輸電線路強風化軟巖挖孔基礎抗拔試驗研究

(1. 中國電力科學研究院，北京 100192；2. 國網安徽省電力公司，合肥 230022；3. 中國能源建設集團 安徽省電力設計院，合肥 230601)

隨著特高壓工程快速建設，輸電線路途徑的山地地形占比越來越多，輸電線路基礎承受的桿塔荷載越來越大[1-3]。山區中遇到硬巖或微風化軟巖時，常選用承臺嵌入式巖石錨桿群錨基礎[4]；遇到全風化硬巖或強風化～中等風化軟巖且巖石裸露或覆蓋層較薄時，常采用挖孔基礎[5-7]。

山區挖孔基礎可充分利用原狀巖石地基的承載性能，有效避免施工過程中的大開挖，且巖石強度允許時可機械化施工，有效提高施工效率。山區挖孔基礎包括直柱挖孔樁模型、壇子嵌固模型、擴底掏挖模型等3種結構型式。在進行上拔承載性能分析時，直柱挖孔樁模型采用柱狀滑動面破壞，壇子嵌固模型采用倒錐體破裂面的直線型滑動面，擴底掏挖模型采用圓弧滑動面破壞進行設計，3種模型在使用條件、設計邊界、設計參數取值等方面均不同，導致不同型式挖孔基礎工程造價差異較大。

不同于一般建筑結構中的基礎，輸電線路工程中基礎的抗拔穩定和抗傾覆穩定是設計計算的控制荷載[8]，而山區巖體抗壓強度較高，可抵抗較大的水平力，因此,巖體挖孔基礎在設計時可不考慮傾覆穩定。

學者們針對土體中挖孔基礎的抗拔承載特性開展了大量研究[9-15]，然而針對巖石挖孔基礎的抗拔承載性能的研究工作較少[16]。選擇典型強風化軟巖地質條件，開展17組巖石挖孔基礎的上拔承載力現場試驗，分析其承載性能與破壞機理，探討不同模型的應用原則及參數取值，實現山區輸電線路巖石挖孔基礎的設計優化。

1 試驗概況

1.1 工程地質條件

試驗位于安徽太湖某220 kV變電站附近，場地宏觀地貌屬大別山區、微地貌為丘陵。場區內地層自上而下為:

1)泥質砂巖：淺棕褐色，砂狀結構，塊狀構造，風化強烈，孔隙發育，硬度低。由70%～75%的碎屑與25%～30%的填充物組成，碎屑主要為石英、長石等，填充物主要為泥質高嶺石及水云母等粘土礦物、繳粒狀方解石等鈣質膠結物。該層厚約3.0～5.2 m。

2)砂礫巖：青灰色，中等風化，巖屑顆粒較大，泥質膠結，主要成分為石英砂巖、灰巖等。巖體較破碎，裂隙較發育。巖芯呈長柱狀，敲擊聲脆，該層層厚10 m以上。

根據現場與室內巖體試驗，上部泥質砂巖與下部砂礫巖的主要物理力學性質指標見表1。

1.2 基礎設計尺寸

強風化軟巖現場共布置17組挖孔基礎，其中:直柱挖孔樁模型(ZZ)5個，壇子嵌固模型(TZ)7個，擴底掏挖模型(TW)5個，外型示意如圖1所示，具體尺寸如表2所示。

表1 巖石的主要力學性質指標Table 1 Mechanical properties of rock

圖1 輸電線路巖石挖孔基礎示意圖Fig.1 Schematic diagram of rock excavated foundation for transmission

基礎型式編號埋深H/m上部直徑d/m下部直徑D/m直柱挖孔樁模型ZZZZ?1．01．01．101．10ZZ?1．51．51．251．25ZZ?2．02．01．401．40ZZ?2．52．51．551．55ZZ?3．03．01．701．70

續表2

注：擴底掏挖模型中擴底處圓臺高0.4 m、擴底處底板高0.1 m。

1.3 加載與測試系統

上拔加載裝置包括千斤頂、連接框架、反力鋼梁和反力基座等，加載裝置能力與反力基座滿足相關試驗要求。針對巖石地質，試驗采用快速荷載法進行分級加載，試驗加荷等級由RS-JYC型樁基靜載荷測試分析系統自動控制，具體加卸載方案、加卸載終止條件、極限承載力的確定見相關規程[17]。

測試系統包括壓力測試與位移測試，上拔荷載測試通過壓力表與壓力傳感器獲得，基頂位移通過布置在基頂的位移傳感器獲得，同時,在地面距離基礎中心不同距離處布置位移傳感器測試地表豎向位移。

2 試驗結果分析

2.1 荷載位移曲線

圖2分別為直柱挖孔樁模型、壇子嵌固模型、擴底掏挖模型等挖孔基礎的上拔荷載與基頂豎向位移曲線。加載初期，曲線呈彈性直線段，位移量很小；隨著荷載增大，呈彈塑性曲線段，上拔位移隨荷載呈非線性變化，位移速率明顯增大；隨著上拔荷載持續增加，塑性區逐漸貫通直至基礎破壞，荷載位移曲線出現陡降段，地表微裂縫顯著。

圖2 挖孔基礎的上拔荷載位移曲線Fig.2 Curves of uplift loading-displacement to rock excavate

2.2 地表位移規律

圖3分別為埋深1、3、5 m的壇子嵌固模型挖孔基礎在上拔荷載作用下的地表豎向位移變化曲線。從圖3可以看出，加載初期，地表基本無豎向位移；隨著上拔荷載加大，基礎周圍逐漸出現裂縫，地表豎向位移逐漸增大；當基礎出現破壞時，地表豎向位移增加迅速。

圖3 壇子嵌固模型基礎的地表豎向位移曲線Fig.3 Curves of vertical surface displacement to jar shape embedded model

當地表位移變化顯著時，基礎周圍出現明顯裂縫，表征著基礎即將整體破壞，最終基礎本體與周圍巖土體被整體拔出，基礎發生整體剪切破壞。隨著遠離基礎中心，地表豎向位移迅速降低，如圖3(c)所示，5 m埋深基礎在遠離基礎中心3.5 m位置處基本無豎向地表位移，表明隨著埋深增加，基礎地表裂縫開展范圍不一定發生在45°破裂面上。

2.3 地表裂縫規律

圖4為現場試驗基礎的地表裂縫圖，圖5為現場測繪得到地面裂縫示意圖。由于強風化軟巖節理裂隙發育，地表裂縫呈不均勻狀，基礎立柱周圍巖體裂縫較大，呈發射狀向四周擴散。

圖4 壇子嵌固模型挖孔基礎的地表裂縫圖Fig.4 Surface crack map to jar shape embedded model foundation

圖5 壇子嵌固模型挖孔基礎的地表裂縫測繪圖Fig.5 Measurement drawing map of surface crack to jar shape embedded model

圖6為壇子嵌固模型模型基礎的上拔破壞垂直剖面示意圖，以基礎底部為基準，周圍巖體出現剪切拉伸破壞，裂縫從基礎底部逐漸擴展至地表。

圖6 壇子嵌固模型挖孔基礎的上拔破壞垂直剖面示意圖Fig.6 Schematic diagram of uplift failure vertical profile to jar shape embedded model

2.4 基礎極限承載力

圖7 挖孔基礎的極限承載力、破裂角與埋深的關系Fig.7 Curves of depth-uplift capacity and depth-rupture angle to rock excavated

從圖7可以看出，基礎極限承載力隨著埋深逐漸增大，基本上呈線性狀態，進一步得出基礎的上拔承載力與基礎埋深符合線性關系。對于直柱挖孔樁模式基礎承載力由1 m埋深的250 kN增加到3 m埋深的2 300 kN；對于壇子嵌固模型，基礎承載力由1 m埋深的220 kN增加到3 m埋深的1 600 kN，然后再增加到5 m埋深的3 800 kN；對于擴底掏挖模型，基礎承載力由1 m埋深的290 kN增加到3 m埋深的1 700 kN。

2.5 基礎破裂角

以圖5地面外圍裂縫包圍的范圍作為基礎最終破壞面，進行平均后得到破壞面半徑，再除以埋深得到基礎的破裂角。經計算現場試驗得到的破裂角與埋深的關系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，基礎破裂角隨埋深增加而迅速減小，對于直柱挖孔樁模型基本呈線性狀態，破裂角由1 m埋深的49°降低到3 m埋深的32°；對于壇子嵌固模型，破裂角由1 m埋深的49°降低到3 m埋深的36°，然后迅速降低到5 m埋深的18°，進一步說明破裂角在基礎埋深較淺時上拔影響范圍較大，基礎埋深逐漸增加時上拔影響范圍逐漸縮小，并非一直呈現“45°倒錐體”破裂狀態；對于擴底掏挖模型，破裂角由1 m埋深的52°降低到3 m埋深的37°。

2.6 設計參數反算

地表裂縫位置及破裂角均表明，淺埋狀態下，3類挖孔基礎的上拔破壞狀態均表現為倒錐體破裂面直線型滑動面破壞，只是隨著埋深加深破裂面范圍不同而已。

如圖8所示，當巖石發生倒錐體破裂面直線型滑動面破壞時，根據力學平衡原理，基礎上拔承載力由基礎自身重量與均勻分布于倒圓錐體表面的等代極限剪切應力的垂直分量之和來共同承擔。

圖8 巖石剪切破壞受力示意圖Fig.8 Schematic diagram of rock shear

(1)

R=Rτsy+Gf

(2)

(3)

(4)

將式(2)～(4)代入式(1)可得：

γfTE≤π·ht·(D+httanθ)·τs+Gf

(5)

式中：γf為基礎附加分項系數；TE為基礎上拔承載力設計值；R為巖石基礎本身承受的抗力；Rτsy為倒圓錐體上巖石抗剪強度垂直分量；Gf為基礎本身自重；τs為巖石等代極限剪切強度；θ為巖體等代剪切角，又稱破裂角，即潛在直線型滑動面與基礎間的夾角；S為倒圓椎體的側向表面積；ht為基礎埋深；D為基礎底部直徑。

基礎上拔承載力設計計算時，巖石等代極限剪切強度取值至關重要，該設計參數并非真正的巖石抗剪強度參數指標，也不屬于巖土工程常規勘察中的巖石力學參數，一般難以通過巖土勘察手段直接獲得，電力行業根據原位試驗與經驗給出了建議值。

根據式(5)，通過基礎極限上拔承載力進行反算，得到強風化軟質中巖石等代極限剪切強度取值，如表3所示，進行標準化修正后得到巖石等代極限剪切強度為32 kPa，顯著高于規程[18]取值。

表3 巖石等代極限剪切強度反算值Table 3 Inverse calculation values to rock equivalent ultimate shear strength

2.7 經濟性分析

將基礎能承受的極限上拔承載力，除以基礎自身混凝土用量，得到單位體積混凝土能提供的承載力，分析各模型基礎的經濟性，如表4所示，繪制如圖9所示。

表4 單位混凝土的極限承載力(kN/m3)Table 4 Ultimate uplift capacity of unit concrete volume

相比較而言，直柱挖孔樁模型單位體積混凝土能提供的承載力為260 kN/m3，經濟性差，但施工最為便利，不需要擴底掏挖；壇子嵌固模型單位體積混凝土能提供的承載力為320 kN/m3，經濟性一般，但施工相對復雜，需要逐層加大開挖截面尺寸；而擴底掏挖模型單位體積混凝土能提供的承載力為410 kN/m3，經濟性最優，且隨著埋深增加其承載性能更優，若巖石強度低時可采用機械化旋挖鉆機進行施工，有效提高其施工效率，建議優先選用擴底掏挖模型挖孔基礎。

圖9 不同模型基礎的單位體積混凝土極限承載性能對比Fig.9 Curves of ultimate uplift capacity of unit concrete volume to rock excavated

3 結論

1)風化程度高的輸電線路山區巖石多采用挖孔基礎，基礎結構型式包括直柱挖孔樁模型、壇子型嵌固模型、擴底掏挖模型等。

2)強風化軟巖挖孔基礎現場試驗表明，基礎荷載位移曲線在埋深較淺時呈線性分布，隨著埋深增加呈緩變型分布；基礎極限上拔承載力隨埋深線性增長；基礎破裂角隨埋深迅速降低，但達到一定埋深后破裂角基本維持不變。

3)強風化軟巖挖孔基礎均發生倒錐體破裂面的直線型滑動面破壞。挖孔基礎上拔承載力計算時關鍵參數“巖石等代極限剪切強度”在強風化軟質條件下建議取32 kPa，供設計參考。

4)以單位體積混凝土能承擔的上拔承載力為經濟性評判標準，擴底掏挖模型挖孔基礎有顯著優勢。

參考文獻：

[1] 程永鋒，邵曉巖，朱全軍.我國輸電線路基礎工程現狀及存在的問題[J]. 電力建設，2002，23(3)：32-34.

CHENG Y F，SHAO X Y，ZHU Q J. Current situation of foundation works and existing problems for transmission lines in China[J]. Electric Power Construction，2002，23(3)：32-34.(in Chinese)

[2] 魯先龍，程永鋒.我國輸電線路基礎工程現狀與展望[J]. 電力建設，2005，26(11)：25-27.

LU X L，CHENG Y F. Current status and prospect of transmission tower foundation engineering in China[J]. Electric Power Construction，2005，26(11)：25-27.(in Chinese)

[3] 陳榕，高宇聰，孟憲彬，等. 我國輸電線路基礎型式對比及其適用性分析[J]. 東北電力大學學報，2015，35(6)：77-85.

CHEN R, GAO Y C, MENG X B, et al. Comparison and applicability analysis for foundation types of transmission tower in China [J]. Journal of Northeast Dianli University, 2015, 35(6)：77-85. (in Chinese)

[4] 侯中偉，鄭衛鋒. 特高壓輸電線路巖石錨桿基礎選型與設計[J]. 電力建設，2014，35(10)：64-68.

HOU Z W, ZHENG W F. Type selection and design of rock anchor foundation in UHV transmission line[J]. Electric Power Construction，2014，35(10)：64-68.(in Chinese)

[5] 鄭衛鋒，魯先龍，程永鋒，等. 輸電線路巖石嵌固式基礎抗拔試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2009，28(1)：152-157.

ZHENG W F, LU X L, CHENG Y F, et al. Field uplift testing research on transmission line with rock embedded foundation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009，28(1)：152-157. (in Chinese)

[6] 何洪波. 輸電線路嵌固式巖石基礎抗拔試驗[J]. 電力建設，2007，28(9)：18-20.

He H B. Antilift tests of transmission ine embedded rock foundation [J]. Electric Power Construction，2007，28(9)：18-20.(in Chinese)

[7] 魯先龍，楊文智，滿銀，等. 巖石等代極限剪切強度現場試驗與應用[J]. 建筑科學，2016, 32(Sup2)：51-56.

LU X L, YANG W Z, MAN Y, et al. Field tests and application on equivalent ultimate shear strength of rock mass [J]. Building Science, 2016, 32(Sup2)：51-56. (in Chinese)

[8] 魯先龍，鄭衛鋒，程永鋒，等. 戈壁灘輸電線路碎石土地基全掏挖基礎試驗研究[J]. 巖土工程學報，2009, 31(11): 1779-1783.

LU X L, ZHENG W F, CHENG Y F, et al. Experimental study on excavated foundation of transmission line gravelly soils in gobi area of Northwest China[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(11): 1779-1783. (in Chinese)

[9] 崔強，童瑞銘，劉生奎，等. 基礎尺寸對碎石土地基擴底基礎上拔承載力影響的現場試驗研究[J]. 土木建筑與環境工程，2016，38(6)：17-23.

CUI Q, TONG R M, LIU S K, et al. Experimental analysis of the influence of foundation size parameters on the uplift bearing capacity of the spread foundation in gravel soil [J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2016，38(6)：17-23. (in Chinese)

[10] CHEN J R, CHU T H. Evaluation of uplift interpretation criteria for drilled shaft capacity [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2012, 49:70-77.

[11] QIAN Z Z, LU X L, TONG R M. Uplift load-movement response of bell pier foundations in Gobi gravel [J]. Geotechnical Engineering, 2014, 167(4):380-389.

[12] QIAN Z Z, LU X L, HAN X, et al. Interpretation of uplift load tests on belled piles in Gobi gravel [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2015, 52(7):992-998.

[13] PATTLEY M J, RICHARDS D J, LEHANE B M. Design of shallow foundations under tensile loading for transmission line tower: An overview [J]. Engineering Geology, 2008, 134:531-540.

[14] LU X L, QIAN Z Z, ZHENG W F. Characterization and uncertainty of uplift load-displacement behavior of belled piers [J]. Geomechanics and Engineering, 2016,11(2):211-234.

[15] HESHAM M, NAGGER E K, JIN Q W. Uplift behavior of tapered piles established form model piles [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37(1): 56-74.

[16] 崔強，孟憲喬，楊少春. 擴徑率與入巖深度對巖基挖孔基礎抗拔承載特性影響的試驗研究[J]. 巖土力學，2016，37(Sup2):195-202.

CUI Q, MENG X Q, YANG S C. Experimental investigation of influence of embedment depth and expanding ratio upon ultimate uplift resistance of hole digging foundation in rock [J]. Rock and Soil Mechanics, 2016，37(Sup2):195-202. (in Chinese)

[17] 架空輸電線路基礎設計技術規程：DL/T 5219—2014[S]. 北京：中國電力出版社，2014.

Technical code for design of foundation of overhead transmission line：DL/T 5219-2014[S]. Beijing：China Electric Power Press，2005.(in Chinese)