特高壓輸電線路巖石錨桿基礎的應用研究

譚青海，劉志清，張　達，鄭衛鋒，蘆尚君

（1.青海省電力設計院，西寧　810006；2.國網山東省電力公司，濟南　250001；3.國網山東省電力公司檢修公司，濟南　250118；4.中國電力科學研究院，北京　102209）

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特高壓輸電線路巖石錨桿基礎的應用研究

譚青海1，劉志清2，張達3，鄭衛鋒4，蘆尚君1

（1.青海省電力設計院，西寧810006；2.國網山東省電力公司，濟南250001；3.國網山東省電力公司檢修公司，濟南250118；4.中國電力科學研究院，北京102209）

摘要：隨著特高壓工程快速建設，線路走廊緊張，途經高山或丘陵地區的線路路徑占比較大，機械化施工程度高的巖石錨桿基礎應用比例逐步提高。結合理論研究與現場試驗，對巖石錨桿基礎的破壞模式、錨固長度、極限抗剪強度參數取值等方面提出建議，為在特高壓工程中的推廣應用提供參考。

關鍵詞：特高壓；輸電線路；巖石錨桿基礎；極限抗拔承載力；錨固長度

1　概述

巖石錨桿基礎是以水泥砂漿或細石混凝土和錨筋灌注于鉆鑿成型的巖孔內形成錨桿，并與承臺等構件組成的基礎型式。與一般常用桿塔基礎比較，屬于經濟環保型基礎，一方面充分利用巖石的高強度、低變形，可承受較大的豎向拉力和壓力；另一方面，顯著地減小開挖量，且施工機械化程度高，大大降低了基礎混凝土和鋼材量，工程造價低，且減少對環境的破壞。

巖石錨桿已在220～750 kV輸電線路工程中有一定應用，但在特高壓工程中的應用還鮮見于文獻。近年來，隨著特高壓工程快速建設，巖石錨桿基礎已逐漸得到應用。為此，針對特高壓大荷載條件下應用巖石錨桿基礎，結合理論研究與現場試驗，對巖石錨桿基礎進行分析，為其在特高壓輸電線路工程中的應用提供參考。

2　巖石錨桿基礎設計

2.1巖石錨桿基礎的破壞模式

輸電線路巖石錨桿基礎的主要破壞模式如圖1所示，包括5種類型［1-3］。

錨筋拉斷破壞。當錨桿所受拉力超過鋼筋的抗拉強度時，錨筋就會被拉斷。

錨筋和灌漿體間粘結破壞。當鋼筋和灌漿體的粘結強度不足以抵抗所受拉力，鋼筋和灌漿體間就會發生粘結破壞，導致錨筋被拔出。

灌漿體和巖體間粘結破壞。灌漿體和巖體之間的粘結強度較低，破壞可能發生在灌漿體和巖體間，整個錨固體被整體拔出。

巖體自身剪切破壞。單錨巖體剪切破壞。在錨筋有效錨固段長度不夠時，錨筋受拔后巖土體產生剪切破壞，錨桿與周圍基巖出現位移或出現倒錐形破壞面，造成巖體破壞錨桿基礎失效。群錨巖體剪切破壞。當錨桿之間按規范間距布置2個及以上數量桿體，受拔巖體相鄰區重疊，整個抗拔區體內剪切荷載過大時，就可能造成巖土體的破壞。

圖1　巖石錨桿基礎的破壞狀態

巖石錨桿基礎主要材料有錨筋和漿體，其按要求澆筑在事先鉆好的巖孔內，因此該基礎受力摩擦面有鋼筋與漿體界面、漿體與巖石界面。設計錨桿基礎時，需按圖1所示破壞類型，一一考慮；當這5種破壞模式設計強度確定后，它們要滿足“木桶理論”，按最小承載力確定為錨桿基礎的極限抗拔承載力。

2.2巖石錨桿基礎的極限上拔承載力計算

巖石錨桿基礎的極限上拔承載力如式（1）所示，對應上述5種不同破壞模式，各符號如圖2所示，各符號的意義見相關規定［1］。

圖2　巖石錨桿基礎極限上拔承載力計算示意

根據公式的定義，當主要錨筋材質、漿體強度確定條件下，錨筋拉斷破壞T1值主要由錨筋直徑決定；錨筋和灌漿體間粘結破壞T2值由錨筋直徑和有效錨固長度決定；灌漿體和巖體間粘結破壞T3值主要由基巖風化程度、錨桿有效埋深和孔徑決定；單錨巖體剪切破壞T4值由孔深、孔徑和巖體力學性質決定；T5和T4一樣的參數，但要額外考慮抗拔巖體自重。

2.2.1錨筋抽出破壞設計計算

錨筋和灌漿體間的粘結強度τa、灌漿體和巖體間的粘結強度τb均符合凱爾文問題［4］，對于這兩個強度值計算參考文獻都有詳細論述，主要與漿體強度、巖石強度有密切關系。但為了方便工程應用，對其取值依據理論研究結果，建立計算模型，之后在不同試驗條件下驗證對τa、τb的取值。

錨筋和灌漿體的粘結強度τa主要由3部分作用力組成：①膠著力，膠著力是鋼筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力，這種吸附作用力一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區域起作用，當接觸面發生相對滑移時該力即消失；②摩擦力，摩擦力是混凝土收縮握裹鋼筋而產生的阻滑作用力，接觸面的粗糙程度越大，鋼筋與混凝土之間的摩擦力就越大。③咬合力，咬合力是鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合作用力，對于光圓鋼筋其咬合力很小，對于螺紋鋼筋咬合力是由于鋼筋肋間嵌入混凝土而產生的。上述3部分力中咬合力起控制作用，因此建議錨筋采用高強度的螺紋筋。

表1為相關規范［5-6］中規定的τa取值標準，該值在建筑邊坡工程技術規范GB 50330—2013、巖土錨桿（索）技術規程CECS 22—2005、架空輸電線路基礎設計技術規程DL/T 5219—2014中，相同點漿體強度越高取值越大，不同點電力行業規程沒有按強度等級分別給出數值，但總體范圍沒有太大區別。結合輸電線路行業自身特點，依據試驗結果，τa可根據水泥砂漿或細石混凝土的強度等級取值，C20時取值2 000 kPa，C30時取值3 000 kPa。

表1　相關規范中的τa取值

文獻研究［7］與現場真型試驗［8-12］結果表明，錨筋抽出破壞狀態下的最大錨固力出現在9～15 d的深度范圍內，分布的最大深度為45～60 d的深度，按直徑40 mm錨筋計算，主要錨固力位于埋深0.4～0.6 m范圍。錨固力最小位于埋深1.8～2.4 m范圍，因此錨筋并不是越深越好，la可根據基巖風化程度確定，未風化或微風化時取25 d，中等風化時取35 d，強風化時取45 d。

2.2.2錨固體抽出破壞設計計算

表2為相關規范中規定的τb取值標準，通過3個不同的規程、規范比較，并結合輸電桿塔基礎作用力特點，τb取值偏小，建議適當提高。

表2　相關規范中的τb取值

在軟巖地質條件下，往往才發生錨固體抽出破壞，不同的軟巖τb的受力情況也不一樣，但有個受力有效范圍，過短不足以抵抗拉力，過長又比較保守不經濟。考慮桿塔基礎不同于建筑基礎既受拉又受壓的特點，lb可根據基巖風化程度確定，未風化或微風化時取25 D，中等風化時取35 D，強風化時取45 D。

2.2.3巖體剪切破壞設計計算

表征巖體發生剪切破壞的主要參數是巖石等代極限剪切強度τs。現行電力行業標準中τs取值范圍較大；同時τs不屬于巖石物理力學性質指標，在工程中無法利用地質勘測工作確定其數值，必須經過若干個巖石剪切試驗找出其破壞的規律，修正不同邊界條件獲得其參數。

目前，基坑工程、交通工程、房屋建筑等相關規范中無τs值；相關文獻［13-16］提到的巖層抗剪切強度與輸電線路行業中的τs意義相同，建議堅硬巖層的抗剪切強度約等于抗壓強度的1 / 12，τ取值約2 500 kPa；輸電線路工程大量的現場真型試驗結果反算表明，對于不同風化程度的軟硬巖石，τs取值均不大于150 kPa。

鑒于此，電力行業標準中的τs取值嚴重偏小，設計時可取大值，無經驗時建議通過縮比的現場真型試驗確定。

3　設計參數影響分析

±800 kV某鐵塔基礎上拔荷載設計值為：TE= 1 800 kN，Tx=230 kN，Ty=220 kN；下壓荷載設計值為：NE=2 300 kN，Nx=322 kN，Ny=326 kN。地質參數為強風化，軟質巖石，τa=2 950 kPa，τb=100～200 kPa，τs= 10～20 kPa。

根據上覆土層厚度及現場地形條件，采用錨筋材質HRB400、直徑40 mm、數量9根，錨桿間距0.5 m，錨固深度6 m，其承臺底板與立柱尺寸如圖3所示。

設計計算中根據不同的參數取值，主要為錨筋與砂漿或細石混凝土間的粘結強度標準值τb、巖石等代剪切強度特征值τs取值不同，計算不同破壞狀態下的上拔承載力計算匯總，如表3所示。

根據初步計算結果可知，針對軟質巖石，在強風化狀態下，承臺式錨樁基礎的上拔承載力計算控制因素主要為τb、τs的取值，因此在設計中應重點結合現場地質條件，選擇恰當的τb、τs取值。

圖3　初步設計的承臺式錨樁基礎尺寸示意

表3　不同破壞狀態下的上拔承載力計算匯總

4　結語

特高壓工程中采用巖石錨桿基礎，可減少材料用量和施工棄土，降低工程造價，經濟、社會和環境效益良好。

在設計中，錨筋和灌漿體間的粘結強度τa可根據灌漿體強度取2 000～3 000 kPa，受力范圍的計算長度la可根據巖石風化程度分別取25 d、35 d、45 d；灌漿體和巖體間的粘結強度τb可根據巖體硬度與風化程度按電力行業標準取值，并應適當提高，受力范圍的計算長度lb可根據巖石風化程度分別取25 D、35 D、45 D。

強風化軟質巖條件下錨桿基礎上拔承載力設計的控制因素為τb、τs。

參考文獻

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［4］鄭衛鋒.深基坑預應力錨桿柔性支護力學性能的研究［D］.大連：大連理工大學，2007.

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［7］黃求順，張四平，胡岱文.邊坡工程［M］.重慶：重慶大學出版社，2003.

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［14］鄭衛鋒，楊文智，滿銀.架空輸電線路巖石基礎技術規定詳解［J］.智能電網，2015，3（8）：771-776.

［15］中國電力科學研究院.酒湖線巖石錨桿基礎推廣應用研究［R］.北京，2015.

［16］GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范［S］.

Application Research on Rock Anchor Foundation of UHV Transmission Lines

TAN Qinghai1，LIU Zhiqing2，ZHANG Da3，ZHENG Weifeng4，LU Shangjun1
（1. Qinghai Power Research Institute，Qinghai 810006，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；4. China Electric Power Researcher Institute，Beijing 102209，China）

Abstract:With the quick construction of UHV transmission lines，the share of hilly-mountainous region has more percent in transmission line terrain. Rock anchor foundation has high degree of mechanization construction，and the application proportion gradually increases in the UHV transmission lines project. Based on the theoretical study and field tests，some suggestions about the failure mode，anchored length，design parameters，construction machineries and test detection of rock anchor foundation have been summarized. Research results can offer references for the application of the rock anchor foundation.

Key words:ultra-high voltage；transmission line；rock anchor foundation；ultimate uplift beating capacity；critical anchorage length

中圖分類號：TM75；TU470

文獻標志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0024－04

收稿日期：2016-04-18

作者簡介：

譚青海（1974），男，高級工程師，從事輸電線路桿塔設計工作。