中空基础在输电线路黄土地基中的应用与效能优化研究

中空基础在输电线路黄土地基中的应用与效能优化研究一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着经济的飞速发展和社会的不断进步，电力作为重要的能源支撑，其需求呈现出持续增长的态势。输电线路作为电力传输的关键基础设施，在保障能源供应中扮演着不可或缺的角色。近年来，我国输电线路建设规模不断扩大，特高压输电线路更是取得了显著进展，为实现电力资源的优化配置和跨区域输送发挥了重要作用。然而，我国地域辽阔，地质条件复杂多样，黄土地基在我国分布广泛，主要集中在西北黄土高原、黄河中游地区的甘肃、宁夏、陕西、河南等省，在河北、山东、内蒙、东北及青海、新疆等地也有零星分布。黄土地基具有独特的工程特性，如高含水量时呈现出高黏性和可塑性，孔隙率较高，强度较低，渗透性较差，且具有明显的湿陷性和地震液化特性等。这些特性给输电线路基础的设计与施工带来了诸多挑战。在湿陷性黄土地区，地基受水浸湿后，土结构迅速破坏，会产生显著附加下沉，导致地基沉降、倾斜，严重影响输电线路的安全和使用；在地震作用下，黄土的地震液化现象可能引发地基承载力降低，产生大变形和不均匀沉降，危及线路安全。传统的输电线路基础型式，如刚性台阶基础，因受力不合理，浪费材料，造价高，已逐渐被淘汰；插入式基础虽受力合理，但在黄土地基的特殊条件下，仍难以完全满足工程需求。在面对特高压杆塔荷载大幅增加的情况下，传统基础的直径及埋深需大幅度增大，这不仅削弱了其经济性，还对环境造成了较大影响，如大量基础材料的运输消耗资源，挖孔基础的弃土处理问题影响塔基周围环境等。为了应对这些挑战，满足输电线路工程在黄土地基上安全、经济、环保的建设需求，开展中空基础在输电线路黄土地基中的应用研究具有重要的现实意义和迫切性。通过对中空基础的研究，有望开发出一种新型的基础型式，使其能够更好地适应黄土地基的特性，提高基础的承载能力和稳定性，减少基础材料用量和对环境的影响，为输电线路工程的可持续发展提供技术支持。1.1.2研究意义经济意义：在输电线路工程建设中，基础工程成本占据着相当大的比例。传统基础型式在黄土地基中，为满足承载要求，往往需要增加基础尺寸和材料用量，导致成本大幅上升。中空基础通过优化结构设计，在不显著降低基础承载力的前提下，可有效减少混凝土等基础材料的使用量。这不仅直接降低了材料采购成本，还减少了因材料运输、加工等环节产生的费用。以特高压输电线路杆塔基础为例，采用中空基础后，基础混凝土使用量的减少，可使单个基础成本降低一定比例，对于大规模的输电线路建设工程而言，累计节省的成本相当可观。此外，中空基础施工过程中，由于材料用量减少，施工效率得以提高，施工周期相应缩短，进一步降低了工程建设的时间成本，提高了工程的经济效益。环保意义：随着人们环保意识的不断提高，对输电线路工程建设中的环境保护要求也日益严格。黄土地基地区生态环境相对脆弱，传统基础施工过程中产生的大量弃土，若处理不当，会对周边土壤、植被等生态环境造成破坏，引发水土流失等问题。中空基础在设计上考虑了弃土的回填利用，可将施工过程中产生的弃土填充到基础的中空部分，有效减少了弃土量，降低了对环境的负面影响。同时，减少基础材料的使用量，也意味着减少了原材料开采对环境的破坏，以及生产过程中能源消耗和污染物排放，符合可持续发展的理念，有利于实现输电线路工程与生态环境的和谐共生。技术意义：目前，针对黄土地基的输电线路基础研究虽取得了一定成果，但仍存在诸多技术难题有待解决。中空基础作为一种新型基础型式，其在黄土地基中的应用研究，有助于拓展输电线路基础的技术领域。通过深入研究中空基础在黄土地基中的承载机理、变形特性以及与黄土相互作用的关系等，能够丰富和完善黄土地基基础工程理论体系，为后续类似工程提供坚实的理论依据。在实际应用中，中空基础的成功应用将为输电线路工程在复杂地质条件下的基础选型提供更多选择，推动基础设计和施工技术的创新与发展，提高我国输电线路工程建设的技术水平，增强在国际工程领域的竞争力。1.2国内外研究现状在输电线路工程领域，黄土地基处理以及新型基础型式的研究一直是热点和难点。国内外学者和工程技术人员针对黄土地基的特性和输电线路基础的要求，开展了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果。国外方面，在黄土地基研究领域，美国、日本等国家开展相关研究较早。美国在黄土地区的基础设施建设中，对黄土的工程特性进行了深入研究，如对黄土的压缩性、渗透性、湿陷性等特性开展大量试验研究，建立了较为完善的理论体系和经验公式，用于评估黄土场地的稳定性和地基承载力。日本在应对黄土地区的地震液化问题上，研发出多种地基处理技术，如强夯法、振冲法等，并通过大量实际工程案例不断优化这些技术，有效提高了黄土地基在地震作用下的稳定性。在输电线路基础研究方面，国外针对不同地质条件研发出多种基础型式。在软土地基中，研发了桩筏基础、桩箱基础等，这些基础通过合理设计桩长、桩径和桩间距，以及筏板或箱型结构的尺寸和配筋，提高了基础的承载能力和抗沉降能力。在岩石地基中，采用了岩石锚杆基础、岩石嵌固基础等，利用岩石的高强度和稳定性，将杆塔荷载直接传递到岩石中，减少了基础材料的用量和施工难度。对于黄土地基，虽然国外没有像我国这样大规模的输电线路建设，但也有相关研究和应用。例如，采用灰土挤密桩、土桩等方法处理黄土地基，通过挤密桩间土，提高地基的密实度和承载力，减少地基的湿陷性。国内对于黄土地基处理和输电线路基础的研究也取得了丰硕成果。在黄土地基处理技术方面，我国针对湿陷性黄土，发展出垫层法、强夯法、灰土挤密桩法、预浸水法等多种处理方法。垫层法是通过换填灰土、砂石等材料，改善地基的受力状态，减小地基的湿陷性；强夯法利用重锤从高处自由落下产生的冲击力，夯实地基，提高地基的强度和密实度；灰土挤密桩法是在地基中打入灰土桩，通过桩土相互作用，提高地基的承载力和稳定性；预浸水法通过对地基进行预先浸水，使黄土的湿陷性在施工前充分发挥，从而减少后续建筑物的沉降。这些方法在不同的工程场景中得到了广泛应用，并根据实际工程经验不断优化和改进。在输电线路基础方面，我国学者和工程技术人员针对不同地质条件和杆塔荷载要求，研发出多种基础型式。除了前文提到的刚性台阶基础、插入式基础和钻孔灌注桩基础外，还发展了掏挖基础、岩石锚杆基础、装配式基础等新型基础。掏挖基础充分利用原状土的承载能力，减少了基础材料的用量和对环境的破坏；岩石锚杆基础适用于岩石地基，通过锚杆将杆塔荷载传递到岩石中，具有施工简便、成本低等优点；装配式基础采用预制构件，现场组装，提高了施工效率，减少了施工周期。针对特高压输电线路杆塔荷载大幅增加的情况，我国开展了中空基础等新型基础的研究和应用。中空基础通过在基础内部设置空腔，减少了混凝土的用量，同时将施工过程中产生的弃土填充到空腔内，减少了弃土量，具有良好的经济效益和环保效益。然而，目前对于中空基础在黄土地基中的应用研究仍存在一些不足。一方面，中空基础在黄土地基中的承载机理和变形特性尚未完全明确，现有的研究多基于数值模拟和有限的现场试验，缺乏系统深入的理论分析和大规模的现场试验验证。另一方面，中空基础的设计方法和施工工艺还不够成熟，如何合理确定中空基础的几何尺寸、配筋率以及施工过程中的质量控制等问题，还需要进一步的研究和探索。此外，针对不同类型黄土（如湿陷性黄土、非湿陷性黄土等）的特性，如何优化中空基础的设计和施工，以提高其适应性和可靠性，也是亟待解决的问题。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容中空基础设计理论研究：深入分析黄土地基的物理力学性质，包括黄土的颗粒组成、孔隙结构、含水量、抗剪强度、压缩性等指标，以及这些性质在不同工况下（如干湿循环、地震作用等）的变化规律。建立考虑黄土地基特性的中空基础力学模型，研究中空基础在竖向荷载、水平荷载和上拔荷载作用下的承载机理，分析基础与黄土之间的相互作用机制，如土体对基础的侧摩阻力、端阻力的发挥规律，以及中空结构对荷载传递和分布的影响。基于理论分析和力学模型，推导中空基础的设计计算公式，确定基础的几何尺寸（如直径、埋深、壁厚、空腔尺寸等）、配筋率等设计参数的计算方法，并提出相应的设计准则和规范建议。中空基础性能研究：通过数值模拟软件，如ANSYS、FLAC3D等，建立中空基础与黄土地基相互作用的三维数值模型，模拟不同工况下基础的受力和变形情况，分析基础的承载能力、沉降特性、稳定性等性能指标。研究不同因素（如黄土性质、基础几何尺寸、荷载大小和方向等）对中空基础性能的影响规律，通过参数化分析，优化基础设计参数，提高基础的性能。开展现场试验，在典型黄土地质条件下，选取合适的塔位，进行中空基础的现场浇筑和安装，并在基础上施加不同类型和大小的荷载，通过埋设的传感器（如压力传感器、位移计、应变片等），实时监测基础的受力和变形情况。对现场试验数据进行分析和处理，验证数值模拟结果的准确性，进一步完善中空基础的性能研究。中空基础施工工艺研究：根据中空基础的结构特点和黄土地基的施工条件，研究适用于中空基础的施工方法和工艺流程，包括基础的开挖、模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、空腔形成和弃土回填等环节。分析施工过程中可能出现的问题（如黄土的坍塌、混凝土的浇筑质量、弃土的压实度等），提出相应的解决措施和质量控制方法，确保施工过程的顺利进行和基础的施工质量。研究施工过程中的环境保护措施，减少施工对黄土地基和周边环境的影响，如合理处理施工废弃物、控制施工扬尘和噪声、保护周边植被等。中空基础工程应用研究：结合实际输电线路工程，对中空基础的应用进行案例分析，包括基础的选型、设计、施工和运行维护等方面。总结中空基础在实际工程应用中的经验和教训，评估其经济效益和环保效益，与传统基础型式进行对比分析，验证中空基础的优势和可行性。提出中空基础在输电线路工程中的推广应用建议，包括适用的地质条件、杆塔类型、工程规模等，为工程技术人员提供参考依据，促进中空基础在输电线路工程中的广泛应用。1.3.2研究方法文献研究法：广泛收集国内外关于输电线路基础、黄土地基处理、中空结构应用等方面的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、工程标准和规范等。对这些文献进行系统的梳理和分析，了解前人在相关领域的研究成果和现状，掌握研究的前沿动态和发展趋势，为本研究提供理论基础和研究思路。通过文献研究，总结现有研究的不足和有待进一步解决的问题，明确本研究的重点和方向，避免重复研究，提高研究的针对性和创新性。数值模拟法：运用专业的数值模拟软件，建立中空基础与黄土地基相互作用的数值模型。在模型中，合理设置黄土的物理力学参数、基础的材料属性和几何尺寸，以及荷载条件和边界条件。通过数值模拟，可以直观地观察到基础在不同工况下的受力和变形情况，获取基础内部的应力应变分布、地基土体的位移和塑性区发展等信息。通过改变模型中的参数，进行参数化分析，研究不同因素对中空基础性能的影响规律，为基础的优化设计提供数据支持。数值模拟法具有成本低、效率高、可重复性强等优点，可以弥补现场试验的局限性，对一些难以通过试验直接获取的数据进行模拟分析。现场试验法：在实际的输电线路工程现场，选择具有代表性的黄土地质条件的塔位，进行中空基础的现场试验。在试验过程中，严格按照设计要求和施工规范进行基础的施工，确保基础的质量和施工工艺的可靠性。在基础中埋设各种传感器，如压力传感器、位移计、应变片等，实时监测基础在加载过程中的受力和变形情况。通过现场试验，可以获取真实的工程数据，验证数值模拟结果的准确性和可靠性，同时也可以发现实际工程中存在的问题，为施工工艺的改进和完善提供依据。现场试验法是检验研究成果的重要手段，能够为中空基础的工程应用提供直接的实践经验。理论分析法：基于土力学、结构力学、材料力学等相关学科的基本理论，对中空基础在黄土地基中的承载机理、受力特性和变形规律进行深入的理论分析。建立合理的力学模型，推导基础的设计计算公式，确定基础的关键设计参数。通过理论分析，揭示中空基础与黄土地基相互作用的内在机制，为数值模拟和现场试验提供理论指导，使研究结果具有坚实的理论基础。理论分析法是研究的核心方法之一，能够从本质上理解和解决问题，为工程设计和应用提供科学的理论依据。二、黄土地基特性及输电线路基础要求2.1黄土地基特性分析2.1.1黄土的物理性质黄土作为一种特殊的土状堆积物，具有独特的物理性质，这些性质对其工程特性产生重要影响。黄土的颗粒组成主要以粉土粒级为主，含量通常在50%以上。其中，粒径在0.05-0.01mm的粗粉土颗粒占比较大，约为40-60%，小于0.005mm的粘土颗粒含量相对较少，一般在14-28%之间，大于0.1mm的细砂颗粒占比则在5%以内，基本不存在大于0.25mm的中砂颗粒。从地域分布来看，我国湿陷性黄土的颗粒从西北向东南呈现逐渐变细的规律。黄土的孔隙率较大，一般在40%-50%之间，这使得黄土具有疏松、多孔隙的特点。其中，肉眼可见的大孔隙多为铅直圆孔，被称为大孔隙，其比例对黄土湿陷性大小有重要影响，大孔隙越多，黄土湿陷程度往往越大。黄土的天然含水量较低，我国湿陷性黄土地区大部分年平均降雨量在250-500mm，而蒸发量远超过降雨量，使得黄土的天然湿度一般在塑限含水量左右或更低。在竖向剖面上，黄土的孔隙比一般随深度增加而减小，含水量则随深度增加而增加，这种变化规律在部分地区表现得较为明显。黄土的容重、比重取决于其矿物成分、结构和含水量。一般来说，黄土的容重相对较小，比重则与所含矿物成分密切相关。黄土的液塑性受到颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性等因素的影响，界限含水量（液限、塑限）和塑性指数是衡量其液塑性的重要指标。通过对甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土的试验测定，该黄土的液限为26.70%，塑限为17.65%，塑性指数为9.05。2.1.2黄土的化学性质黄土的化学成分主要包括SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃、MgO、K₂O、Na₂O、FeO、TiO₂和MnO等。其中，SiO₂含量占比最大，约为50%左右，Al₂O₃含量在8-15%之间，CaO含量约为10%左右，Fe₂O₃含量为4-5%，MgO含量在2-3%之间，K₂O含量约为2%。这些化学成分的存在及其相互作用，对黄土的工程性质产生重要影响。黄土中还含有多种矿物，包括碎屑矿物、粘土矿物及自生矿物。碎屑矿物主要有石英、长石和云母，占碎屑矿物总量的80%，其次还含有辉石、角闪石、绿帘石、绿泥石、磁铁矿等。粘土矿物主要为伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、含水赤铁矿等。黄土中的碳酸盐矿物含量较多，主要是方解石，这些矿物在黄土结构中起到一定的胶结作用。在天然状态下，由于胶结物的凝聚结晶作用，黄土颗粒被牢固粘结，使黄土具有较高的强度。然而，遇水时，水对各种胶结物的软化作用会导致土的强度突然下降，进而产生湿陷现象。此外，黄土中还含有一定量的水溶盐，包括易溶盐、中溶盐和难溶盐。易溶盐如氧化物、硫酸镁和碳酸钠等，极易溶于水或与水发生作用，其含量直接影响黄土的湿陷性。中溶盐以石膏为主，其存在状态决定了与水的作用情况。水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，对黄土的工程性质有着直接影响。黄土的酸碱度一般呈弱碱性，pH值通常在7.5-8.5之间。这种酸碱度特性会影响黄土中化学反应的进行，进而对黄土的工程性质产生一定的影响。在黄土地区进行工程建设时，需要充分考虑黄土的化学性质，采取相应的工程措施，以确保工程的安全和稳定。2.1.3黄土的湿陷性黄土的湿陷性是指在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的特性。这种特性使得黄土在遇水浸湿后，土结构迅速破坏，产生较大的附加下沉，强度迅速降低。例如，在湿陷性黄土地区，当建筑物地基受水浸湿时，可能会导致基础下沉、墙体开裂等问题，严重影响建筑物的安全和正常使用。根据湿陷性的不同，黄土可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。自重湿陷性黄土在自重压力作用下，受水浸湿后会发生湿陷；而非自重湿陷性黄土在自重压力作用下受水浸湿不发生湿陷，只有在自重压力和附加压力共同作用下才会发生湿陷。通过室内压缩试验和现场浸水试验等方法，可以确定黄土的湿陷性类型和湿陷程度。黄土湿陷性的影响因素众多。从物理因素来看，黄土的孔隙率越大，越容易发生湿陷。黄土的颗粒组成也对湿陷性有影响，粗粉粒和砂粒在黄土结构中起骨架作用，细粉粒和粘粒作为填充材料和胶结物。当黄土遇水时，水对胶结物的软化作用会破坏黄土的结构，导致湿陷发生。黄土的结晶状态也会影响其湿陷性，不同的结晶状态下，黄土的孔隙度和渗透性会发生变化，进而影响湿陷性。化学因素方面，黄土的氧化还原能力强时，容易吸水膨胀，降低其稳定性，从而引起湿陷现象。黄土中含有的有机质和吸附剂也对湿陷性有影响。例如，有机质的分解会导致黄土结构的破坏，增加湿陷的可能性。地下水也是影响黄土湿陷性的重要因素。当地下水位较高时，黄土的稳定性会降低，容易发生湿陷现象。在黄土地区进行工程建设时，需要对地下水进行充分的控制，以减少湿陷的风险。此外，周围环境的变化，如地震活动等，也可能影响黄土的湿陷性。地震活动可能会破坏黄土的微观结构，使其更容易发生湿陷。2.2输电线路对黄土地基基础的要求2.2.1承载能力要求输电线路杆塔基础作为支撑杆塔和输电线路的关键结构，必须具备足够的承载能力，以确保在各种工况下能够安全稳定地运行。杆塔所承受的荷载主要包括竖向荷载、水平荷载和上拔荷载。竖向荷载主要来源于杆塔自身的重力、导线和避雷线的重力以及覆冰、积雪等附加重力；水平荷载则由风力、地震力、不均匀沉降等因素产生；上拔荷载主要是由于导线和避雷线的张力以及杆塔在风荷载作用下产生的上拔力。在黄土地基中，由于黄土的特殊物理力学性质，如孔隙率大、强度较低等，对基础的承载能力提出了更高的要求。基础的承载能力必须大于杆塔所承受的各种荷载之和，以保证基础不会发生破坏或过大的沉降。根据土力学原理，基础的承载能力与地基土的性质、基础的尺寸和形状、基础的埋深等因素密切相关。在黄土地基中，应通过合理设计基础的尺寸和形状，增加基础的埋深，提高地基土的密实度等措施，来提高基础的承载能力。例如，采用扩大基础底面面积、增加基础埋深、采用桩基础等方法，可以有效提高基础的承载能力。在设计输电线路杆塔基础时，需要根据具体的工程地质条件和荷载情况，通过理论计算和现场试验等方法，准确确定基础的承载能力。同时，还应考虑到黄土的湿陷性、地震液化等特性对基础承载能力的影响，采取相应的措施进行处理。例如，对于湿陷性黄土地区的基础，应采取地基处理措施，如垫层法、强夯法、灰土挤密桩法等，消除或减小黄土的湿陷性，提高地基的承载能力。2.2.2稳定性要求输电线路基础在黄土地基中的稳定性是确保线路安全运行的重要保障。基础的稳定性主要包括抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性。抗倾覆稳定性是指基础在各种荷载作用下，抵抗绕某一倾覆点发生倾覆的能力；抗滑移稳定性是指基础在水平荷载作用下，抵抗沿基础底面与地基土之间的接触面发生滑动的能力。在黄土地基中，由于黄土的抗剪强度较低，基础的稳定性容易受到影响。为了保证基础的稳定性，需要采取一系列措施。首先，应合理设计基础的尺寸和形状，增加基础的自重和抗倾覆力矩。例如，采用大体积的基础、增加基础的埋深、设置基础的抗倾覆构造等，可以有效提高基础的抗倾覆稳定性。其次，应提高地基土的抗剪强度，增强基础与地基土之间的摩擦力。例如，通过地基处理措施，如压实、加固等，提高黄土的密实度和抗剪强度，增加基础底面与地基土之间的摩擦力，从而提高基础的抗滑移稳定性。在实际工程中，还应考虑到各种不利因素对基础稳定性的影响，如地震、洪水、滑坡等自然灾害，以及施工过程中的不当操作等。对于可能发生地震的地区，应进行地震作用下的基础稳定性分析，采取相应的抗震措施，如增加基础的抗震构造、提高基础的抗震强度等，确保基础在地震作用下的稳定性。对于位于山坡或河岸等易发生滑坡的地区，应进行滑坡稳定性分析，采取相应的抗滑措施，如设置抗滑挡土墙、加固山坡土体等，防止滑坡对基础的破坏。2.2.3耐久性要求输电线路基础在黄土环境下需要具备良好的耐久性，以保证在长期使用过程中能够保持其结构性能和承载能力。黄土环境具有其特殊性，如酸碱度呈弱碱性、含有一定量的水溶盐等，这些因素会对基础材料产生腐蚀作用，影响基础的耐久性。基础材料的选择是保证耐久性的关键。在黄土地区，应选用耐腐蚀性能好的基础材料，如采用抗硫酸盐水泥、添加防腐剂的混凝土等。混凝土是输电线路基础常用的材料，其耐久性与水泥品种、骨料质量、水灰比等因素密切相关。采用抗硫酸盐水泥可以提高混凝土抵抗硫酸盐侵蚀的能力，添加防腐剂可以抑制混凝土中钢筋的锈蚀，从而提高基础的耐久性。此外，还应合理控制混凝土的水灰比，保证混凝土的密实度，减少有害介质的侵入。基础的防护措施也对耐久性起着重要作用。在基础表面设置防护涂层，如环氧树脂涂层、聚氨酯涂层等，可以有效地隔离基础与黄土环境的接触，防止有害介质对基础的侵蚀。对于地下水位较高的地区，应采取有效的防水措施，如设置防水层、采用防水混凝土等，防止地下水对基础的浸泡和侵蚀。同时，还应定期对基础进行检查和维护，及时发现和处理基础出现的问题，如裂缝、腐蚀等，确保基础的耐久性。在设计输电线路基础时，应根据黄土环境的特点和基础的使用年限，合理确定基础的耐久性要求，并采取相应的设计和施工措施。通过选择合适的基础材料、采取有效的防护措施以及加强检查和维护等手段，提高基础在黄土环境下的耐久性，确保输电线路的长期安全运行。三、中空基础的设计原理与力学特性3.1中空基础的结构设计3.1.1中空基础的构造形式中空基础作为一种新型的输电线路基础型式，其构造形式与传统基础有所不同。中空基础主要由基础主柱、基础宽底部以及内部的空腔组成。基础主柱通常为圆柱形结构，它连接着上部的输电塔钢桁架，是传递杆塔荷载的主要部件。基础主柱又可分为基础露头和基础埋深段，基础露头位于地面以上，用于与输电塔钢桁架进行连接，其高度一般根据工程实际需求确定，通常在0.5-2.5m之间；基础埋深段则埋入地下，承担着将荷载传递到地基土中的重要作用。基础宽底部位于基础主柱下方，其形状为上小下大的圆台和位于圆台底部的底部圆柱体。圆台顶部直径与基础主柱底部直径相等，圆台底部直径与底部圆柱体端面直径相等，这种设计形式能够有效增大基础与地基土的接触面积，提高基础的承载能力。圆台和底部圆柱体内均设有与主柱空腔相连通的底部空腔，这些空腔相互连通，形成了中空结构。在施工过程中，将施工产生的弃土填充到主柱空腔和底部空腔内，不仅减少了弃土量，降低了对环境的影响，还能在一定程度上增加基础的稳定性。基础主柱和底部圆柱体内均配置有钢筋，以增强基础的承载能力和抗弯性能。主柱主筋和圆柱主筋沿周向均布，纵向设置，每根对应的主柱主筋和圆柱主筋通过均布于圆台内的圆台主筋相连，形成了一个完整的钢筋骨架。在主筋外侧，分别设有多根沿周向环形布置的外箍筋，用于约束主筋，防止主筋在受力时发生位移；在主筋内侧，还设有多根沿周向环形布置的架立箍筋，以保证钢筋骨架的整体性和稳定性。图1展示了中空基础的结构示意图，从中可以清晰地看到基础主柱、基础宽底部、主柱空腔、底部空腔以及钢筋的布置情况。这种构造形式使得中空基础在保证承载能力的前提下，有效减少了混凝土的使用量，具有良好的经济效益和环保效益。[此处插入中空基础的结构示意图]3.1.2关键参数设计直径设计：中空基础的直径是影响其承载能力和稳定性的重要参数之一。基础直径的设计需要综合考虑输电线路杆塔所承受的荷载大小、黄土地基的承载能力以及基础的埋深等因素。一般来说，随着杆塔荷载的增大，基础直径也需要相应增大，以确保基础能够承受杆塔传递的荷载。在黄土地基中，由于黄土的承载能力相对较低，为了满足承载要求，中空基础的直径通常比在其他地基条件下要大一些。根据相关工程经验和研究成果，对于输电线路中空基础，其基础主柱的直径一般在1.5-2.5m之间。在确定具体直径时，可通过理论计算和数值模拟等方法进行分析。例如，采用土力学中的地基承载力理论，结合黄土地基的物理力学参数，计算出基础在不同直径下的承载能力，然后根据杆塔的设计荷载，选择满足承载要求且经济合理的基础直径。同时，还需要考虑基础施工的可行性和便利性，确保基础直径在施工过程中能够顺利实现。壁厚设计：中空基础的壁厚直接影响着基础的强度和耐久性。壁厚过大，会增加基础的材料用量和成本；壁厚过小，则可能导致基础的强度不足，影响基础的正常使用。因此，合理设计中空基础的壁厚至关重要。主柱空腔和底部空腔的侧壁厚度一般在0.4-0.6m之间。在设计壁厚时，需要考虑基础所承受的荷载、混凝土的强度等级以及钢筋的配置情况等因素。通过结构力学分析，计算出基础在不同壁厚下的应力分布和变形情况，确保壁厚能够满足基础的强度和变形要求。例如，在承受较大荷载的部位，适当增加壁厚，以提高基础的承载能力；在荷载较小的部位，可适当减小壁厚，以节约材料成本。同时，还需要考虑混凝土的浇筑工艺和施工质量，确保壁厚的均匀性和稳定性。埋深设计：基础埋深是影响中空基础承载能力和稳定性的关键因素之一。合理的埋深能够使基础更好地利用地基土的承载能力，提高基础的抗倾覆和抗滑移能力。在黄土地基中，由于黄土的特殊性质，基础埋深的设计尤为重要。中空基础的埋深一般根据杆塔的高度、荷载大小、黄土地基的性质以及地下水位等因素确定。一般情况下，基础埋深越大，基础的稳定性越好，但同时也会增加施工难度和成本。根据相关规范和工程经验，中空基础的埋深一般在10.0-20.0m之间。在确定埋深时，需要进行详细的地质勘察，了解黄土地基的分层情况、土层的物理力学性质以及地下水位的变化情况等。通过地基沉降计算和稳定性分析，确定满足基础承载能力和稳定性要求的最小埋深。同时，还需要考虑基础施工过程中的土方开挖、支护以及地下水处理等问题，确保基础埋深的可行性和安全性。例如，在地下水位较高的地区，需要采取有效的降水措施，确保基础施工在无水条件下进行；在黄土湿陷性较强的地区，需要对地基进行处理，如采用灰土挤密桩、强夯法等方法，消除或减小黄土的湿陷性，然后再确定合适的基础埋深。3.2中空基础的力学特性分析3.2.1承载机理中空基础在黄土地基中的承载机理较为复杂，涉及基础与黄土之间的相互作用以及中空结构对荷载传递的影响。当输电线路杆塔将荷载传递至中空基础时，基础首先通过其与黄土接触的侧面和底面将荷载传递给周围的黄土地基。在竖向荷载作用下，基础主柱和宽底部与黄土之间产生摩擦力和端阻力。基础主柱外侧的黄土受到竖向压力作用，产生向上的侧摩阻力，抵抗基础的沉降。基础宽底部的底面则承受黄土提供的端阻力，进一步支撑基础的竖向荷载。中空结构的存在使得基础内部形成一个相对独立的空间，在一定程度上改变了荷载的传递路径。当基础承受荷载时，部分荷载会通过基础侧壁传递到黄土中，而中空部分的弃土也会对基础的承载起到一定的辅助作用。弃土在空腔内与基础壁相互作用，增加了基础的整体稳定性，同时也分担了部分荷载，使得基础能够更好地承受杆塔传来的竖向力。在水平荷载作用下，中空基础主要依靠基础与黄土之间的摩擦力以及基础的抗侧刚度来抵抗水平力。基础主柱和宽底部与黄土紧密接触，当受到水平力时，黄土对基础产生水平方向的摩擦力，阻止基础的水平位移。基础自身的结构刚度也起到重要作用，通过合理设计基础的尺寸和配筋，提高基础的抗弯和抗剪能力，从而有效地抵抗水平荷载。中空结构在水平荷载作用下，能够调整基础内部的应力分布，减少基础局部的应力集中，提高基础的整体抗水平荷载能力。在上拔荷载作用下，中空基础的承载主要依赖于基础与黄土之间的锚固力以及黄土的抗拔阻力。基础埋入黄土中，周围的黄土对基础形成锚固作用，阻止基础被拔出。黄土的抗拔阻力与黄土的物理力学性质、基础的埋深和尺寸等因素密切相关。中空结构的存在可以增加基础与黄土的接触面积，提高锚固力和抗拔阻力。弃土填充在空腔内，与黄土相互咬合，进一步增强了基础的抗拔能力。3.2.2内力分布规律中空基础在荷载作用下的内力分布规律对于基础的设计和分析具有重要意义。通过理论分析、数值模拟和现场试验等方法，可以深入研究中空基础的内力分布情况。在竖向荷载作用下，基础主柱和宽底部的内力分布呈现一定的规律。基础主柱的轴力自上而下逐渐增大，在基础底部达到最大值。这是因为随着深度的增加，上部结构传来的荷载不断累加，基础需要承担更大的竖向力。主柱的弯矩分布则较为复杂，在基础顶部和底部弯矩相对较大，而在中间部分弯矩较小。这是由于基础顶部受到杆塔荷载的偏心作用，产生较大的弯矩；基础底部则受到地基反力的不均匀分布影响，也会产生较大的弯矩。宽底部的轴力和弯矩分布与主柱类似，但由于其尺寸和形状的变化，内力分布更为复杂。宽底部的轴力在底部圆柱体部分相对较大，而弯矩则在圆台与底部圆柱体的连接处较大。在水平荷载作用下，基础主柱和宽底部主要承受弯矩和剪力。主柱的弯矩沿高度方向呈线性变化，在基础顶部弯矩最大，随着深度的增加逐渐减小。这是因为水平荷载主要作用在基础顶部，随着深度的增加，水平力逐渐被黄土的摩擦力和基础的抗侧刚度所抵抗。主柱的剪力分布则相对较为均匀，在整个高度范围内变化不大。宽底部的弯矩和剪力分布也与主柱类似，但由于其与主柱的连接方式和尺寸变化，内力分布存在一定的差异。宽底部的弯矩在与主柱连接处较大，而剪力则在底部圆柱体部分相对较大。在上拔荷载作用下，基础主柱和宽底部主要承受拉力和弯矩。主柱的拉力自上而下逐渐增大，在基础底部达到最大值。这是因为上拔荷载作用下，基础底部受到的拉力最大，需要抵抗基础被拔出的趋势。主柱的弯矩分布则与竖向荷载和水平荷载作用下有所不同，在基础顶部和底部弯矩相对较小，而在中间部分弯矩较大。这是由于上拔荷载作用下，基础的变形模式与其他荷载作用下不同，导致弯矩分布发生变化。宽底部的拉力和弯矩分布与主柱类似，但由于其与主柱的连接方式和尺寸变化，内力分布也存在一定的差异。宽底部的拉力在底部圆柱体部分相对较大，而弯矩则在圆台与底部圆柱体的连接处较大。3.2.3稳定性分析中空基础在黄土地基中的稳定性是保证输电线路安全运行的关键因素之一。主要包括抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性两个方面。抗倾覆稳定性是指基础在各种荷载作用下，抵抗绕某一倾覆点发生倾覆的能力。对于中空基础，其抗倾覆稳定性主要取决于基础的自重、基础与黄土之间的摩擦力以及基础的埋深等因素。基础的自重越大，抗倾覆力矩就越大，基础就越稳定。中空基础通过合理设计基础的尺寸和形状，增加基础的自重，提高抗倾覆能力。基础与黄土之间的摩擦力也起到重要作用，摩擦力越大，基础抵抗倾覆的能力就越强。通过提高黄土的密实度和抗剪强度，以及增加基础与黄土的接触面积，可以增强基础与黄土之间的摩擦力。基础的埋深也是影响抗倾覆稳定性的重要因素，埋深越大，基础的抗倾覆能力就越强。在设计中空基础时，需要根据杆塔的荷载大小和地质条件，合理确定基础的埋深，确保基础具有足够的抗倾覆稳定性。抗滑移稳定性是指基础在水平荷载作用下，抵抗沿基础底面与地基土之间的接触面发生滑动的能力。中空基础的抗滑移稳定性主要取决于基础底面与黄土之间的摩擦力以及基础的抗剪强度。基础底面与黄土之间的摩擦力与黄土的抗剪强度、基础底面的粗糙度以及基础所受的竖向荷载等因素有关。通过提高黄土的抗剪强度，增加基础底面的粗糙度，以及合理调整基础所受的竖向荷载，可以增强基础底面与黄土之间的摩擦力，提高抗滑移稳定性。基础的抗剪强度也对抗滑移稳定性起到重要作用，通过合理设计基础的配筋和混凝土强度等级，提高基础的抗剪能力，确保基础在水平荷载作用下不发生滑移。在实际工程中，还需要考虑各种不利因素对中空基础稳定性的影响，如地震、洪水、滑坡等自然灾害，以及施工过程中的不当操作等。对于可能发生地震的地区，应进行地震作用下的基础稳定性分析，采取相应的抗震措施，如增加基础的抗震构造、提高基础的抗震强度等，确保基础在地震作用下的稳定性。对于位于山坡或河岸等易发生滑坡的地区，应进行滑坡稳定性分析，采取相应的抗滑措施，如设置抗滑挡土墙、加固山坡土体等，防止滑坡对基础的破坏。四、中空基础在黄土地基中的承载性能研究4.1数值模拟分析4.1.1建立数值模型为深入探究中空基础在黄土地基中的承载性能，利用专业有限元软件ANSYS建立中空基础与黄土地基相互作用的数值模型。在建模过程中，需全面且准确地考虑各种因素，以确保模型能够真实反映实际工程情况。对于几何模型的构建，依据中空基础的设计图纸，精确绘制基础主柱、基础宽底部以及内部空腔的三维几何形状。基础主柱设计为圆柱形结构，直径根据实际工程需求设定为1.8m，基础露头高度取1.0m，基础埋深段长度为12.0m。基础宽底部由上小下大的圆台和底部圆柱体组成，圆台顶部直径与基础主柱底部直径相等，圆台底部直径为3.0m，底部圆柱体端面直径也为3.0m，高度为1.0m。主柱空腔和底部空腔相互连通，主柱空腔直径为1.0m，底部空腔直径为1.5m，侧壁厚度均设置为0.4m。黄土地基模型采用长方体形状，尺寸为长×宽×高=15m×15m×15m，确保基础周围有足够的土体以模拟实际受力情况。在材料参数设定方面，充分考虑黄土和基础材料的特性。黄土选用Drucker-Prager本构模型，该模型能较好地描述黄土在复杂应力状态下的力学行为。根据现场勘察和室内土工试验结果，黄土的弹性模量设定为30MPa，泊松比为0.3，密度为1.85t/m³，黏聚力为15kPa，内摩擦角为25°。基础混凝土采用Solid65单元进行模拟，弹性模量为30GPa，泊松比为0.2，密度为2.5t/m³。钢筋采用Link8单元模拟，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7.85t/m³。边界条件的设置对于模型的准确性至关重要。在模型底部，约束所有方向的位移，模拟地基土的固定状态；在模型侧面，约束水平方向位移，仅允许垂直方向的位移，以反映实际工程中地基土的受力边界情况。在基础与黄土地基的接触面上，定义为绑定接触，确保两者之间能够协同变形，真实模拟基础与地基土之间的相互作用。荷载施加根据输电线路杆塔实际受力情况进行。在基础顶部施加竖向荷载，模拟杆塔自重和导线、避雷线等的重力，竖向荷载大小根据杆塔设计荷载确定为5000kN。同时，在基础顶部施加水平荷载，模拟风力和地震力等水平作用，水平荷载大小根据当地的风荷载标准值和地震设防烈度确定为500kN。上拔荷载模拟导线和避雷线的张力以及杆塔在风荷载作用下产生的上拔力，大小设定为3000kN。通过以上步骤，建立了一个完整且精确的中空基础与黄土地基相互作用的数值模型，为后续的模拟分析提供了可靠的基础。在建模过程中，充分参考了相关的工程标准和规范，如《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）等，确保模型的科学性和合理性。4.1.2模拟结果分析利用建立好的数值模型，对不同工况下中空基础的承载性能进行模拟分析，包括竖向荷载、水平荷载和上拔荷载单独作用以及多种荷载组合作用的情况。通过模拟，得到了基础的应力分布、位移变化以及塑性区开展等重要信息，为深入了解中空基础在黄土地基中的承载性能提供了数据支持。在竖向荷载作用下，基础主柱和宽底部的应力分布呈现出明显的规律。主柱的轴力自上而下逐渐增大，在基础底部达到最大值，这是由于上部结构传来的荷载不断累加所致。主柱的弯矩分布则较为复杂，在基础顶部和底部弯矩相对较大，而在中间部分弯矩较小。基础顶部受到杆塔荷载的偏心作用，产生较大的弯矩；基础底部则受到地基反力的不均匀分布影响，导致弯矩增大。宽底部的轴力和弯矩分布与主柱类似，但由于其尺寸和形状的变化，内力分布更为复杂。从位移变化来看，基础顶部的竖向位移最大，随着深度的增加，位移逐渐减小。基础底部的竖向位移相对较小，这表明基础底部能够有效地将荷载传递到地基土中，地基土对基础的支撑作用显著。通过模拟还发现，在竖向荷载作用下，基础周围的黄土会产生一定的压缩变形，形成一个压缩区域。随着荷载的增加，压缩区域逐渐扩大，当荷载达到一定程度时，黄土可能会出现局部屈服现象，导致基础的沉降增加。在水平荷载作用下，基础主要承受弯矩和剪力。主柱的弯矩沿高度方向呈线性变化，在基础顶部弯矩最大，随着深度的增加逐渐减小。这是因为水平荷载主要作用在基础顶部，随着深度的增加，水平力逐渐被黄土的摩擦力和基础的抗侧刚度所抵抗。主柱的剪力分布则相对较为均匀，在整个高度范围内变化不大。宽底部的弯矩和剪力分布也与主柱类似，但由于其与主柱的连接方式和尺寸变化，内力分布存在一定的差异。从位移变化来看，基础顶部的水平位移最大，随着深度的增加，水平位移逐渐减小。基础底部的水平位移相对较小，这表明基础底部能够有效地抵抗水平荷载，保证基础的稳定性。在水平荷载作用下，基础周围的黄土会产生水平方向的剪切变形，形成一个剪切区域。当水平荷载较大时，剪切区域可能会出现塑性变形，导致基础的水平位移增大，甚至可能发生基础的倾斜。在上拔荷载作用下，基础主要承受拉力和弯矩。主柱的拉力自上而下逐渐增大，在基础底部达到最大值。这是因为上拔荷载作用下，基础底部受到的拉力最大，需要抵抗基础被拔出的趋势。主柱的弯矩分布则与竖向荷载和水平荷载作用下有所不同，在基础顶部和底部弯矩相对较小，而在中间部分弯矩较大。这是由于上拔荷载作用下，基础的变形模式与其他荷载作用下不同，导致弯矩分布发生变化。宽底部的拉力和弯矩分布与主柱类似，但由于其与主柱的连接方式和尺寸变化，内力分布也存在一定的差异。从位移变化来看，基础顶部的上拔位移最大，随着深度的增加，上拔位移逐渐减小。基础底部的上拔位移相对较小，这表明基础底部能够有效地抵抗上拔荷载，保证基础的稳定性。在上拔荷载作用下，基础周围的黄土会产生向上的拉伸变形，形成一个拉伸区域。当拉伸区域的变形超过黄土的抗拉强度时，黄土可能会出现开裂现象，导致基础的抗拔能力降低。通过对不同工况下中空基础承载性能模拟结果的分析，可以得出以下结论：中空基础在黄土地基中具有较好的承载性能，能够有效地承受竖向荷载、水平荷载和上拔荷载的作用。在设计中空基础时，应充分考虑各种荷载的组合作用，合理确定基础的尺寸和配筋，以确保基础的安全性和稳定性。同时，还应关注基础周围黄土的变形情况，采取相应的地基处理措施，如加固、改良等，提高黄土的力学性能，减少基础的变形和沉降。4.2现场原位试验研究4.2.1试验方案设计现场原位试验旨在通过在实际工程场地中对中空基础进行加载测试，获取其在真实黄土地基条件下的承载性能数据，以验证数值模拟结果的准确性，深入探究中空基础在黄土地基中的承载特性。试验内容主要包括竖向抗压试验、水平抗滑试验和上拔抗拔试验。竖向抗压试验用于测定中空基础在竖向荷载作用下的承载能力和沉降变形特性；水平抗滑试验用于研究基础在水平荷载作用下的抗滑能力和水平位移变化规律；上拔抗拔试验则用于评估基础在上拔荷载作用下的抗拔能力和上拔位移情况。试验方法采用慢速维持荷载法，按照相关标准和规范进行加载操作。在竖向抗压试验中，逐级施加竖向荷载，每级荷载施加后，观测基础的沉降变化，待沉降稳定后再施加下一级荷载，直至达到预定的加载终点。水平抗滑试验中，通过在基础顶部施加水平推力，观测基础的水平位移和抗滑力变化。上拔抗拔试验则通过在基础顶部施加向上的拉力，记录基础的上拔位移和抗拔力。测点布置方面，在基础主柱和宽底部的不同高度和位置布置多个测点。在基础主柱的顶部、中部和底部布置压力传感器，用于测量基础所承受的竖向压力；在基础主柱的侧面布置位移计，用于监测基础在水平荷载和竖向荷载作用下的水平位移和竖向沉降。在宽底部的顶部和底部布置压力传感器，测量宽底部所承受的压力；在宽底部的侧面布置位移计，监测宽底部的位移变化。此外，在基础周围的黄土地基中布置土压力盒和孔隙水压力计，用于测量地基土的压力和孔隙水压力变化。试验场地选择在具有典型黄土地质条件的区域，该区域黄土的物理力学性质经过详细勘察和测试，符合试验要求。试验前，对场地进行平整和处理，确保基础施工和试验操作的顺利进行。在试验过程中，严格按照试验方案和操作规程进行操作，确保试验数据的准确性和可靠性。4.2.2试验过程与数据采集在试验场地完成平整和处理后，开始进行中空基础的施工。首先，根据设计要求进行基础的定位放线，确定基础的位置和尺寸。然后，采用机械开挖的方式进行基坑开挖，在开挖过程中，严格控制开挖深度和垂直度，避免对周围土体造成过大的扰动。基坑开挖完成后，对基底进行夯实和平整处理，确保基底的承载力满足要求。接着进行钢筋绑扎和模板安装工作。按照设计图纸的要求，在基坑内绑扎基础主柱和宽底部的钢筋，确保钢筋的数量、间距和锚固长度符合规范要求。钢筋绑扎完成后，安装基础的模板，模板采用钢模板，具有足够的强度和刚度，能够保证混凝土浇筑过程中模板的稳定性。模板安装完成后，进行全面的检查和验收，确保模板的密封性和垂直度。混凝土浇筑是施工过程中的关键环节。采用商品混凝土，通过混凝土输送泵将混凝土输送到基坑内。在浇筑过程中，采用分层浇筑和振捣的方法，确保混凝土的密实度和均匀性。每层混凝土浇筑厚度控制在30-50cm，振捣采用插入式振捣器，振捣时间根据混凝土的坍落度和浇筑厚度确定，一般为10-30s，以混凝土表面不再出现气泡和泛浆为准。混凝土浇筑完成后，及时进行养护，养护时间不少于7天，确保混凝土的强度正常增长。待混凝土达到设计强度后，进行试验加载。竖向抗压试验加载采用千斤顶，通过反力架将竖向荷载施加到基础顶部。水平抗滑试验加载采用水平千斤顶，在基础顶部一侧施加水平推力。上拔抗拔试验加载采用穿心式千斤顶，通过钢绞线将上拔力施加到基础顶部。加载过程中，按照试验方案的要求逐级加载，每级荷载施加后，持续观测一定时间，记录基础的变形和受力数据。数据采集采用自动化数据采集系统，该系统由传感器、数据采集仪和计算机组成。压力传感器、位移计、土压力盒和孔隙水压力计等传感器将测量到的物理量转换为电信号，通过数据线传输到数据采集仪。数据采集仪对电信号进行采集、放大和模数转换，将转换后的数字信号传输到计算机中。计算机通过专门的数据采集软件对数据进行实时监测、存储和分析，绘制出基础的荷载-位移曲线、应力-应变曲线等，直观地展示基础的受力和变形特性。在数据采集过程中，定期对传感器和数据采集仪进行校准和检查，确保数据的准确性和可靠性。同时，安排专人对试验过程进行记录，包括加载时间、荷载大小、变形情况等，以便后续对试验数据进行核对和分析。4.2.3试验结果分析通过对现场原位试验数据的详细分析，得到了中空基础在竖向荷载、水平荷载和上拔荷载作用下的承载性能数据。在竖向抗压试验中，随着竖向荷载的逐渐增加，基础的沉降量也逐渐增大。当荷载较小时，基础的沉降主要表现为弹性变形，沉降量与荷载呈线性关系。随着荷载的进一步增加，基础周围的黄土开始出现塑性变形，沉降量的增长速度逐渐加快。当荷载达到一定程度时，基础的沉降量急剧增大，表明基础已经达到极限承载能力。通过对试验数据的分析，得到了中空基础的竖向极限承载力和沉降变形曲线，为基础的设计和评估提供了重要依据。在水平抗滑试验中，随着水平荷载的增加，基础的水平位移逐渐增大。在水平荷载较小时，基础主要依靠与黄土之间的摩擦力抵抗水平力，水平位移较小。当水平荷载超过一定值后，基础周围的黄土开始出现滑动，水平位移迅速增大。通过试验数据的分析，得到了中空基础的水平极限抗滑力和水平位移曲线，了解了基础在水平荷载作用下的抗滑性能和变形特性。在上拔抗拔试验中，随着上拔荷载的增加，基础的上拔位移逐渐增大。当荷载较小时，基础主要依靠与黄土之间的锚固力抵抗上拔力，上拔位移较小。当荷载超过一定值后，基础周围的黄土开始出现松动，上拔位移迅速增大。通过对试验数据的分析，得到了中空基础的上拔极限抗拔力和上拔位移曲线，为评估基础在上拔荷载作用下的稳定性提供了数据支持。将试验结果与数值模拟结果进行对比分析，发现两者在趋势上基本一致，但在具体数值上存在一定的差异。数值模拟结果在一定程度上能够预测中空基础的承载性能，但由于实际工程中存在诸多不确定性因素，如黄土的不均匀性、施工质量的差异等，导致试验结果与数值模拟结果存在一定偏差。通过对比分析，进一步验证了数值模拟模型的合理性和有效性，同时也指出了数值模拟存在的不足之处，为后续的研究和改进提供了方向。总体而言，现场原位试验结果表明，中空基础在黄土地基中具有较好的承载性能，能够满足输电线路杆塔的承载要求。通过对试验结果的分析，深入了解了中空基础在黄土地基中的承载机理和变形特性，为中空基础在输电线路工程中的推广应用提供了有力的技术支持。五、中空基础在输电线路黄土地基中的施工工艺5.1施工工艺流程中空基础在输电线路黄土地基中的施工工艺流程涵盖多个关键环节，每个环节都紧密相连，对基础的质量和性能有着重要影响。施工工艺流程如下：施工准备→测量放线→基坑开挖→基础钢筋绑扎→模板安装→混凝土浇筑→空腔形成→弃土回填→养护与检测。施工准备阶段，需全面收集工程相关资料，包括工程地质勘察报告、设计图纸等，详细了解黄土地基的特性和施工要求。依据工程规模和施工条件，合理调配施工人员和机械设备，确保施工队伍具备丰富经验和专业技能，机械设备性能良好、数量充足。例如，配备经验丰富的测量人员、钢筋工、混凝土工等，以及挖掘机、装载机、起重机、混凝土搅拌机等机械设备。同时，准备好施工所需的材料，如钢筋、水泥、砂石料、模板等，并确保材料质量符合设计和规范要求。对材料进行严格的检验和试验，如钢筋的拉伸试验、水泥的安定性试验等，杜绝不合格材料进入施工现场。测量放线环节，借助全站仪、水准仪等高精度测量仪器，依据设计图纸精确确定基础的平面位置和高程。在测量过程中，遵循相关测量规范和标准，确保测量精度满足工程要求。例如，平面位置误差控制在±50mm以内，高程误差控制在±30mm以内。设置明显的测量控制点，并加以妥善保护，防止在施工过程中受到破坏。测量控制点应具有足够的稳定性和可靠性，可采用混凝土桩或钢桩等。基坑开挖时，根据黄土地基的特点和基础设计要求，合理选择开挖方法。对于浅基坑，可采用机械开挖结合人工修整的方式；对于深基坑，为确保施工安全和基坑壁的稳定性，需采用分层分段开挖，并及时进行支护。例如，采用钢板桩、灌注桩等支护方式。在开挖过程中，密切关注基坑壁的稳定性，如发现有坍塌迹象，应立即停止开挖，采取相应的加固措施。同时，严格控制开挖深度和尺寸，避免超挖或欠挖，确保基坑底面平整，符合设计要求。开挖深度误差控制在±100mm以内，底面平整度误差控制在±50mm以内。基础钢筋绑扎需严格按照设计图纸进行操作。在钢筋加工过程中，确保钢筋的规格、形状、尺寸符合设计要求。例如，钢筋的直径、长度、弯钩角度等应与设计一致。钢筋连接可采用焊接、机械连接或绑扎连接等方式，连接方式应符合相关规范要求。焊接接头应饱满、无虚焊，机械连接接头应牢固、无松动。在绑扎过程中，保证钢筋的间距、位置准确，钢筋骨架具有足够的强度和稳定性。钢筋间距误差控制在±20mm以内，钢筋位置误差控制在±10mm以内。设置足够的保护层垫块，确保钢筋保护层厚度符合设计要求，一般为50-70mm。模板安装应选用质量可靠、强度足够的模板材料，如钢模板或竹胶板。在安装过程中，确保模板的平整度、垂直度和密封性满足要求。模板表面应平整光滑，无明显凹凸不平，平整度误差控制在±5mm以内；模板垂直度误差控制在±3mm以内；模板拼接严密，无漏浆现象。模板支撑应牢固可靠，能够承受混凝土浇筑过程中的侧压力和其他荷载。支撑系统可采用钢管脚手架或木支撑等，确保支撑间距合理，支撑结构稳定。混凝土浇筑前，对混凝土原材料进行严格检验，确保水泥、砂石料、外加剂等质量合格。根据设计要求和施工条件，准确确定混凝土的配合比，保证混凝土的强度、和易性等性能满足工程要求。混凝土浇筑应连续进行，避免出现冷缝。采用分层浇筑的方式，每层浇筑厚度控制在300-500mm，振捣密实，防止出现漏振和过振现象。振捣时间一般为20-30s，以混凝土表面不再出现气泡、泛浆为准。在浇筑过程中，密切关注模板和钢筋的情况，如有变形、移位等问题，应及时进行处理。空腔形成可采用预制内模或现场支模的方法。预制内模应在工厂提前制作，确保尺寸准确、强度足够。在安装预制内模时，采取可靠的固定措施，防止在混凝土浇筑过程中发生位移。现场支模则需根据空腔的形状和尺寸，选用合适的模板材料进行支设，确保模板的密封性和稳定性。弃土回填应在混凝土浇筑完成且达到一定强度后进行。对弃土进行筛选和处理，去除其中的杂质和大块石，保证弃土的质量符合要求。采用分层回填、分层压实的方法，确保弃土的压实度达到设计要求。每层回填厚度控制在200-300mm，压实度不低于90%。在回填过程中，注意保护基础结构和周围的土体，避免对其造成破坏。养护与检测阶段，混凝土浇筑完成后，及时进行养护，养护时间不少于7天。可采用洒水养护或覆盖养护等方式，保持混凝土表面湿润，确保混凝土强度正常增长。在养护期间，严禁在基础上施加过大的荷载。定期对基础进行检测，包括外观检查、尺寸复核、强度检测等。外观检查主要查看基础表面是否有裂缝、蜂窝、麻面等缺陷；尺寸复核检查基础的各项尺寸是否符合设计要求；强度检测可采用回弹法、钻芯法等方法，检测混凝土的实际强度是否达到设计强度等级。对检测中发现的问题，及时进行分析和处理，确保基础质量符合要求。5.2施工关键技术5.2.1成孔技术在黄土地基中进行中空基础成孔，需综合考虑黄土特性、基础设计要求及施工条件，选择适宜的成孔方法，以确保成孔质量与效率，为后续施工奠定坚实基础。旋挖钻机成孔：旋挖钻机成孔技术凭借其高效、环保等优势，在黄土地基成孔施工中应用广泛。其工作原理是利用钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块并向斗内推进，完成钻取土作业。遇硬土时，可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中。钻斗装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关打开底门，土依靠自重自动排出。该技术具有地层适应能力强的特点，能适用于砂土、粘性土、粉质土及黄土地层施工。在黄土地基中，其成孔效率较高，例如，对于40m深的桩孔，在一般地质条件下约80-160斗即可完成，最高小时进尺可达15m。同时，旋挖钻机环保特点突出，施工现场干净，泥浆仅用于护壁，不用于排碴，成孔所用泥浆基本等于或小于孔的体积，且泥浆经沉淀和除砂后可多次反复使用。施工时，需严格控制桩位偏差和垂直度。桩位偏差应控制在±50mm以内，可通过全站仪等高精度测量仪器进行定位，并在成孔过程中定期复核。垂直度偏差控制在1%以内，可通过钻机自身的垂直度控制系统进行实时监测和调整。若发现垂直度偏差超出允许范围，应立即停止钻进，分析原因并采取相应措施进行纠正，如调整钻机位置、检查钻杆是否弯曲等。在钻进过程中，要密切关注钻杆的垂直度，及时调整钻进参数，确保成孔质量。人工挖孔：人工挖孔适用于地层为一般性黄土、孔深在30m以内，且地下水不丰富的情况。其优势在于装备简单，对场地、电源等要求较低，成本相对较低。在黄土地层中，人工挖孔能充分利用黄土的自立自稳特性，降低成孔难度。然而，该方法安全性和可靠性较差，对于孔深30m以上的深桩、地质地层中有饱和黄土层、地下水丰富或地层岩石层较坚硬的情况，挖掘难度较大。施工过程中，必须采取有效的安全措施。孔壁支护至关重要，可采用混凝土护壁、钢护筒护壁等方式。混凝土护壁应根据孔深和地质条件合理确定护壁厚度和混凝土强度等级，一般护壁厚度为100-200mm，混凝土强度等级不低于C20。每挖掘1-2m，应及时浇筑混凝土护壁，确保孔壁的稳定性。同时，要设置通风系统，确保孔内空气流通，防止有害气体积聚。通风量应根据孔深和作业人数合理确定，一般每分钟通风量不小于30m³。此外，还应设置照明系统，保证孔内有足够的光线。照明灯具应采用防爆型，电压不超过36V。在提升土料时，应使用专用的提升设备，并确保提升设备的安全可靠。提升设备的承载能力应根据土料的重量和提升高度合理选择，定期对提升设备进行检查和维护，防止发生坠落事故。5.2.2钢筋笼制作与安装钢筋笼的制作与安装质量直接关系到中空基础的承载能力和稳定性，必须严格按照设计要求和施工规范进行操作，确保钢筋笼的各项性能指标符合工程要求。钢筋笼制作：钢筋笼应在钢筋加工场集中制作，以保证制作质量和效率。钢筋原材料进场时，必须具备质量证明文件，并按规定进行抽样检验，检验内容包括钢筋的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等。只有检验合格的钢筋方可用于钢筋笼制作，严禁使用不合格钢筋。钢筋加工过程中，应严格控制钢筋的尺寸和形状。主筋的长度误差应控制在±10mm以内，可通过精确的下料设备和测量工具进行控制。钢筋的弯曲角度应符合设计要求，偏差控制在±5°以内，可使用钢筋弯曲机进行弯曲，并在弯曲过程中进行实时测量和调整。钢筋的连接方式可采用焊接、机械连接或绑扎连接。焊接接头应符合《钢筋焊接及验收规程》（JGJ18-2012）的要求，焊缝应饱满、无虚焊、夹渣等缺陷。机械连接接头应符合《钢筋机械连接技术规程》（JGJ107-2016）的规定，连接套筒的质量应合格，连接牢固。绑扎连接时，钢筋的搭接长度和绑扎间距应符合设计和规范要求。钢筋笼的加强箍筋和螺旋箍筋应按设计要求设置，加强箍筋的间距一般为2000mm，螺旋箍筋的间距一般为200-300mm。加强箍筋和螺旋箍筋与主筋的连接应牢固，可采用点焊或绑扎的方式。点焊时，焊点应均匀分布，焊接强度应满足要求；绑扎时，绑扎丝应拧紧，不得松动。钢筋笼制作完成后，应进行质量检验，检查内容包括钢筋的规格、数量、间距、连接质量、钢筋笼的外形尺寸等。检验合格的钢筋笼应做好标识，分类存放，防止混淆和变形。钢筋笼运输与安装：钢筋笼运输过程中，应采取有效的固定措施，防止钢筋笼发生变形和移位。可采用专用的运输架或在运输车辆上设置固定装置，将钢筋笼牢固固定。对于较长的钢筋笼，可采用分段运输的方式，在现场进行拼接。钢筋笼安装时，应使用起重机将钢筋笼吊放入孔。在吊装过程中，应保持钢筋笼的垂直，避免碰撞孔壁。钢筋笼下放速度应适中，不宜过快或过慢，一般控制在0.5-1.0m/min。当下放困难时，应查明原因，不得强行下放。可能的原因包括孔壁坍塌、钢筋笼变形、钢筋笼与孔壁之间的间隙过小等。针对不同原因，应采取相应的解决措施，如清理孔壁、修复钢筋笼、调整钢筋笼位置等。钢筋笼下放至设计标高后，应及时进行固定。可采用在孔口设置定位钢筋或支撑装置的方式，将钢筋笼固定在正确位置。定位钢筋或支撑装置应具有足够的强度和稳定性，能够承受钢筋笼的重量和施工过程中的各种荷载。同时，应检查钢筋笼的垂直度和位置偏差，确保其符合设计和规范要求。钢筋笼的垂直度偏差应控制在1%以内，位置偏差应控制在±50mm以内。若发现偏差超出允许范围，应及时进行调整。5.2.3混凝土浇筑混凝土浇筑是中空基础施工的关键环节，直接影响基础的强度和耐久性，必须严格控制混凝土的配合比、浇筑工艺和质量，确保混凝土浇筑质量满足设计要求。施工方法：混凝土浇筑前，应做好充分的准备工作。检查模板的密封性和稳定性，确保模板无漏浆现象，支撑牢固可靠。可通过在模板拼接处粘贴密封胶带、检查支撑系统的连接部位等方式进行检查。清理孔底的杂物和积水，保证孔底干净整洁。可采用高压水枪冲洗、抽水设备排水等方法进行清理。混凝土应采用商品混凝土，以保证混凝土的质量和性能稳定。在搅拌站生产过程中，应严格控制原材料的计量和搅拌时间。原材料的计量误差应控制在允许范围内，水泥、外加剂等的计量误差不超过±1%，砂石料的计量误差不超过±2%。搅拌时间应根据混凝土的配合比和搅拌机的性能合理确定，一般不少于90s。确保混凝土的和易性和坍落度符合设计要求。混凝土浇筑应连续进行，避免出现冷缝。采用分层浇筑的方式，每层浇筑厚度控制在300-500mm，以保证混凝土的振捣效果。振捣采用插入式振捣器，振捣点应均匀布置，间距不宜大于振捣器作用半径的1.5倍。振捣时间以混凝土表面不再出现气泡、泛浆为准，一般为20-30s。在振捣过程中，应避免振捣器触碰模板和钢筋笼，防止其发生变形和移位。质量控制措施：在混凝土浇筑过程中，应设专人对混凝土的坍落度、和易性等进行实时监测。坍落度应符合设计要求，偏差控制在±20mm以内。如发现混凝土的坍落度不符合要求，应及时调整配合比或采取相应的措施进行处理，如添加外加剂、调整用水量等。按规定留置混凝土试块，用于检验混凝土的强度。试块的留置数量应符合相关标准和规范的要求，一般每100m³混凝土留置一组标准养护试块，每500m³混凝土留置一组同条件养护试块。试块应在浇筑地点随机抽取，制作完成后应及时进行养护，养护条件应符合要求。标准养护试块应在温度为20±2℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护；同条件养护试块应在与结构构件同条件养护的环境中养护。浇筑完成后，应及时对混凝土进行养护。养护时间不少于7天，可采用洒水养护或覆盖养护等方式。洒水养护时，应保持混凝土表面湿润，每天洒水次数应根据气温和混凝土表面的干燥程度确定，一般不少于3次。覆盖养护时，可采用塑料薄膜、土工布等材料覆盖混凝土表面，防止水分蒸发。在养护期间，严禁在基础上施加过大的荷载，以免影响混凝土的强度增长。定期对混凝土的强度进行检测，可采用回弹法、钻芯法等方法。回弹法可快速检测混凝土的表面强度，但准确性相对较低；钻芯法可直接获取混凝土的芯样，检测结果较为准确。根据检测结果，判断混凝土的强度是否达到设计要求。若发现混凝土强度不足，应及时分析原因，并采取相应的措施进行处理，如进行补强加固等。5.3施工质量控制与验收5.3.1质量控制要点在中空基础施工过程中，严格把控各个环节的质量控制要点，是确保基础质量和工程安全的关键。原材料质量控制：钢筋作为基础的重要受力部件，其质量直接影响基础的承载能力。每批钢筋进场时，必须附带完整的质量证明文件，包括产品合格证、检验报告等。按照相关标准和规范，对钢筋的各项性能指标进行抽样检验，检验项目涵盖屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能等。只有检验结果全部符合要求的钢筋，才可用于工程施工，坚决杜绝不合格钢筋进入施工现场。例如，根据《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2017）和《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2018）的规定，对钢筋的性能指标进行严格检测。水泥是混凝土的主要胶凝材料，其质量对混凝土的强度和耐久性起着决定性作用。选择质量稳定、信誉良好的水泥生产厂家，确保水泥的品种、强度等级符合设计要求。每批水泥进场后，及时进行检验，检验内容包括水泥的安定性、凝结时间、强度等。同时，注意水泥的储存条件，避免水泥受潮结块，影响其性能。例如，按照《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的要求，对水泥进行严格检验和储存管理。砂石料作为混凝土的骨料，其质量也不容忽视。对砂石料的颗粒级配、含泥量、泥块含量、针片状颗粒含量等指标进行严格检测。确保砂石料的颗粒级配合理，含泥量和泥块含量符合规范要求，以保证混凝土的和易性和强度。例如，根据《建设用砂》（GB/T14684-2011）和《建设用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）的规定，对砂石料的质量进行检测和控制。成孔质量控制：桩位偏差直接影响基础的受力性能和稳定性，必须严格控制在允许范围内。采用全站仪等高精度测量仪器进行桩位定位，在施工过程中定期对桩位进行复核。桩位偏差应控制在±50mm以内，确保基础的位置准确无误。例如，在测量定位过程中，遵循《工程测量规范》（GB50026-2020）的要求，提高测量精度，减少误差。垂直度偏差对基础的承载能力和稳定性也有重要影响。在成孔过程中，使用钻机自身的垂直度控制系统或其他辅助设备，实时监测和调整钻杆的垂直度。垂直度偏差应控制在1%以内，避免因垂直度偏差过大导致基础受力不均。例如，通过定期检查和校准垂直度控制系统，确保其准确性和可靠性。孔深是影响基础承载能力的关键因素之一，必须达到设计要求。在成孔过程中，使用测绳等工具准确测量孔深，确保孔深满足设计要求。孔深偏差应控制在±100mm以内，防止出现孔深不足或超深的情况。例如，在测量孔深时，应多次测量取平均值，提高测量结果的准确性。孔径的大小直接关系到基础的承载面积和承载能力。使用孔径检测仪等设备，定期检测孔径，确保孔径符合设计要求。孔径偏差应控制在±50mm以内，保证基础的承载能力。例如，在检测孔径时，应按照相关标准和规范进行操作，确保检测结果的可靠性。钢筋笼制作与安装质量控制：钢筋笼制作时，严格按照设计图纸和规范要求进行钢筋的加工和连接。钢筋的下料长度应准确，偏差控制在±10mm以内。钢筋的弯曲角度应符合设计要求，偏差控制在±5°以内。钢筋的连接方式可采用焊接、机械连接或绑扎连接，连接质量应符合相关标准和规范的要求。例如，焊接接头应饱满、无虚焊、夹渣等缺陷；机械连接接头应牢固、无松动；绑扎连接时，钢筋的搭接长度和绑扎间距应符合设计和规范要求。钢筋笼安装时，使用起重机将钢筋笼吊放入孔，保持钢筋笼的垂直，避免碰撞孔壁。钢筋笼下放速度应适中，一般控制在0.5-1.0m/min。当下放困难时，应查明原因，不得强行下放。钢筋笼下放至设计标高后，及时进行固定，确保钢筋笼的位置准确。例如，在钢筋笼下放过程中，可采用在孔口设置定位钢筋或支撑装置的方式，将钢筋笼固定在正确位置。混凝土浇筑质量控制：混凝土的配合比应根据设计要求和施工条件，通过试验确定，确保混凝土的强度、和易性等性能满足工程要求。在搅拌站生产过程中，严格控制原材料的计量和搅拌时间。原材料的计量误差应控制在允许范围内，水泥、外加剂等的计量误差不超过±1%，砂石料的计量误差不超过±2%。搅拌时间应根据混凝土的配合比和搅拌机的性能合理确定，一般不少于90s。例如，在确定混凝土配合比时，应考虑黄土地基的特点和施工环境的影响，进行多组试验，选择最优配合比。混凝土浇筑应连续进行，避免出现冷缝。采用分层浇筑的方式，每层浇筑厚度控制在300-500mm，以保证混凝土的振捣效果。振捣采用插入式振捣器，振捣点应均匀布置，间距不宜大于振捣器作用半径的1.5倍。振捣时间以混凝土表面不再出现气泡、泛浆为准，一般为20-30s。在振捣过程中，应避免振捣器触碰模板和钢筋笼，防止其发生变形和移位。例如，在混凝土浇筑过程中，应设专人对混凝土的坍落度、和易性等进行实时监测，及时调整浇筑工艺。5.3.2验收标准与方法中空基础施工完成后，需依据相关标准和规范进行严格验收，以确保基础质量符合设计要求和工程安全标准。外观质量验收：基础表面应平整，无明显的蜂窝、麻面、孔洞等缺陷。蜂窝是指混凝土表面缺少水泥砂浆而形成的石子外露现象，麻面是指混凝土表面出现的小凹坑，孔洞是指混凝土内部存在的较大空隙。通过肉眼观察和用靠尺、塞尺等工具进行检查，若发现蜂窝、麻面面积超过5%，孔洞深度超过10mm，应及时进行修补。修补方法可采用水泥砂浆填补、混凝土浇筑等，确保基础表面质量符合要求。基础的尺寸应符合设计要求，包括基础的直径、埋深、壁厚等。使用全站仪、水准仪、钢尺等测量工具，对基础的各项尺寸进行测量。基础直径偏差应控制在±50mm以内，埋深偏差应控制在±100mm以内，壁厚偏差应控制在±20mm以内。若尺寸偏差超出允许范围，应分析原因，采取相应的措施进行处理，如对基础进行加固、调整等。基础的钢筋保护层厚度应符