鐵立錨樁承載力研究

姜常勝，賈 琳，趙慶源

(1．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006;2．遼寧冶金技術學院，遼寧 本溪 117000;3．本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

在輸電線路基本建設、停電檢修、搶修過程中，經常需要使用鐵立錨樁 (俗稱打釬子)。從現場鐵立錨樁使用情況看，主要存在以下問題:首先，目前對鐵立錨樁承載力計算主要依靠相關參考資料給出的計算公式，公式中的土壤參數是否具有普遍適用性值得商榷;其次，如何改進工藝，提高鐵立錨樁的承載力，使其更好地服務于生產，提高安全可靠性問題值得深入研究。

1 普通鐵立錨樁承載力

1.1 普通鐵立錨樁承載力試驗

選取直徑為50 mm、長度為1 500 mm圓形普通鐵立錨樁，在常見的砂土、耕地、黃土地和強風化巖土壤中進行拉力試驗。

鐵立錨樁打入方式:與地面成60°角度打入，打入深度為1 300 mm。使用絞磨對鐵立錨樁施加與地面成30°的斜向上拉力。

鐵立錨樁受力后，將向受力側產生位移，當鐵立錨樁與地面垂直時停止增加拉力，并認為此時鐵立錨樁受力為其極限承載力 (若繼續增加拉力，則可能發生鐵立錨樁被拔出或鋼絲繩套飛出，造成事故)，試驗結果如表1所示。

表1 普通鐵立錨樁承載力試驗值 kN

1.2 不同土壤普通鐵立錨樁極限承載力

選取最小承載力作為普通鐵立錨樁極限承載力較合理。在試驗條件相同情況下，不同土質承載力:砂土 (中砂)極限承載力為9 kN;耕地 (硬塑性亞粘土)極限承載力為5 kN;黃土 (硬塑性粘土)極限承載力為9.5 kN;強化風巖 (粘土加礫石，按堅硬性粘土考慮)極限承載力為11 kN。選取最小承載力作為普通鐵立錨樁極限承載力較合理。

1.3 試驗結果

砂土和耕地由于其抗剪角、被動土抗力等參數較小，達到極限受力后，首先表現為土體破壞。在驗算時，需重點針對土體承載力進行驗算。試驗現場應多觀察土體的變化，試驗中均未發生鐵立錨樁變形等現象。

黃土和強風化巖由于其抗剪角、被動土抗力等參數較大，達到極限受力后，首先表現為鐵立錨樁體破壞，驗算時需重點對鐵立錨樁本體進行驗算。試驗現場要注意樁體的變化，試驗中曾多次發生過鐵立錨樁變形現象。鐵立錨樁通常在距下端800 mm左右 (占打入深度的3/5)處產生彎曲變形(如圖1所示)。

圖1 鐵立錨樁變形情況

當達到極限承載力后，只要鐵立錨樁變形增加，承載力就下降，作業現場應注意觀察變形情況。

1.4 理論計算

鐵立錨樁安全拉力理論計算公式:

式中 P——錨樁的安全拉力，kg;

m——土壤被動土抗力系數，kg/cm3;

b0——樁體計算寬度，cm;

d——樁體外徑，cm;

ε——校正系數 (圓柱樁ε=2.0);

α——斜向樁沿垂直線傾斜角 (作用力與地面夾角);

H——外力作用點距地面垂直高度，cm;

h——樁體斜向打入土中斜向深度，cm。

按式 (1)選取相關參數計算，砂土 (中砂)、耕地土 (硬塑性亞粘土)、黃土 (硬塑性粘土)對應的安全拉力均為245 N，強風化土 (粘土加礫石，按堅硬性粘土考慮)對應的安全拉力為328 N。

計算結果與試驗結果相差很大。砂土 (中砂)和黃土 (硬塑性粘土)實際極限承載力是計算安全拉力的36倍多，強風耕地土 (硬塑性亞粘土)實際極限承載力是計算安全拉力的20倍多，風化土 (粘土加礫石，按堅硬性粘土考慮)實際極限承載力是計算安全拉力的33倍多。

由此可見，由于各地土質條件不同，實際工作中無法采集對應的參數，因此，參照相關資料計算安全拉力指導實際工作顯然不合適。建議各地區應根據當地土壤條件開展現場試驗，經過統計分析，給出當地不同土壤條件下的安全拉力。

2 提高鐵立錨樁安全拉力

2.1 受力分析

普通鐵立錨樁受力分析如圖2所示，主要受樁頭所受的拉力F、受力側被動土抗力Q1、樁下部被動土抗力Q23個力的作用，還受到土的摩擦阻力，在此給予忽略。

圖2 普通鐵立錨樁受力

Q1主要作用是抵抗鐵立錨樁向受力側滑移，與被動土抗力系數、鐵立錨樁計算寬度、鐵立錨樁自身強度有關。

Q2主要作用是抵抗拉力F引起的彎矩，與被動土抗力系數、鐵立錨樁的計算寬度、鐵立錨樁自身強度有關。

2.2 改變受力方式

當采取加裝卡盤的方法時，在不改變鐵立錨樁自身尺寸、強度等參數的前提下，通過改變鐵立錨樁的受力方式，可提高承載力。

圖3 帶卡盤鐵立錨樁受力

加卡盤后鐵立錨樁受力分析如圖3所示，當鐵立錨樁受力后向受力側產生位移時，土壤對卡盤產生的作用力Q3將抵抗拉力F引起的彎矩。其大小與被動土抗力系數、卡盤面積及強度有關。鐵立錨樁與土壤間的作用力Q4將抵抗拉力F引起的水平力，其大小與被動土抗力系數、鐵立錨樁有效側面積及強度有關。由于改變了受力方式，提高了鐵立錨樁的安全拉力。

3 鐵立錨樁卡盤的研制

3.1 尺寸的確定

由于卡盤將在鐵立錨樁受力側起作用，因此，初步確定其形狀為半圓形。經計算，采用直徑為600 mm，厚度為5 mm的半圓形鋼板制作，并用40 mm×5 mm的角鋼作3個斜支撐，支撐高度為200 mm(如圖4所示)。

圖4 卡盤實物

3.2 鐵立錨樁卡盤試驗

采用帶卡盤的鐵立錨樁和普通鐵立錨樁在常見的砂土、耕地土、黃土地和強風化巖等四類土質進行拉力試驗。

所采集的承載力為當鐵立錨樁受力后，向受力側產生位移，與原土壤產生50 mm縫隙 (該數值取至普通鐵立錨樁試驗時的經驗數值)時的數據。試驗結果如表2所示。

表2 帶卡盤鐵立錨樁承載力試驗值 kN

3.3 不同土壤情況下帶卡盤鐵立錨樁承載力

選取最小承載力作為帶卡盤鐵立錨樁極限承載力較合理。帶卡盤鐵立錨樁在砂土 (中砂)的極限承載力為12 kN，耕地土 (硬塑性亞粘土)的極限承載力為10 kN，黃土 (硬塑性粘土)的極限承載力為12 kN，強風化土 (粘土加礫石，按堅硬性粘土考慮)的極限承載力為14 kN;普通鐵立錨樁在砂土 (中砂)的極限承載力為9 kN，耕地土(硬塑性亞粘土)的極限承載力為5 kN，黃土 (硬塑性粘土)的極限承載力為9.5 kN，強風化土(粘土加礫石，按堅硬性粘土考慮)的極限承載力為11 kN。由此可見，鐵立錨樁外加卡盤后，承載力至少提高了20%。

3.4 定性分析

加卡盤后，每次試驗承載力數值離散性減小，由于連接方式、受力形式產生變化，安全性有所提高。

對于砂土、黃土和耕地土，達到極限受力后，首先表現為土體破壞。試驗中均未發生鐵立錨樁變形。

對于強風化土，達到極限受力后，首先表現為鐵立錨樁體變形。當達到極限承載力后，只要鐵立錨樁變形增加，承載力便會下降。因此，應注意觀察鐵立錨樁變形情況。

3.5 帶卡盤鐵立錨樁的承載力計算

加卡盤后，土的承載力R取100 kN/m2時:

Q4=b0×h×R=12 kN

式中 b0——樁體計算寬度，選10 cm;

h——樁體斜向打入土的斜向深度，取120 cm;

R——土的承載力，通常可取70～250 kN/m2，取100 kN/m2。

以鐵立錨樁承受水平承載力Q4為控制條件時，鐵立錨樁的水平承載力為8.4～30 kN;如果受力按30°角度考慮，鐵立錨樁水平承載力為9.7～34.6 kN。

Fs=0.5×0.5×r×3.14×R/H=10.5 kN

式中 Fs——鐵立錨樁的水平承載力;

r——卡盤半徑;取0.3 m;

R——土的承載力，通?？扇?0～250 kN/m2;

H——外力作用點距地面的垂直高度，取2 cm。

以卡盤抵抗彎矩為控制條件時，鐵立錨樁水平承載力為7.35～26.25 kN;如果受力按30°角度考慮，鐵立錨樁水平承載力為8.48～30.3 kN。

以上計算基本與現場實踐相吻合。

4 結論

a． 帶卡盤的鐵立錨樁承載力是可以控制的。

b． 由于各地土壤參數不同，依靠理論計算的方式確定鐵立錨樁使用條件是不科學的，建議采用試驗方式確定其承載力，并用于指導實際工作。

c． 通過改變受力方式，采用外加卡盤的方法，可以提高鐵立錨樁的承載力并提高其安全性。

d． 若想繼續提高帶卡盤鐵立錨樁的承載力，應增加鐵立錨樁本身尺寸，即在增大卡盤的同時增加鐵立錨樁的數量。

e． 對于凍土，鐵立錨樁承載力較大。在凍土(耕地土)深度為460 mm的條件下進行的試驗，采用直徑為50 mm的鐵立錨樁打入840 mm，按30°角度進行牽引，拉力達50 kN，未發生異?，F象。

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