特高壓輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)

侯中偉，鄭衛(wèi)鋒

(1 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市102209;2 中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引 言

巖石錨桿基礎(chǔ)是通過將水泥砂漿或細(xì)石混凝土注入植有錨筋的巖孔內(nèi)，使得錨筋與巖體膠結(jié)成整體承受上部結(jié)構(gòu)荷載的一種基礎(chǔ)型式［1-5］。過去，巖石錨桿基礎(chǔ)在我國山區(qū)低電壓等級(jí)輸電線路工程中的應(yīng)用可分為直錨式和承臺(tái)式2 種類型，它們的應(yīng)用地質(zhì)條件和桿塔基礎(chǔ)荷載條件不同。一方面，直錨式基礎(chǔ)適用于覆蓋層薄或者裸露的巖石地基中，而承臺(tái)式基礎(chǔ)適用于地表有較薄覆蓋層的巖石地基中。另一方面，直錨式基礎(chǔ)主要用于基礎(chǔ)作用力較小塔位，而承臺(tái)式基礎(chǔ)主要用于基礎(chǔ)作用力較大塔位。

巖石錨桿因具有較小的基礎(chǔ)混凝土用量和土石方開挖量，可減少水泥、砂石、基礎(chǔ)鋼材及棄土的運(yùn)輸量，特別是在地形復(fù)雜的高山地區(qū)。此外，巖石錨桿基礎(chǔ)機(jī)械化施工程度高，顯著降低了人工開挖或爆破作業(yè)對基礎(chǔ)周圍巖石基面、林木植被的損害，因而具有較好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

當(dāng)前，隨著我國靈州—紹興±800 kV 直流、雅安—武漢1 000 kV 交流等特高壓輸電線路工程的建設(shè)，越來越多的輸電線路需經(jīng)過山區(qū)。以雅安—武漢1 000 kV 特高壓交流輸電線路為例，全線地形中一般山地占38.62%，丘陵占27.18%，高山大嶺占19.16%，平地占10.91%，河網(wǎng)泥沼占4.13%。同樣，靈州—紹興±800 kV 特高壓直流輸電線路工程也需要途徑大量的山區(qū)或丘陵地區(qū)，其中一般山地占46.5%，丘陵占20.8%，高山大嶺占5.1%。上述2個(gè)特高壓輸電線路均具備巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用的地質(zhì)地形條件，但由于特高壓輸電線路工程桿塔荷載大，且線路途徑的山區(qū)往往有2 ～3 m 的覆蓋土層或強(qiáng)風(fēng)化巖層，傳統(tǒng)巖石錨桿基礎(chǔ)型式一般難以滿足特高壓工程需要。本文根據(jù)特高壓輸電線路荷載大與巖石地基覆蓋層厚的特點(diǎn)，提出特高壓工程巖石錨桿基礎(chǔ)適用型式、破壞模式及其承載力計(jì)算、施工和質(zhì)量檢測等方面的建議，為特高壓工程中巖石錨桿基礎(chǔ)的推廣與應(yīng)用提供參考。

1 基礎(chǔ)選型與構(gòu)造要求

1.1 基礎(chǔ)型式

結(jié)合特高壓輸電線路荷載特征及巖石錨桿基礎(chǔ)研究成果，在特高壓工程中可采用圖1 所示的群錨基礎(chǔ)型式。圖1(a)顯示了覆蓋層和巖石地基的層狀分布;圖1(b)為直柱型群錨基礎(chǔ)，其在覆蓋層采用方形或圓形直柱混凝土基礎(chǔ)與上部桿塔結(jié)構(gòu)連接，直柱部分嵌入基巖一定深度后與巖石群錨基礎(chǔ)連接并形成巖石群錨基礎(chǔ);圖1(c)為柱板型群錨基礎(chǔ)，其在覆蓋層中采用混凝土柱板結(jié)構(gòu)型式，立柱以偏心或不偏心形式與上部桿塔結(jié)構(gòu)連接，底板嵌入基巖一定深度后與巖石群錨基礎(chǔ)連接，從而形成巖石群錨基礎(chǔ)。

圖1 特高壓工程巖石錨桿基礎(chǔ)型式Fig.1 Rock anchor foundation in UHV transmission line

1.2 構(gòu)造要求

(1)巖石錨桿基礎(chǔ)鉆孔直徑D 一般為錨桿直徑d 的2 ～3 倍。根據(jù)當(dāng)前巖石錨桿施工機(jī)具技術(shù)水平，鉆孔直徑宜取100 ～120 mm。

(2)已有研究成果表明，增加巖石錨桿群錨基礎(chǔ)鉆孔之間的距離b 能夠提高其抗拔承載能力，但是隨著錨孔間距b 的增加，圖1 中基礎(chǔ)立柱或承臺(tái)底板尺寸都將明顯增加，加上特高壓輸電線路山區(qū)斜坡地形的存在，必然影響巖石錨桿基礎(chǔ)的使用范圍。根據(jù)已有試驗(yàn)成果，可通過優(yōu)化錨孔間距b 來減小承臺(tái)尺寸，建議圖1 所示的特高壓輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)錨孔間距b 為D 的3 ～4 倍。

(3)上部立柱可設(shè)計(jì)成斜柱或采取偏心結(jié)構(gòu)型式，也可采用地腳螺栓預(yù)偏等型式提高巖石錨桿群錨基礎(chǔ)水平承載性能，且立柱或基礎(chǔ)底板的嵌巖深度不應(yīng)小于0.5 m。

(4)為保證鉆孔中的錨筋居中，宜在錨筋頂部、底部各設(shè)置1個(gè)定位支架固定錨筋;同時(shí)，為方便施工過程中人工鋼釬搗固或微型振動(dòng)棒振搗，在錨筋其他部位不再設(shè)置其他固定措施。

(5)可在錨筋頂端采用一側(cè)貼焊的機(jī)械錨固措施以降低錨筋錨入承臺(tái)的基本錨固長度，從而減少承臺(tái)高度并保證錨入承臺(tái)內(nèi)錨筋的錨固要求。

(6)錨筋優(yōu)先采用高強(qiáng)螺紋鋼(HRB400)，直徑一般小于40 mm。灌漿料宜選用細(xì)石混凝土且強(qiáng)度等級(jí)不低于C30。

2 巖石群錨基礎(chǔ)破壞模式及其承載力

如圖2 所示，巖石群錨基礎(chǔ)是由3 種材料(錨筋、漿體、巖體)、2個(gè)界面(錨筋－細(xì)石混凝土界面、細(xì)石混凝土－巖石界面)組成的承載和傳力系統(tǒng)，上拔荷載往往是巖石群錨基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)控制條件。

圖2 巖石錨桿群錨基礎(chǔ)極限承載力計(jì)算示意圖Fig.2 Ultimate uplift beating capacity calculation of rock anchor-group foundation

上拔荷載作用下，巖石群錨基礎(chǔ)的破壞模式可能有5 種情況，分別為圖3 所示的4 種單錨基礎(chǔ)破壞以及圖2 所示的巖石整體剪切破壞。設(shè)計(jì)中需要分別對上述5 種破壞模式的每一種模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，從而最終對巖石錨桿基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。

圖3 巖石錨桿單錨基礎(chǔ)的可能破壞模式Fig.3 Possible failure modes of rock anchor foundations

2.1 錨筋自身拉斷破壞

如圖3(a)所示，當(dāng)錨桿所受拉力超過錨筋的屈服強(qiáng)度時(shí)，錨筋就會(huì)被拉斷，對應(yīng)的極限承載力如式(1)所示。

式中:fyk表示錨筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;An表示錨筋的凈截面積。

實(shí)際工程中，T1可通過提高錨筋的材料強(qiáng)度等級(jí)與直徑得到提高。

2.2 錨筋和細(xì)石混凝土的結(jié)合面滑動(dòng)破壞

如圖3(b)所示，當(dāng)錨筋和細(xì)石混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度不足以抵抗拉拔荷載時(shí)，錨筋和細(xì)石混凝土的結(jié)合面就會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞，導(dǎo)致錨筋桿體被拔出，對應(yīng)的極限承載力如式(2)所示。

式中:d 表示錨筋直徑;τa表示錨筋和細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度;la表示錨筋傳力的有效錨固長度。

在滿足有效錨固長度的前提下，T2可通過提高錨桿桿體錨筋的材質(zhì)與細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)得到改善。

文獻(xiàn)研究表明，錨筋和細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度τa符合凱爾文問題［6］，其理論解沿長度方向呈類似于對數(shù)螺旋曲線分布。實(shí)際工程中，為便于設(shè)計(jì)，τa在受力范圍內(nèi)取平均值。

錨筋和細(xì)石混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度τa主要由3 部分作用力組成:(1)膠著力。膠著力是錨筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力，這種吸附作用力一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用，當(dāng)接觸面發(fā)生相對滑移時(shí)該力即消失;(2)摩擦力。摩擦力是混凝土收縮握裹錨筋而產(chǎn)生的阻滑作用力，接觸面的粗糙程度越大，錨筋與混凝土之間的摩擦力就越大;(3)咬合力。咬合力是錨筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力，對于光圓錨筋其咬合力很小，對于螺紋錨筋咬合力是由于錨筋肋間嵌入混凝土而產(chǎn)生的。上述3 部分力中咬合力起控制作用，因此，錨筋應(yīng)采用高強(qiáng)度的螺紋筋。

表1 為相關(guān)規(guī)范［1，7-8］中規(guī)定的τa取值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合輸電線路行業(yè)自身特點(diǎn)，τa可根據(jù)細(xì)石混凝土強(qiáng)度 等 級(jí) 取 值，C20 時(shí) 取 2 000 kPa，C30 時(shí)取3 000 kPa。

表1 相關(guān)規(guī)范中的τa 取值Tab.1 Reasonable Values of τa in relevant codes kPa

文獻(xiàn)研究［9-13］與現(xiàn)場真型試驗(yàn)［14-18］結(jié)果表明，錨筋抽出破壞狀態(tài)下的最大錨固力出現(xiàn)在(9 ～15)d 的深度范圍內(nèi)，分布的最大深度為(45 ～60)d 的深度，并不是在錨筋長度范圍內(nèi)無限制延伸。結(jié)合輸電線路行業(yè)自身特點(diǎn)，la可根據(jù)基巖風(fēng)化程度確定，未風(fēng)化或微風(fēng)化時(shí)取25d，中等風(fēng)化時(shí)取35d，強(qiáng)風(fēng)化時(shí)取45d。

2.3 細(xì)石混凝土和巖體的結(jié)合面滑動(dòng)破壞

如圖3(c)所示，若細(xì)石混凝土和巖體之間的粘結(jié)強(qiáng)度較低，則破壞可能發(fā)生在細(xì)石混凝土和巖體的結(jié)合面上，導(dǎo)致細(xì)石混凝土與錨筋形成的錨固體被拔出，對應(yīng)的極限承載力如式(3)所示。

式中:τb表示細(xì)石混凝土和巖體間粘結(jié)強(qiáng)度;lb表示錨固體傳力的有效錨固長度。

T3主要由鉆孔孔壁周圍巖體的抗剪強(qiáng)度決定，孔壁周圍的抗剪強(qiáng)度隨巖體自身?xiàng)l件、錨桿埋置深度與鉆孔直徑、細(xì)石混凝土施工工藝等因素不同而存在很大的差異。文獻(xiàn)研究表明，細(xì)石混凝土和巖體間的粘結(jié)強(qiáng)度τb也符合凱爾文問題［6］，其理論解沿長度方向呈類似于對數(shù)螺旋曲線分布，為便于設(shè)計(jì)，τb也是在受力范圍內(nèi)取平均值，表2 為相關(guān)規(guī)范［1，7-8］中規(guī)定的τb取值標(biāo)準(zhǔn)。

由表2 可知，輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，τb取值偏小，可適當(dāng)提高。此外，錨固體抽出破壞一般發(fā)生在軟巖地質(zhì)條件下，τb影響范圍較長，但并不是在埋深范圍內(nèi)無限制延伸。根據(jù)輸電線路行業(yè)自身特點(diǎn)，lb可根據(jù)基巖風(fēng)化程度確定，未風(fēng)化或微風(fēng)化時(shí)取25D，中等風(fēng)化時(shí)取35D，強(qiáng)風(fēng)化時(shí)取45D。

2.4 巖體剪切破壞

巖體剪切破壞分為2 種情況，一是群錨基礎(chǔ)中的單錨發(fā)生局部巖石剪切破壞，二是群錨基礎(chǔ)發(fā)生整體巖石剪切破壞。

(1)單錨巖體剪切破壞。如圖3(d)所示，在錨筋底端采取有效錨固的情況下，可能內(nèi)部巖土體產(chǎn)生剪切破壞，甚至?xí)霈F(xiàn)近似于錐形破壞面的拔出巖體破壞，造成基礎(chǔ)整體失效，其對應(yīng)的極限承載力如式(4)所示，T4主要與巖體自身力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

式中:τs為巖石等代極限剪切強(qiáng)度;ls為錨固長度。

(2)群錨巖體整體剪切破壞。如圖2 所示，當(dāng)錨桿布置較密時(shí)，巖土體受力區(qū)的重疊必然會(huì)引起應(yīng)力疊加和錨桿位移的疊加，就可能造成巖土體的破壞，對應(yīng)的極限承載力如式(5)所示，在特高壓大荷載條件下，T5往往成為設(shè)計(jì)控制條件。

表2 相關(guān)規(guī)范中的τb 取值Tab.2 Reasonable Values of τb in relevant codes kPa

式中:a 為群錨的外切直徑;Qf為基礎(chǔ)自重。

巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs一般不能通過常規(guī)巖土工程勘測手段直接獲得，需根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果按照45°剪切滑動(dòng)面假設(shè)反算求得。目前，邊坡工程、公路路基、鐵路路基、建筑行業(yè)等相關(guān)規(guī)范中無τs取值。

已有現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，對于不同風(fēng)化程度的軟硬巖石，τs值一般都大于現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。鑒于此，τs值宜通過現(xiàn)場真型試驗(yàn)確定。若無試驗(yàn)條件，工程設(shè)計(jì)中也宜取規(guī)范規(guī)定的上限值。

表3 為相關(guān)規(guī)范［7-8，19］中l(wèi)s取值范圍，由表3 可知，對于建筑工程、邊坡工程、基坑工程，均存在最佳的錨固長度范圍。

表3 相關(guān)規(guī)范l s取值Tab.3 Reasonable Values of τs in relevant codes

已有輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，上拔荷載在錨桿中的傳遞范圍并不是在埋深范圍內(nèi)無限制延伸，而是存在一定的臨界深度。圖4 為靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路寧夏段單錨試驗(yàn)結(jié)果，其中錨桿長度為3、4.5 和6 m 這3 種埋深。總體上看，隨著錨筋長度增加，單錨軸力衰減迅速;在1 ～3 m 埋深范圍內(nèi)，軸力均勻分布;當(dāng)埋深大于3 m 后，錨筋軸力明顯減小。因此，為保證特高壓輸電線路安全，巖石錨桿單錨長度應(yīng)大于3 m。但考慮到錨桿實(shí)際應(yīng)力有效傳遞范圍、施工鉆孔難易程度，建議ls取值不宜超過6 m。

圖4 不同錨筋埋深下錨桿軸力沿埋深分布Fig.4 Axial forces along embedment depth for single anchor with different length

2.5 巖石錨桿群錨基礎(chǔ)極限承載力

結(jié)合圖2 和圖3 所示的5 種破壞模式，取最小承載力作為錨桿基礎(chǔ)的極限抗拔承載力，如式(6)所示。

式中:TE為巖石錨桿基礎(chǔ)抗拔極限承載力。

3 施工要求

考慮到輸電線路桿塔基礎(chǔ)的行業(yè)特點(diǎn)，巖石錨桿基礎(chǔ)施工需重點(diǎn)解決施工鉆機(jī)的輕便性、施工質(zhì)量的可控性等關(guān)鍵技術(shù)。

在施工過程中，需注意以下幾點(diǎn):

(1)鉆孔施工應(yīng)以機(jī)械作業(yè)為主，盡可能采用干鉆成孔，并確保巖石構(gòu)造的完整性不受破壞。在施工中需“準(zhǔn)確就位、規(guī)范操作、注意環(huán)保”。

(2)錨孔成型后應(yīng)及時(shí)清孔，孔洞中的石粉、浮土及孔壁松散活石應(yīng)清除干凈。

(3)細(xì)石混凝土澆筑前應(yīng)進(jìn)行二次清孔并對孔壁充分潤濕，易風(fēng)化的巖石應(yīng)盡量縮短開孔與灌注之間的時(shí)間間隔。

(4)細(xì)石混凝土的細(xì)石粒徑宜為5 ～8 mm，砂子宜采用中砂，并可根據(jù)需要摻入水泥用量3% ～5%的膨脹劑或防水劑。

(5)混凝土灌注要求每300 ～500 mm 分層灌注并振搗密實(shí)，推薦采用微型振動(dòng)棒或人工搗固釬進(jìn)行振搗施工。

4 質(zhì)量檢測

由于巖石地質(zhì)條件的復(fù)雜，錨桿基礎(chǔ)在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場的檢測與驗(yàn)收工作，確保巖石錨桿基礎(chǔ)工程應(yīng)用的安全可靠性。

錨桿質(zhì)量檢測主要包括現(xiàn)場驗(yàn)收試驗(yàn)與聲波反射法［8，20］。驗(yàn)收試驗(yàn)準(zhǔn)確可靠，但試驗(yàn)過程復(fù)雜，只能進(jìn)行少量抽檢，表4 為相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的試驗(yàn)數(shù)量;聲波反射法適用于檢測錨桿長度和錨固密實(shí)度。

表4 相關(guān)規(guī)范規(guī)定的驗(yàn)收試驗(yàn)數(shù)量Tab.4 Acceptance test number in relevant codes

結(jié)合特高壓輸電線路工程行業(yè)特點(diǎn)，由于一基鐵塔4個(gè)塔腿的地質(zhì)地形條件不盡相同，建議驗(yàn)收試驗(yàn)按照＞5%且每腿不少于1 根的檢測數(shù)量進(jìn)行。

5 結(jié) 語

特高壓輸電線路工程中采用巖石錨桿基礎(chǔ)，可有效提高機(jī)械化作業(yè)程度，減少施工棄土，有效保護(hù)環(huán)境。本文根據(jù)巖石錨桿基礎(chǔ)理論研究、現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用成果，提出了特高壓工程巖石錨桿基礎(chǔ)適用型式、破壞模式、承載力計(jì)算及其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)取值、施工和質(zhì)量檢測等方面的建議，可為我國特高壓輸電線路工程中巖石錨桿基礎(chǔ)的推廣應(yīng)用提供參考。

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