Cái mỏ neo và vực thẳm: Phân tích kỹ thuật về phương pháp thi công nền móng cho tháp đường dây truyền tải trên không

Hiệu quả và khả năng phục hồi của hệ thống truyền tải điện trên cao—chính là huyết mạch của một xã hội công nghiệp hiện đại—về cơ bản không được khẳng định dựa trên những lưới thép cao chót vót nhìn thấy được từ đường chân trời, cũng như những dây dẫn căng thẳng vạch đường đi của chúng xuyên qua cảnh quan, nhưng trên cái không nhìn thấy được, kết nối được thiết kế được rèn giữa tòa tháp và trái đất. Nền tảng của một tháp đường dây truyền tải được cho là yếu tố cấu trúc quan trọng nhất, được giao nhiệm vụ dịch số lượng lớn, tổ hợp, và thường là các tải trọng động bên ngoài do gió tạo ra, Nước đá, Động mạch căng thẳng, và hoạt động địa chấn thành sự phân bố ứng suất có thể quản lý được trong lớp đất hoặc đá gốc nâng đỡ. Đây là lĩnh vực mà việc xây dựng không thể tách rời khỏi khoa học địa kỹ thuật và việc lựa chọn loại hình nền móng thích hợp không phải là vấn đề được ưu tiên mà là phản ứng dứt khoát đối với đặc điểm địa chất độc đáo của khu vực.. Thất bại ở cấp độ nền tảng, thường xảy ra không phải do sụp đổ cấu trúc mà do đất bị rão dần dần hoặc bị nâng lên một cách thảm khốc, có thể gây ra lỗi xếp tầng trên toàn bộ hành lang truyền tải, chứng minh sự cần thiết của việc phân tích kỹ thuật nghiêm ngặt và thực hiện hoàn hảo trong mọi giai đoạn thi công nền móng.

1. Yêu cầu về địa kỹ thuật: Rủi ro tải trọng và dưới bề mặt duy nhất

Quá trình thiết kế cho bất kỳ nền móng đường dây trên không nào cũng phải bắt đầu bằng sự hiểu biết sâu sắc về đặc tính vectơ tải trọng., một mặt cắt khác biệt đáng kể so với mặt cắt gặp trong các kết cấu dân dụng tĩnh như các tòa nhà. Không giống như một tòa nhà chọc trời, chủ yếu chịu tải trọng nén dọc, một tháp truyền nền tảng bị chi phối bởi lực lượng nâng đỡ (kéo nền móng ra khỏi mặt đất), bao la cắt bên, và lật đổ tải thời điểm gây ra bởi gió tác động lên kết cấu tháp và sự bồi tụ băng trên dây dẫn. Những thoáng qua này, lực bất đối xứng đòi hỏi một giải pháp nền móng được tối ưu hóa không chỉ về khả năng chịu lực mà còn về khả năng chống lại sự dịch chuyển và xoay của nó., sức kháng có nguồn gốc gần như hoàn toàn từ sức kháng cắt huy động và khối lượng của đất xung quanh.

Thiết kế nền tảng, Vì vậy, gắn liền không thể thay đổi với kết quả của một nghiên cứu toàn diện điều tra địa kỹ thuật. Kỹ sư phải định lượng chính xác các điều kiện dưới bề mặt, cái mà, trên địa hình rộng lớn và không đồng nhất được đi qua bởi các hành lang truyền tải điển hình, có thể thay đổi rất nhiều trong phạm vi vài trăm mét. Các kỹ thuật như Kiểm tra thâm nhập tiêu chuẩn (SPT) và Kiểm tra thâm nhập hình nón (CPT) cung cấp các thông số quan trọng—mật độ tương đối, sức mạnh cắt ($\phi$, $c$), khả năng nén, và độ sâu của mực nước ngầm—tất cả đều là thông số đầu vào chính của mô hình lựa chọn nền móng. Sự hiện diện của mềm, đất sét có độ dẻo cao, cát rời dễ bị hóa lỏng dưới tải trọng địa chấn, hoặc hung hăng, bảng nước ngầm có tính axit về cơ bản quyết định độ sâu nền móng cần thiết, kích thước, và thành phần vật chất. Chẳng hạn, ở những khu vực được đặc trưng bởi đất sét có độ dẻo cao, nơi sự biến động độ ẩm theo mùa gây ra sự thay đổi thể tích theo chu kỳ (sưng và co lại), giải pháp nền móng sâu kết thúc dưới vùng hoạt động thay đổi độ ẩm trở nên cần thiết để ngăn chặn sự dịch chuyển lâu dài và mất ổn định cấu trúc ở chân tháp, một thử thách đơn giản, móng trải nông không thể giải quyết một cách đáng tin cậy.

Quá trình lựa chọn là một ma trận phức tạp giữa rủi ro và chi phí, nơi các ràng buộc về địa kỹ thuật thiết lập ranh giới của tính khả thi. Nền móng phải huy động đủ khối lượng đất để chịu được sức nâng tính toán với hệ số an toàn quy định, hệ số luôn cao hơn hệ số cần thiết để nén do tính chất quan trọng của tài sản truyền tải. Nguyên lý huy động khối đất này trực tiếp dẫn đến hạn chế thiết kế cơ bản: Nền móng phải đủ sâu hoặc đủ rộng để đảm bảo khối lượng ổn định cần thiết, đất dính. Bỏ qua sự phức tạp của việc phân tầng đất - sự hiện diện của lớp yếu bên dưới, hoặc sự chuyển đổi đột ngột từ nền đá tốt sang đất dư bị phong hóa mạnh—thể hiện một lỗi kỹ thuật cơ bản và không thể chấp nhận được, tất yếu dẫn đến việc giải quyết quá mức, biến dạng góc, hoặc hư hỏng hoàn toàn trong điều kiện tải trọng bão cao điểm. Nền tảng là, về bản chất, một mỏ neo phức tạp, và sức mạnh nắm giữ của nó hoàn toàn phụ thuộc vào đặc tính địa kỹ thuật của khối đất mà nó tham gia.

2. Kiểu hình nền tảng và cơ chế thiết kế: Chống lại sự thăng hoa và khoảnh khắc

Tải trọng chuyên dụng của các tháp truyền dẫn đã dẫn đến sự phát triển của các loại hình nền móng riêng biệt, mỗi cái được tối ưu hóa để chống lại các dạng hư hỏng cụ thể liên quan đến các điều kiện đất cụ thể. Sự lựa chọn giữa các loại này là một quyết định quan trọng và mang tính kỹ thuật sâu sắc., được thúc đẩy bởi cả báo cáo địa kỹ thuật và hình dạng cụ thể của chính tòa tháp (ví dụ, phần mở rộng cơ thể, khoảng cách giữa hai chân, và lực cắt đáy).

Nền móng trải rộng (Pad và ống khói) Cơ học

Các Pad và ống khói (P&C) nền tảng, một dạng móng dàn bê tông cốt thép, vẫn là loại phổ biến nhất ở các khu vực có đặc điểm là nông, có thẩm quyền, và đất dính có mực nước ngầm tương đối thấp. Thiết kế của nó dựa trên nguyên tắc tối đa hóa trọng lượng của khối móng và thể tích của nón đất chịu lực.. Đang tải nâng lên, sức đề kháng được huy động thông qua hai cơ chế chính:

1. Khả năng chịu trọng lượng: Trọng lượng chết của tấm bê tông, đất lấp trực tiếp lên trên tấm lót, và trọng lượng của chính ống khói.

2. Khả năng chống cắt (nón nâng cao): Cơ chế chính, được tính toán bằng cách phân tích sự thất vọng ngược (hình nón) Đất được huy động do ma sát dọc theo bề mặt phá hủy kéo dài lên trên và ra ngoài từ mép của tấm đệm. Cường độ huy động phụ thuộc nhiều vào ứng suất hữu hiệu và các thông số cường độ cắt ($\phi$ và $c$) của đất. Thách thức về cơ cấu là đảm bảo “cú đấm xuyên qua” dạng phá hoại—trong đó lồng bu lông neo hoặc ống khói cắt xuyên qua tấm bê tông—không xảy ra trước khi huy động toàn bộ sức cản của đất, đòi hỏi phải gia cố nhiều và kiểm soát chặt chẽ cường độ kéo của bê tông và ứng suất liên kết giữa cốt thép và ma trận bê tông.

Nền tảng sâu sắc: Cọc và cọc khoan

Ngược lại với P&nền tảng C, Bến khoan (Caisson) cơ sở và Móng cọc là sự lựa chọn cần thiết cho người yếu, đất có khả năng nén cao, hoặc khi địa tầng chịu lực thích hợp nằm ở độ sâu đáng kể, thường xuyên vượt quá $10 \chữ{ mét}$.

Bến tàu khoan vượt trội vì khả năng chống nâng của nó phụ thuộc rất nhiều vào Ma sát da (hoặc cắt bên)- lực ma sát phát triển giữa bề mặt hình trụ thẳng đứng của trục bê tông và đất xung quanh. Điều này thường được tính toán bằng cách sử dụng kinh nghiệm $\alpha$-phương pháp hoặc căng thẳng hiệu quả $\beta$-phương pháp, dựa vào sức kháng cắt không thoát nước của đất sét hoặc ứng suất hữu hiệu của cát, tương ứng. Ưu điểm của trụ cầu là nó có khả năng chống lại mômen lật rất lớn do có độ sâu chìm lớn., phân phối tải trọng ngang trên một diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với móng nông. Quá trình thi công trụ cầu—bao gồm việc khoan một lỗ có đường kính lớn, đặt lồng cốt thép, và đổ bê tông (thường sử dụng phương pháp tremie dưới nước hoặc bùn bentonite)— đưa ra những rủi ro riêng của nó, đặc biệt là nguy cơ thám hiểm hang động trong tầng đất không ổn định hoặc hình thành hỗn hợp (bê tông yếu ở đáy) làm tổn hại đến khả năng chịu lực cuối.

Khi độ sâu yêu cầu đối với các tầng có thẩm quyền là cực kỳ lớn hoặc khả năng tiếp cận bị hạn chế, Móng cọc (lái xe hoặc chán) trở thành giải pháp cần thiết. Cọc đóng (cọc chữ H bằng thép hoặc cọc ống) thường được ưa chuộng ở vùng cát rời hoặc đất sét mềm vì quá trình đóng sẽ nén chặt đất xung quanh, thực sự làm tăng căng thẳng hiệu quả và, do đó, khả năng nâng và chịu lực. Cọc khoan nhồi mang lại sự linh hoạt về kích thước và rất cần thiết trong những môi trường mà việc lái xe là không thực tế (ví dụ, khu vực đô thị hóa cao hoặc gần các công trình nhạy cảm) hoặc khi bê tông phải được đổ trực tiếp vào hốc đá để đạt được khả năng chịu nén và nâng lớn thông qua sự kết hợp giữa khả năng chịu lực cuối và độ bám dính giữa đá với bê tông.. Phân tích phức tạp của nhóm cọc, trong đó hiệu quả của từng cọc bị giảm do tác động của nhóm (sự chồng chéo của bóng đèn căng thẳng), làm phức tạp thêm thiết kế, đòi hỏi phải lặp lại cấu trúc-địa kỹ thuật đa chiều để đảm bảo độ tin cậy.

3. Thực tế thực tế của việc xây dựng từ xa và kiểm soát chất lượng

Quá trình chuyển đổi từ một thiết kế kỹ thuật đã được xác nhận sang nền tảng chức năng trong lĩnh vực này đặt ra một loạt thách thức trong xây dựng dân dụng, trở nên trầm trọng hơn bởi thực tế là các hành lang truyền tải thường xuyên đi qua các vùng xa, địa hình khó tiếp cận, thường cách xa nguồn điện ổn định hoặc đường trải nhựa. Bản thân quá trình xây dựng—đặc biệt là trình tự và kiểm soát chất lượng của việc khai quật, tăng cường, và các giai đoạn đổ bê tông—rất quan trọng để đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế.

Ổn định đào và khử nước

Giai đoạn ban đầu, moi lên, đầy rủi ro địa kỹ thuật, đặc biệt đối với các loại móng sâu hoặc ở những khu vực có mực nước ngầm cao. Tiêu chuẩn an toàn đòi hỏi sườn dốc ổn định hoặc hệ thống chống đỡ phù hợp (hộp rãnh hoặc cọc ván) để ngăn chặn sự sụp đổ, một mối quan tâm quan trọng không chỉ đối với sự an toàn của người lao động mà còn đối với việc duy trì tính toàn vẹn của đất mà cuối cùng sẽ tạo ra khả năng chống cắt. Trong môi trường mực nước ngầm cao, hiệu quả khử nước là hoàn toàn cần thiết. Sự hiện diện của nước trong quá trình đổ bê tông làm loãng xi măng, làm giảm cường độ bê tông cuối cùng, và rửa sạch các cốt liệu mịn, ảnh hưởng cơ bản đến độ bền và khả năng kết cấu của nền móng. Kỹ thuật khử nước, chẳng hạn như điểm giếng hoặc tổng hợp, phải liên tục, hạ thấp mực nước dưới chân hố đào một cách hiệu quả cho đến khi bê tông được đổ và đạt đủ cường độ. Không duy trì được sàn đào khô ráo, đặc biệt là khi đặt lớp che mắt quan trọng (bê tông nạc) hoặc chính kết cấu bê tông, làm mất hiệu lực các giả định thiết kế về cường độ bê tông và độ bám dính với đất chịu lực.

Thiết kế lồng cốt thép và hỗn hợp bê tông

Việc xây dựng của lồng gia cố—mạng lưới cốt thép phức tạp—đòi hỏi dung sai cực cao và lắp ráp chính xác. Thiết kế móng tháp bao gồm các thanh cốt thép có đường kính lớn chịu lực kéo và nén rất lớn, đặc biệt là ở phần ống khói nơi khoảnh khắc được truyền đi. Lồng phải được lắp ráp chắc chắn để chịu được thao tác và áp lực của bê tông tươi mà không bị biến dạng. Điều quan trọng, các vỏ bê tông—khoảng cách giữa bề mặt cốt thép và bề mặt bê tông bên ngoài—phải được duy trì nghiêm ngặt. Độ che phủ không đủ sẽ tạo ra độ ẩm, ôxy, và các ion ăn mòn (clorua, sunfat) thâm nhập và bắt đầu ăn mòn cốt thép, dẫn đến sự mở rộng khối lượng, sự nứt vỡ bê tông, và sự mất mát thảm khốc về độ bền kéo trong nền móng, cần một lớp phủ bê tông lớn (thường $75 \chữ{ mm}$ Hoặc nhiều hơn) trong môi trường đất xâm thực.

Các thiết kế hỗn hợp bê tông bản thân nó là một quy trình chuyên biệt được thiết kế riêng cho các điều kiện từ xa và môi trường khắc nghiệt. Hỗn hợp phải cân bằng cường độ nén cao (thường $25 \chữ{ MPa}$ đến $40 \chữ{ MPa}$) với độ bền cao. Ở vùng đất giàu sunfat hoặc vùng ven biển, Xi măng phải có công thức đặc biệt bằng cách sử dụng Xi măng kháng sunfat (Loại V) hoặc kết hợp vật liệu pozzolanic (tro bay, xỉ) để kết dính vôi tự do có hại và ngăn ngừa sự hình thành các hợp chất trương nở gây hư hỏng bê tông. hơn nữa, kiểm soát chất lượng trong quá trình trộn hoặc vận chuyển bê tông từ xa—kiểm tra độ sụt về khả năng thi công, kiểm tra hàm lượng không khí về khả năng chống đóng băng, và tuân thủ nghiêm ngặt tỷ lệ nước-xi măng ($\chữ{w}/\chữ{c}$) để đảm bảo độ bền lâu dài và độ thấm thấp—là một nhiệm vụ hoạt động liên tục không thể được nới lỏng do những thách thức trong việc tiếp cận địa điểm.

4. Đảm bảo, Tuổi thọ sử dụng, và các chiến lược giảm nhẹ nâng cao

Nền tảng là tài sản lâu dài, dự kiến ​​sẽ hoạt động tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của đường dây truyền tải, thường 50 đến 100 năm. Do đó, các giai đoạn xây dựng cuối cùng và quản lý tuổi thọ sử dụng tiếp theo phải tập trung nhiều vào việc kiểm tra đảm bảo nghiêm ngặt và giảm thiểu độ bền nâng cao.

Tiêu chí chấp nhận và thử nghiệm nâng cao

Đối với các tháp truyền tải quan trọng (ví dụ, tháp góc, cấu trúc ngõ cụt) hoặc khi việc xây dựng diễn ra trong điều kiện đất đai không chắc chắn, nền tảng phải trải qua Kiểm tra tải nâng lên quy mô đầy đủ. Điều này bao gồm việc gắn một hệ thống kích thủy lực đã được hiệu chỉnh vào các bu lông neo ở chân tháp và áp dụng dần tải trọng nâng thiết kế., thường xuyên vượt quá $1,000 \chữ{ kN}$ hoặc là $100 \chữ{ tấn}$. Hiệu suất của nền móng được theo dõi bằng cách đo chuyển vị dọc (kéo ra) dưới tải. Tiêu chí chấp nhận thường được xác định bằng độ lún tối đa cho phép ở tải thiết kế và xác minh rằng công suất giới hạn đáp ứng hoặc vượt quá hệ số an toàn đã chỉ định. (thường $1.5$ đến $2.0$ lần tải trọng nâng cao nhất). Thử nghiệm phá hủy hoặc gần phá hủy này cung cấp kết quả cuối cùng, bằng chứng hữu hình rằng các giả định thiết kế địa kỹ thuật lý thuyết đã được nhân rộng thành công và gắn chặt vào thực tế.

Độ bền và kiểm soát ăn mòn

Tuổi thọ sử dụng lâu dài của nền móng về bản chất có liên quan đến độ bền của bê tông và khả năng kiểm soát ăn mòn của các bộ phận thép. Ngoài việc tuân thủ nghiêm ngặt $\chữ{w}/\chữ{c}$ tỷ lệ và lớp phủ bê tông thích hợp, chiến lược giảm thiểu chuyên biệt có thể được yêu cầu trong môi trường cực kỳ hung hăng:

1. Lớp phủ và lớp lót bảo vệ: Ở đất chua hoặc giàu hữu cơ, bề mặt bê tông có thể bị tấn công hóa học. Trong những trường hợp như vậy, lớp phủ (ví dụ, epoxy) hoặc lót (ví dụ, PVC) có thể được áp dụng cho ống khói và bề mặt bê tông bị chôn vùi để cách ly nền bê tông khỏi các phần tử ăn mòn.

2. Bảo vệ catôt (CP): Đối với môi trường ăn mòn cao, đặc biệt đối với móng cọc thép hoặc bu lông neo hở, Bảo vệ catôt (CP) có thể được thực hiện. Điều này liên quan đến việc giới thiệu một cực dương hy sinh (magiê hoặc kẽm) hoặc hệ thống dòng điện cưỡng bức để dịch chuyển thế điện hóa của kết cấu thép, ngăn chặn sự hòa tan của sắt và ngăn chặn quá trình ăn mòn, do đó đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc lâu dài của các thành phần kim loại của hệ thống móng.

Các phương pháp nghiên cứu và xây dựng tỉ mỉ được áp dụng cho mọi nền móng—từ nỗi lo sợ sâu xa ban đầu về sự không chắc chắn về địa chất cho đến chứng nhận cuối cùng về khả năng chống nâng—là những yếu tố không thể thương lượng quyết định độ tin cậy của toàn bộ lưới điện. Nền móng là chiếc neo bất di bất dịch, và hiệu suất lâu dài của nó là sự im lặng, cam kết thiết yếu của người kỹ sư đối với sự tiếp tục của cuộc sống hiện đại.