在一起，桩即可受力，从而达到提高地基承载力和控制沉降的目的。锚杆静压桩施工机具简单，施工作业面小，施工方便灵活，技术可靠，效果明显，施工时无振动，无污染，对原有建筑物里生活或生产秩序影响小。锚杆静压桩适用范围广，可适用于粘性土、淤泥质土、杂填土、粉土、黄土等地基。锚杆静压桩技术除应用于已有建筑物地基加固外，也应用于新建建(构)筑物基础工程。在闹市区旧城改造中，限于周围交通条件难以运进打桩设备，或施工场所很窄，打桩施工工作面不够时，可采用锚杆静压桩技术进行桩基施工。在施工设备短缺地区，无打桩设备，也可用锚杆静压桩技术进行桩基施工。对于新建建筑物，在基础施工时可按设计预留压桩孔和预埋锚杆，待上部结构施工至34层时，再利用建筑物自重作为压桩反力开始压桩。锚杆静压桩的压桩施工应遵循下述各点：1) 根据压桩力大小选定压桩设备及锚杆直径，对触变性土(粘性土)，压桩力可取1.31.5倍的单桩容许承载力，对非触变性土(砂土)，压桩力可取2倍的单桩容许承载力；2) 压桩架要保持垂直，应均衡拧紧锚固螺栓的螺帽，在压桩施工过程中，应随时拧紧松动的螺帽；3) 桩段就位必须保持垂直，不得偏压。当压桩力较大时，桩顶应垫34cm厚的麻袋，其上垫钢板再进行压桩，防止桩顶压碎；4) 压桩施工时不宜数台压桩机同时在一个独立柱基上施工。施工期间，压桩力总和不得超过既有建筑物的自重，以防止基础上抬造成结构破坏；5) 压桩施工不得中途停顿，应一次到位。如不得已必须中途停顿时，桩尖应停留在软弱土层中，且停歇时间不宜超过24小时；6) 采用硫磺胶泥接桩时，上节桩就位后应将插筋插人插筋孔内，检查重合无误，间隙均匀后，将上节桩吊起l0cm，装上硫磺胶泥夹箍，浇注硫磺胶泥，并立即将上节桩保持垂直放下，接头侧面应平整光滑，上下桩面应充分粘结，待接桩中的硫磺胶泥固化后(一般气温下，经五分钟硫磺胶泥即可固化)，才能开始继续压桩施工。当环境温度低于5时，应对插筋和插筋孔作表面加温处理；7) 熬制硫磺胶泥的温度应严格控制在140145范围内，浇注时温度不得低于140；8) 采用焊接接桩时，应清除表面铁锈，进行满焊，确保质量；9) 桩与基础的连接(即封桩)是整个压桩施工中的关键工序之一，必须认真进行；10) 压桩施工的控制标准，应以设计最终压桩力为主，桩入土深度为辅加以控制。树根桩是一种小直径钻孔灌注桩，其直径通常为100mm250mm，有时也有采用300mm。先利用钻机钻孔，满足设计要求后，放人钢筋或钢筋笼，同时放人注浆管，用压力注入水泥浆或水泥砂浆而成桩，亦可放人钢筋笼后再灌人碎石，然后注入水泥浆或水泥砂浆而成桩。小直径钻孔灌注桩也有人称为微型桩。小直径钻孔灌注桩可以竖向、斜向设置，网状布置如树根状，故称为树根桩。树根桩技术的特点是：机具简单，施工场地小；施工时振动和噪音小，施工方便；施工时因桩孔很小，故而对墙身和地基土都不产生任何次应力，所以托换加固时不存在对墙身有危险；也不扰动地基土和干扰建筑物的正常工作情况；树根桩适用于碎石土、砂土、粉土、粘性土、湿陷性黄土和岩石等各类地基土；树根桩不仅可承受竖向荷载，还可承受水平向荷载。压力注浆使桩的外侧与土体紧密结合，使桩具有较大的承载力。树根桩加固地基的设计计算内容与树根桩在地基加固中的效用有关，应视工程情况区别对待。树根桩一般为摩擦桩，与地基土体共同承担荷载，可视为刚性桩复合地基。对于网状树根桩，可视为修筑在土体中的三维结构，设计时以桩和土间的相互作用为基础，由桩和土组成复合土体的共同作用，将桩与土围起来的部分视为一个整体结构，其受力犹如一个重力式挡土结构一样。树根桩与桩间土共同承担荷载，树根桩的承载力发挥还取决于建筑物所能容许承受的最大沉降值。容许的最大沉降值愈大，树根桩承载力发挥度愈高。容许的最大沉降值愈小，树根桩承载力发挥度愈低。承担同样的荷载，当树根桩承载力发挥度低时，则要求设置较多的树根桩数。树根桩施工时如不下套管会出现缩颈或塌孔现象时，应将套管下到产生缩颈或塌孔的土层深度以下；注浆时注浆管的埋设应离孔底标高200mm，从开始注浆起，对注浆管要进行不定时的上下松动，在注浆结束后要立即拔出注浆管，每拔1m必须补浆一次，直至拔出为止；注浆施工时应防止出现穿孔和浆液沿砂层大量流失的现象，可采用跳孔施工、间歇施工或增加速凝剂掺量等措施来防范；额定注浆量应不超过按桩身体积计算量的3倍，当注浆量达到额定注浆量时应停止注浆；注浆后由于水泥浆收缩较大，故在控制桩顶标高时，应根据桩截面和桩长的大小，采用高于设计标高5%10%的施工标高。坑式静压桩(亦称压人桩或顶承静压桩)是在已开挖的基础下托换坑内，利用建筑物上部结构自重作支承反力，用千斤顶将预制好的钢管桩或钢筋混凝土桩段接长后逐段压人土中的托换方法坑式静压桩亦是将千斤顶的顶升原理和静压桩技术融为一体的托换技术新方法。坑式静压桩适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、湿陷性土和人工填土，且有埋深较浅的硬持力层。当地基土中含有较多的大块石、坚硬粘性土或密实的砂土夹层时，由于桩压人时难度较大，则应根据现场试验确定其适用与否。预压桩的设计思路是针对坑式静压桩的施工存在局限而予以改进的。亦即预压桩能阻止坑式静压桩施工中在撤出千斤顶时压入桩的回弹，阻止压入桩回弹的方法是在撤出千斤顶之前，在被顶压的桩顶与基础底面之间加进一个楔紧的工字钢。预压桩的施工方法，其前阶段施工与坑式静压桩施工完全相同。即当钢管桩(或预制钢筋混凝土桩)达到要求的设计深度，如果是钢管桩管内要灌注混凝土，则需待混凝土结硬后才能进行预压工作。一般要用两个并排设置的液压千斤顶放在基础底和钢管桩顶面间。两个千斤顶间要有足够的空位，以便将来安放楔紧的工字钢钢柱，两个液压千斤顶可由小液压泵手摇驱动。荷载应施加到桩的设计荷载的150为止。在荷载保持不变的情况下(一小时内沉降不增加才被认为是稳定的)，然后截取一段工字钢竖放在两个千斤顶之间，再将铁锤打紧钢楔，实践经验证明，只要转移1015的荷载，就可有效地对桩进行预压，并阻止了压人桩的回弹，此时千斤顶已停止工作，并可将其撤出。然后用干填法或在压力不大的情况下将混凝土灌注到基础底面，最后将桩顶与工字钢柱用混凝土包起来，此时预压桩施工才告结束。3.1.4 灌浆托换加固灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能好和化学稳定性良好的“结石体”。灌浆法在我国煤炭、冶金、水电、建筑、交通和铁道等部门都进行了广泛使用，并取得了良好的效果。其加固目的有以下几方面：增加地基土的不透水性。防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水和隧道开挖时涌水，以及改善地下工程的开挖条件；防止桥墩和边坡护岸的冲刷；整治坍方滑坡，处理路基病害；提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降；进行托换技术，对古建筑的地基加固。灌浆加固离不开浆材，而浆材品种和性能的好坏，又直接关系着灌浆工程的成败、质量和造价，因而灌浆工程界历来对灌浆材料的研究和发展极为重视。现在可用的浆材越来越多，尤其在我国，浆材性能和应用问题的研究比较系统和深入，有些浆材通过改性使其缺点消除后，正朝理想浆材的方向演变。灌浆工程中所用的浆液是由主剂(原材料)、溶剂(水或其它溶剂)及各种外加剂混合而成。通常所提的灌浆材料是指浆液中所用的主剂。外加剂可根据在浆液中所起的作用，分为固化剂、催化剂、速凝剂、缓凝剂和悬浮剂等。浆液材料分类的方法很多，如：按浆液所处状态，可分为真溶液、悬浮液和乳化液；按工艺性质，可分为单浆液和双浆液；按主剂性质，可分为无机系和有机系等。根据灌浆机理，灌浆法可分为下述几类：1)渗透灌浆：渗透灌浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙，排挤出孔隙中存在的自由水和气体，而基本上不改变原状土的结构和体积(砂性土灌浆的结构原理)，所用灌浆压力相对较小。这类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。代表性的渗透灌浆理论有：球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。2)劈裂灌浆劈裂灌浆是指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石和土体结构的破坏和扰动，使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙张开，形成新的裂隙或孔隙，浆液的可灌性和扩散距离增大，而所用的灌浆压力相对较高。对岩石地基，目前常用的灌浆压力尚不能使新鲜岩体产生劈裂，主要是使原有的隐裂隙或微裂隙产生扩张。对于砂砾石地基，其透水性较大，浆液掺入将引起超静水压力，到一定程度后将引起砂砾石层的剪切破坏，土体产生劈裂。对粘性土地基，在具有较高灌浆压力作用下，土体可能沿垂直于小主应力的平面产生劈裂，浆液沿劈裂面扩散，并使劈裂面延伸。在荷载作用下地基中各点小主应力方向是变化的，而且应力水平不同，在劈裂灌浆中，劈裂缝的发展走向较难估计。3)挤密灌浆挤密灌浆是指通过钻孔在土中灌入极浓的浆液，在注浆点使土体挤密，在注浆管端部附近形成“浆泡”。当浆泡的直径较小时，灌浆压力基本上沿钻孔的径向扩展。随着浆泡尺寸的逐渐增大，便产生较大的上抬力而使地面抬动。经研究证明，向外扩张的浆泡将在土体中引起复杂的径向和切向应力体系。紧靠浆泡处的土体将遭受严重破坏和剪切，并形成塑性变形区，在此区内土体的密度可能因扰动而减小；离浆泡较远的土则基本上发生弹性变形，因而土的密度有明显的增加。浆泡的形状一般为球形或圆柱形。在均匀土中的浆泡形状相当规则，而在非均质土中则很不规则。浆泡的最后尺寸取决于很多因素，如土的密度、湿度、力学性质、地表约束条件、灌浆压力和注浆速率等。有时浆泡的横截面直径可达1m或更大，实践证明，离浆泡界面0.32.0m内的土体都能受到明显的加密。挤密灌浆常用于中砂地基，粘土地基中若有适宜的排水条件也可采用。如遇排水困难而可能在土体中引起高孔隙水压力时，这就必须采用很低的注浆速率。挤密灌浆可用于非饱和的土体，以调整不均匀沉降进行托换技术，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土进行及加固。4)电动化学灌浆电动化学灌浆是指在施工时将带孔的注浆管作为阳极，用滤水管作为阴极，将溶液由阳极压入土中，并通以直流电(两电极间电压梯度一般采用0.31.0V/cm)，在电渗作用下，孔隙水由阳极流向阴极，促使通电区域中土的含水量降低，并形成渗浆通路，化学浆液也随之流入土的孔隙中，并在土中硬结。因而电动化学灌浆是在电渗排水和灌浆法的基础上发展起来的一种加固方法。但由于电渗排水作用，可能会引起邻近既有建筑物基础的附加下沉，这一情况应予慎重注意。3.2 倾斜建筑物纠偏加固技术软土地基一般来说地质条件较差，加上勘察失误、设计不当或施工质量低劣以及自然灾害等原因，常使建筑物不均匀下沉，使其发生倾斜、挠曲、开裂等病害现象；此外，城市建筑栉比鳞次，地下空间开发、深基坑工程开挖也常使邻近地面建筑物不均匀下沉，造成地面建筑物开裂、倾斜等岩土工程灾害。这些病害轻者影响建筑物的正常使用，重者危及人民生命财产安全，此类危险建筑物的病害治理是当前岩土工程研究的重要课题。现有危险建筑物纠偏加固技术主要分为迫降法和顶升法两大类。迫降法是在建筑物沉降小的一侧采用掏土、浸水、加压或淤泥触变等扰动措施迫使基础下沉实现危险建筑物的改斜归正；所谓的顶升法即在建筑物沉降大的一侧采用锚杆静压桩、托梁柱或地基注入膨胀剂等措施顶升基础从而使建筑物回倾。 到目前为止，不管国内还是国外，由于软土扰动变形无法预测更无法控制，危险建筑物纠偏加固设计仍停留在经验累积阶段，虽然有近似设计方法，但还很不成熟。同时纠偏加固施工过程中，工程师们常通过频繁的建筑物变形观测监控施工全过程，并及时将观测成果反馈，供决策者调整施工计划时参考，但这一切只能依赖于工程师们的经验判断，只是一种简单的闭环控制，颇显盲目与被动。在总结工程实践的基础上，进一步完善发展信息化施工方法，不仅具有丰富的学术内涵，而且更具有广阔的应用前景。迄今为止国内外对普通建筑物纠偏加固积累了一定经验，但对于输电线路铁塔加固纠偏研究还很有限，加固纠偏技术应用的相关报道很少。由于输电线路铁塔属高耸结构，铁塔的材料、结构、受力情况及基础形式与普通建筑物有很大的不同，因此有必要对输电线路铁塔加固纠偏技术开展相关研究，解决输电线路铁塔加固纠偏关键技术，为输电线路铁塔原位在线加固纠偏提供技术支持。4. 铁塔有限元分析基础随着现代计算机技术的飞速发展，数值分析方法逐渐成为继室内模型试验和现场测试之外的一种有效的分析工具。数值分析方法的类型有多种，包括有限差分法、有限单元法、边界单元法等，其中以有限单元法的应用最为广泛。有限单元法是近半个世纪以来适应计算机技术的发展而迅速发展起来的一种新型数值计算分析方法。它的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式联结在一起的单元的组合体。由于单元形状和联结方式的多样性，有限单元法能够模拟几何形状复杂的求解域。有限单元法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求解的未知场函数；在一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上的数值成为新的未知量，求解出这些未知量，进而利用插值函数可得到整个求解域上的近似解。对于土工结构分析有限元法来说，根据未知量的不同，可分为位移法，应力法和混合法，其中应用最为广泛的是位移法。输电线路铁塔的结构形式随线路电压等级、沿线地形、施工运行条件等各种因寿素变化而变化，形式繁多。在实际运行过程中，所受到的载荷也是多种多样的如铁塔在正常运行情况下，受到的载荷主要有导线自重、风力、覆冰的作用以及年望平均气温的影响，在这些条件下，铁塔都应该有足够强度以保证输电系统的正常运行。另外在一些特殊的情况下，如导线断裂时铁塔也应该有足够的强度以防止由于断线而引起的进一步严重破坏。铁塔的力学性能研究中，静态分析是基础。除了受静态载荷外铁塔大部分时间要受到动态载荷的作用振动是输电铁塔受到破坏的主要原因比如风振。高几压输电线路导线是一种柔性很大的结构物，在一定的风力作用下会发生稳定的风致微幅振动在特定风况和环境条件下，还会发生强烈的风致耦合振动这时塔架的振动往往会加剧导线振动，导线振动反过来又加剧高压输电铁塔的受迫振动，这样恶性循环造成铁塔的破坏。除了风力作用外另外一些外部因素，如地震亦可引起输电铁塔的强烈振动造成严重破坏。对这些动态载荷而言比较有效的处理方法就是将其转化成为静态载荷来处理。传统的铁塔设计方法是手工计算，采用结构力学及有限元方法对其进行力学性能分析这要求设计人员具备丰富的铁塔设计经验。采用有限元方法分析时，工程中一般采用空间桁架模型来处理。在铁塔的结构强度研究方面有较完善的理论基础及相应的设计规范随着电子计算机的发展，铁塔分析软件也越来越多比如东北电力设计院用FORTRAN77编写的自立式铁塔内力分析软件但是其严格的数据输入要求，繁琐的操作过程，阻碍了它的进一步推广。通用有限元软件如SuperSAP也可用于铁塔进行内力分析，但很难利用铁塔的特征进行建模。在铁塔的动态特性研究方面传统的高压输电铁塔固有频率还是按某一经验公式计算，有很一多专家学者投入到这方面的研究，而收效甚微，大部分是根据铁塔的动态特性将动态载荷等效成静态载荷来处理。近几十年来，有限元法已成为计算力学中解决工程问题的主要数值计算方法。传统铁塔设计方法是手工计算，采用结构力学及有限元方法对其进行力学性能分析，当要求数据精确度不高时，有时采用近似值法，这要求设计人员具备丰富的铁塔设计经验。采用有限元方法分析时，工程中一般采用空间行架模型或是刚架模型来处理。在铁塔的结构强度研究方面，有较完善的理论基础。在计算机分析软件出现前，把铁塔视为空间超静定桁架来分析，但是人工的分析超静空间的析架是非常困难，做了许多简化假定进行简化分析，而现有的计算机处理方式常用一阶线性弹性分析方法。这种方法是用矩阵位移法或有限元法，将所有存在的杆件作为线性弹性来处理，即拉杆与压杆的承受能力相同，忽略变形的残余效应。这样的处理方法往往忽视了压杆稳定性控制的因素，因此给结构设计带来了很不必要的耗钢量。随着电子计算机的发展，铁塔分析软件也越来越多，但是其严格的数据输入要求，繁琐的操作过程，阻碍了它的进一步推广。通用有限元软件，如SuperSAP也可用于铁塔进行内力分析，但很难利用铁塔的特征进行建模。在铁塔的动态特性研究方面，传统的铁塔固有频率还是按某一经验公式计算，有很多专家学者投入到这方面的研究，而收效甚微，大部分是根据铁塔的动态特性将动态载荷等效成静态载荷来处理。工程应用中，通常将铁塔转化成空间桁架模型。空间桁架模型的杆件均视为拉压杆，内力计算时忽略了全部的弯矩传递，这样的处理与程实际有不小的差距，因而在角钢截面规格的选择上也偏大，应用实例也证明了这个结论。转化为空间桁架模型还会经常要碰到平面节点问题。平面节点，指的是铁塔在形成空间桁架计算模型的时候，模型中和某一节点相连的所有单元都处在同一个平面内，节点在这个平面内是有约束的，而当该平面处于空间位置时，节点在这个平面的法线方向上没有约束，增加了空间节点的自由度，这样的节点在工程中就称之为平面节点。有平面节点的模型在求解平衡方程的时候，必须要添加额外的约束来限制平面节点在平面法线方向上的自由度，否则方程没有唯一解。在处理平面节点问题时，工程中也有很多方法，最简单的方法就是完全约束平面节点在平面法线方向的自由度，但这样会带来较大的计算误差。所以处理节点问题就要选择合适的计算模型，尽可能减少误差给杆件内力带来的影响。工程应用中，铁塔的处理方法是视铁塔为空间刚架模型。刚架模型，不会出现几何可变的问题，但是节点刚度很难确定。一般采用刚节点模型进行处理，但是这样人为的加大了铁塔结构的整体刚度。由于需要确定梁截面的方向，集空间刚架模型在建模时，所有杆件的交点处均视为刚节点。空间节点数目增多，建立模型的过程中，数据输入量较大。这种处理方法与实际的模型有一定的差异，给杆件的内力计算带来一定的误差。所以处理节点问题就要选择合适的计算模型，应根据铁塔结构的实际工作状态来确定单元模型。通信铁塔结构中的主材（弦杆）因其刚度明显大于斜材（腹杆），而且在节点处保持连续，所以视为刚架模型中的梁单元。而斜材两端直接与主材相连，或有再分节点，端部约束和自身刚度比较小，内力和二阶应力都不大，因此在铁塔结构的简化计算中应考虑为杆单元。这样的处理方法，刚架结构中的梁单元就会限制节点的空间位移参数。即把铁塔视为空间中的由梁单元和杆单元组成的梁桁混合模型。形成计算模型的同时就要求所有的计算节点都在模型的梁单元上面，而由梁单元组成的刚架结构在空间是有约束的，因此本文采用这种方法就很容易的处理了平面节点问题。在对铁塔进行力学有限元分析时，关键是生成力学计算模型。考虑到铁塔本身的特点通常是由角钢组成，铁塔杆件主要受到轴向力的作用衔接处一般采用螺栓联接或焊接而成，故在一般的工程计算中都将铁塔视为空间析架模型来处理。而铁塔的主材具备梁的特点，除了能承受轴向力之外还可以承受剪切力、弯矩等并且在各角钢的联接处，因采用联接板联接每段角钢上也大多数用多个螺栓联接，这也增加了角钢的约束增强了其刚度但是如果将模型建立为空间刚架模型铁塔将会导致全刚化，刚度过强也不符合铁塔本身的特点。铁塔实际模型的前后处理采用图形处理方式。前处理图形输入主要采用模块化的输入方式，将常用的铁塔节间建成模板数据库。将铁塔的结构信息、计算信息模板化，这样在铁塔建模时只需改变单元的材料、型钢等属性就可以将有限元计算所需要的基本信息添加到模型中。得到铁塔的几个关键点（也可以称之为铁塔定位点）后，根据这些关键点建立铁塔模块组、划分模块、填充节间、完成模型等一系列前处理过程。建立铁塔的实际模型后，要将其转化成有限元计算模型才能进行有限元分析计算。本文有限元计算中选用的坐标系为前处理模型的坐标系，然后在铁塔实际模型中提取出符合条件的节点和单元构成有限元模型。提取节点和单元的过程如下所述。(1) 提取节点。实际模型中节点的类型有两种：计算节点和非计算节点。在建立有限元计算模型时，将计算节点提取出来，剔除掉非计算节点，构成计算模型的节点。(2）提取单元。实际模型的单元类型有四类：主材、横隔材、斜材和辅材，将主材、横隔材和斜材提取出来分别作为计算模型中的梁单元和杆单元。辅材因为不受作用力，在计算模型中不予考虑。(3）校核单元左右节点、定位点的编号。在提取节点的时候，为便于计算，将计算模型中的节点重新进行编号，因此与实际模型中节点编号已不相同，这样确定单元空间位置的左右节点号以及定位点号均已发生变化，为了与已经提取出来的计算模型的节点编号一致，必须要将这些节点的编号进行校核。铁塔的计算模型建立以后，组集总刚度矩阵，建立平衡方程并对其进行求解，得到模型节点位移，接着将计算模型的位移还原到原始模型上，求出各个单元的内力，再根据不同设计规范对其进强度、稳定性校核。5. 铁塔倾斜原因分析与铁塔健康状况评价根据上述提供的工程场地地质条件分析认为，淤泥层在腿附近缺失，也就是说地基软弱下卧层分布不均匀是铁塔倾斜的主要原因。应用FEM数值模拟技术判断大型建筑结构特别是高耸结构的健康状况近年在国内外发展迅速，是土木工程研究的重要创新，并在实际工程得到很好的应用。本文采用大型有限元软件Midas/civil建立输电线路铁塔计算模型4，分析塔基不均匀沉降对塔身的影响，在此基础上对铁塔健康状况作出合理的评价，这是倾斜铁塔能否进一步采取纠偏加固措施的基础。MIDAS/Civil是基于对预应力箱型桥、悬索桥、斜张桥、水化热分析等土木建筑的分析中所需要的各种功能进行综合考虑而开发的最先进的土木结构分析系统。在计算机技术方面，MIDAS/Civil所使用的是客体指向性计算机语言Visual C+，因此可以充分地使32bit视窗环境的优点和特点得到发挥。以用户为中心的输入输出功能使用的是精确而且直观的用户界面和尖端的电脑图形技术，从而为考虑施工阶段或者材料时间依存性的土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。在结构设计方面，MIDAS/Civil全面强化了实际工作中结构分析所需要的分析功能。通过在已有的有限元库中加入索单元、钩单元、间隙单元等非线性要素，结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，从而计算出更加准确的和切合实际的分析结果。建模技术采用的是自行开发的新概念CAD形式的建模技术，可以更加提高建模效率。特别是由于拥有如桥梁建模助手等高效自动化建模功能，所以只要输入截面形状、桥梁特点、预应力桥的钢束位置等基本数据，就可以自动建立桥梁模型以及施工阶段的各种数据。MIDAS/Civil的适用领域：所有形式的桥梁分析与设计，如：钢筋混凝土桥、钢桥、联合梁桥、预应力桥、悬索桥、斜张桥等；大体积混凝土的水化热分析：桥台、桥墩、防波堤、地铁、其它基础建筑等；地下建筑的分析：地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道等；发电站及工业设施结构设计：发电站、铁塔、压力容器、水塔等；其它国家基础建设结构设计：飞机场、大坝、港湾等。MIDAS/Civil主要是进行线性分析，同时也可以进行对只受拉单元、只受压单元、P-Delta、大变形的几何非线性分析。MIDAS/Civil的结构分析软件由基本的线性分析功能和非线性分析功能构成，也包括在实际分析中所必要的很多功能。因此用MIDAS/Civil对塔基不均匀沉降对塔身的影响进行分析是合理可行的。5.1铁塔载荷高压输电铁塔所承受的载荷大致可分为两部分：第一部分是铁塔自身产生的载荷，比如自重、风载等；第二部分是导线对铁塔的作用。导线对铁塔的载荷作为节点集中载荷添加到铁塔上，而由铁塔自身产生的载荷是软件自行完成。本文不讨论导线载荷的计算，下面给出软件中采用的铁塔自重和风载的计算方法。5.5.1自重计算目前铁塔规模越来越大，其自重也随着铁塔的规模增加。因此，在计算过程中铁塔自重的影响也必将受到关注。下面介绍铁塔自重的计算方法：首先计算出铁塔中每一根杆件的重力然后将杆件的重力平均分配到杆件单元的两个节点上并将非计算节点的载荷分配到计算节点上。5.5.2风载计算铁塔在实际运行过程中，风载是主要载荷之一。假设基准高度的风速为V（m/s）,由文献35可得基准风压标准值W0由下式确定： (5-1)当风向与铁塔塔面相垂直时，铁塔风荷载的标准值Ws为 (5-2)式中：Ws铁塔风荷载标准值（kN）；风压高度变化系数；从一构件的体型系数；一铁塔风荷级调整系数；构件受风压投影面积计算值（m2）。式（2-43）计算出的载荷是在风向与塔面相垂直时，当风向与塔面不相垂直时假设风向与塔面法线方向夹角为，那么铁塔正面所受到的载荷为： （5-3）铁塔侧面所受到的载荷为 （5-4） 求出铁塔每根杆件的风载，然后分配到铁塔的计算节点上，作为分布载荷作用在铁塔上，分配过程如图4所示。计算模型共划分1331个单元，分2种荷载工况：工况1为自重恒载，工况2为塔基不均匀沉降。图4风载分配流程图5.2 计算结果分析塔身水平位移计算结果见图5，塔身应力组合计算结果见图6。从图5可以看出，塔身水平位移最大值为104cm，与实际观测结果大致相符。从图6塔身应力组合计算结果可以看出，铁塔基础不均匀沉降引起的塔身应力在500MPa左右,基本上没有超过塔身材料强度。因此尽管塔基出现了不均匀沉降，但是输电线路铁塔的安全是有保证的，可以对倾斜铁塔采取相关纠偏加固措施。图5 电塔塔身水平位移图6 电塔塔身应力6. 加固纠偏指导思想和原则参照以往纠偏加固工程实践经验，针对输电线铁塔制定如下加固纠偏指导思想和原则。6.1指导思想纠偏全过程中应确保4塔腿底部始终在一个平面上；在不断电的条件下实施纠偏全过程，铁塔不用更换改建；原4个基础尽量不受破坏，但它们的受力条件要发生改变；纠偏以顶升调平为主。6.2基本设计原则首先必须设置一个刚度、强度都大的桩顶平面框架梁，与原基础连在一起（方法是在原基础上植筋）。然后在框架梁上设锚杆静压桩孔，依次压入250250 mm的方桩，使上部铁塔荷载向框架梁和静压桩上转移，实施静压桩加固托换；为达到使框架梁顶升调平的目的，各静压桩顶上要设置维持压入荷载的装置，进行顶升作业；原基础（指、三个下沉基础）底部在顶升中所形成的空隙需用水泥浆灌满；在纠偏完成后，上部铁塔和导线荷载全部由平面框架梁和锚杆静压桩群承担。加固纠偏方案简介根据上述加固纠偏指导思想和基本原则，制定如下加固纠偏方案，即静压桩托换加固和顶升法纠偏相结合的纠偏加固方案，方案框图见图7。开挖整体加固用平面框架梁的基坑在1.0 m深度范围内对4个基础侧面植筋绑扎平面框架梁钢筋并浇筑混凝土（预留锚杆孔）压入250250 mm 桩并维持桩顶荷载通过顶升使框架梁回复水平位置向4个原基础底面注浆（水泥浆）高强混凝土封桩头图7 加固纠偏方案框图7. 加固纠偏方案设计计算7.1加固设计计算电塔纠偏加固方案计算过程，主要考虑4部分荷载：1）原基础自重；2）新增顶升机构自重；3）电塔自重恒载和风载；4）顶升过程原基础上覆土可能产生的阻力。前3部分荷载按相关规范计算，这里主要讨论顶升过程原基础上覆土可能产生的阻力的计算。根据输电线路铁塔基础上拔试验研究成果2，上拔角约为1718，上拔阻力与上拔位移有关，为安全起见，采用土重法计算其极限阻力约为750。按照上述计算荷载，为满足电塔加固纠偏要求，共需设置20根锚杆静压桩托换，顶升机构设置见图8。由图5、图6铁塔基础不均匀沉降对塔身变形和应力分析结果可以看出，铁塔基础不均匀沉降引起的塔身应力在500MPa左右,基本上没有超过塔身材料强度。有限元分析表明，在纠偏过程中基础不均匀沉降逐渐得到消除，由于基础不均匀沉降引起的塔身次应力逐步减小，塔身将越来越安全，但是为以防万一纠偏过程对应力较大的塔身构件需进行必要的加固。图8顶升机构平面图7.2电塔纠偏过程数值模拟由于电塔属高耸结构，电塔的塔身材料的应力应变状况是纠偏过程应十分关注的。本文采用大型有限元软件Midas/civil建立输电线路铁塔计算模型，分析纠偏过程对塔身材料的影响，在此基础上对纠偏过程电塔健康状况作出合理的评价，这是倾斜电塔在纠偏过程中是否安全的基础。MIDAS/Civil是基于对预应力箱型桥、悬索桥、斜张桥、水化热分析等土木建筑的分析中所需要的各种功能进行综合考虑而开发的最先进的土木结构分析系统。在计算机技术方面，MIDAS/Civil所使用的是客体指向性计算机语言Visual C+，因此可以充分地使32bit视窗环境的优点和特点得到发挥。以用户为中心的输入输出功能使用的是精确而且直观的用户界面和尖端的电脑图形技术，从而为考虑施工阶段或者材料时间依存性的土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。在结构设计方面，MIDAS/Civil全面强化了实际工作中结构分析所需要的分析功能。通过在已有的有限元库中加入索单元、钩单元、间隙单元等非线性要素，结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，从而计算出更加准确的和切合实际的分析结果。建模技术采用的是自行开发的新概念CAD形式的建模技术，可以更加提高建模效率。特别是由于拥有如桥梁建模助手等高效自动化建模功能，所以只要输入截面形状、桥梁特点、预应力桥的钢束位置等基本数据，就可以自动建立桥梁模型以及施工阶段的各种数据。MIDAS/Civil的适用领域：所有形式的桥梁分析与设计，如：钢筋混凝土桥、钢桥、联合梁桥、预应力桥、悬索桥、斜张桥等；大体积混凝土的水化热分析：桥台、桥墩、防波堤、地铁、其它基础建筑等；地下建筑的分析：地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道等；发电站及工业设施结构设计：发电站、铁塔、压力容器、水塔等；其它国家基础建设结构设计：飞机场、大坝、港湾等。MIDAS/Civil主要是进行线性分析，同时也可以进行对只受拉单元、只受压单元、P-Delta、大变形的几何非线性分析。MIDAS/Civil的结构