新疆昌吉中風化泥巖地區錨桿基礎承載試驗研究

劉 衛，王洪濤，劉立軍

(國網新疆電力公司經濟技術研究院，新疆烏魯木齊830013)

0 引 言

新疆地區作為國家“一帶一路”經濟建設核心區，基礎建設發展迅速，高壓輸電線路逐步開始成為電力輸送的主要方式，也是新疆地區經濟建設的重要命脈。相比于傳統形式的輸電線路基礎，錨桿基礎能大量節省混凝土和鋼材的用量，一定程度上降低了工程造價；在施工中基礎開挖量小，減小了對環境的破壞；在承載力上充分利用了巖石強度高、變形小的特征，可承受較大的豎向拔力和水平力[1]。

目前，隨高壓輸電線路的發展，各學者對錨桿技術在不同地區輸電線路中應用進行了研究，用以指導輸電工程的順利實施。費香澤等[2]選取華北地區花崗巖、片巖和灰巖等3種典型巖石，研究了錨桿基礎試驗承載性狀，分析了錨桿基礎承載力的影響因素；吳聶斌[3]對福建地區常見的花崗巖和片麻巖這2種典型巖石，通過現場錨桿試驗得到了巖石錨桿相關設計參數；鄭衛鋒等[4]在遼寧地區中風化硬質巖中進行了復合式錨桿基礎現場試驗，驗證了該基礎在輸電線路中的可行性；馮炳[5]針對強風化凝灰巖進行了一系列單錨和群錨真型試驗；中國電力工程顧問集團中南電力設計院[6]結合糯扎渡—廣東、向家壩—上海、錦屏—蘇南±800 kV直流輸電線路工程，選擇強風化泥質、強風化頁巖、沉積砂巖和老粘土、砂巖進行了系統的單錨和群錨真型試驗；張晨[7]采用現場試驗獲取了華中地區不同地質條件下的巖石錨桿基礎承載力值。

雖然錨桿基礎在我國輸電線路工程中已開始逐步推廣，但新疆地區尚未有成熟工程案例借鑒。基于此，本文選取新疆昌吉典型中風化泥巖，進行單錨和群錨現場真型試驗，獲取該地質條件下錨桿典型設計參數，并進行數值模擬試驗驗證，可為新疆地區輸電電路基礎設計提供參考。

1 試驗概況

1.1 地層巖性

試驗點位于新疆昌吉州，表層為碎石土，厚約20 cm，鉆孔揭露下伏基巖為泥巖，紅褐色，泥質結構，中風化，遇水極易軟化，天然重度為22.5 kN/m3，內摩擦角為40°，粘聚力為30 kPa。該中風化泥巖廣泛分布于新疆昌吉地區。中風化泥巖鉆孔巖芯見圖1。

通過表1的數據和理想數據的對比可以看出,BP神經網絡基本能夠診斷出三電平逆變器中兩個晶體管損壞在交叉橋臂的故障具體位置,而且在實際操作中,這里所用的BP神經網絡算法進行故障診斷時間短,速度快,準確率高,能夠高效迅速的確定故障位置并進行排除。

圖1 中風化泥巖鉆孔巖芯

1.2 現場試驗方案設計

為對該中風化巖石錨桿基礎進行較全面系統的試驗研究，分別進行了單錨和群錨在不同錨固深度下承載力特性研究。試驗布置情況見表1。

基礎錨桿孔徑為90 mm，錨筋類型采用φ36螺紋鋼，型號為Q235鋼體。群錨試驗承臺尺寸為1.2 m×1.2 m×1.0 m，錨桿的間距取4倍錨桿直徑，錨桿采用C30自密實混凝土進行灌注。

表1 錨桿基礎試驗布置

1.3 現場試驗加載方案

教師要重視實驗過程中新生成的探究問題。學生在實驗過程中也許會發現一些新的問題，教師要提醒學生重視這一閃而過的新發現，鼓勵他們深入探究下去，也許會有意想不到的收獲。例如，在探究“紅花檵木紫色葉片中的色素”時，某課題小組發現一個奇怪的現象：紅花檵木紫紅色的葉片，加無水乙醇后變綠色，提取液為濃的墨綠色，但是劃到濾紙條上，等干燥后又變為紅色，研磨用的器皿，殘汁干了也恢復紅色。此時，教師要鼓勵他們查閱資料，尋找原因，并設計實驗檢驗自己的猜測。這樣一個逐步分析、設計實驗尋找真相的過程更能促進學生科學探究能力的提升。

1.4 數值驗證方案

根據提標改造的要求，大浦污水處理二廠出水提標改造后執行一級 A標準，即：COD≤50mg/l；BOD5≤10mg/l；SS≤10mg/l；NH3-N ≤5 （8）mg/l；TN ≤15mg/l；TP≤0.5mg/l。污染物去除率分別為 89%、95%、96%、86%、70%、90%。

圖2 模型整體

2 現場試驗成果

2.1 極限抗拔力

根據拉拔試驗規定，取破壞階段前一級荷載作為錨桿基礎的極限荷載值。不同錨固深度的單錨基礎拉拔極限承載力見表2。從表2可知，在錨深1～3 m時，基礎極限承載力隨錨深增加而增大，但錨深達3 m后基礎極限承載力不再增大，故可取該區單錨抗拔極限承載力為450 kN。

圖3 不同錨深單錨P-S曲線

通過現場試驗，獲取了拉拔試驗下不同錨固深度的單錨基礎荷載-位移(P-S)曲線，見圖3。從圖3可知，拉拔試驗下，單錨基礎位移量隨拉拔荷載增加而增大，在試驗破壞前錨桿位移增長較緩慢，而破壞段基礎位移急劇增大，該破壞具瞬時性。

機械通氣本身會造成肺臟的損傷，由此對機械通氣患者提出了肺保護性通氣概念。在滿足機體氧合與氣體交換的前提下，采取低吸入氧濃度、小潮氣量(6～8 mL/kg理想體重)、個體化的呼氣末正壓(positive end expiratory pressure，PEEP)和必要時手法肺復張[28]。研究顯示：對于全身麻醉下機械通氣的患者，采用肺保護性通氣策略會降低術后肺損傷和肺部感染的發生[29]。強調的是，在低吸入氧濃度基礎上，3種措施聯合應用方可產生有效的保護作用，減少術后肺部并發癥、縮短住院時間[30]。

11○信息資源管理平臺的安全管理。應用安全——基于電子密匙Ukey雙因子認證；系統體系安全——系統技術架構，安全策略控制，安全日志；內容安全——流量統計，訪問控制，頁面靜態處理。

為使試驗結果更加方便應用于實際工程項目，本次單錨試驗按CECS 22—2003《巖土錨桿(索)技術規程》執行。根據確定的最大加載，參考JGJ 106—2003《建筑基樁檢測技術規程》執行。抗拔荷載按預估最大加載量的1/10進行分級，然后按單樁靜載試驗方法進行位移觀測及穩定標準控制，穩定后記錄鋼筋計讀數。在基礎破壞后取上一級加載值作為基礎極限抗拔承載力。

表2 單錨極限承載力成果

2.2 軸力變化規律

試驗中，錨桿隨拉拔荷載變化其軸力也不斷變化，選取最具代表性的錨固深度6 m的基礎為代表，研究其軸力變化規律。錨固深度6 m基礎軸力變化見圖4。從圖4可知，拉拔作用下，錨桿軸力隨錨固深度的增加而減小。在該地質條件下，錨深為1 m時，軸力值和拉拔荷載相差不大；錨深為2 m時，錨桿軸力值大小已不明顯；錨深為3 m時，軸力值幾乎為0。

圖4 錨深6 m基礎軸力變化

2.3 適宜錨固深度

錨深6 m的單錨抗拔極限承載力是450 kN，該群錨極限承載力是3 240 kN，故群錨效應系數η=P群/(P單×n)=3 240/(450×9)=0.8。

2.4 影響范圍研究

為研究單錨拉拔試驗下該區域的影響范圍，試驗時在距試驗點0.5、1.0、1.5 m和2.0 m地面處分別布置2排位移傳感器，對該區域的地面位移量進行實時監控，位移監測計精度0.01 m。根據監測結果，在拉拔試驗下，單錨基礎地面變形影響范圍在1.5～2.0 m左右，故建議單錨基礎試驗保護范圍為2.0 m。

2.5 群錨效應研究

極限荷載下，基礎(以錨深6 m為例)位移分布見圖7。從圖7可知，極限荷載下基礎并非僅錨桿破壞，而是以錨桿為中心形成破壞圓形區域，該區域位移皆在25 mm左右，破壞圓形區半徑約0.58 m。

本文研究了在海洋環境影響下無人艇航向的控制問題。針對由于海洋環境擾動引起的不確定項使無人艇無法精確地跟蹤設定航向的問題，提出一種動態面控制技術和神經網絡相結合的高效航向控制算法。該算法利用RBF神經網絡強大的逼近能力逼近系統的不確定向，并采用基于動態面控制技術設計了航向控制器。在仿真中，以藍信號無人艇作為仿真對象驗證了該方法的有效性，仿真結果證明該算法能夠對無人艇進行精確的航向控制。

拉拔作用下，由單錨基礎極限抗拔荷載值可知，錨固深度達到3 m后，錨固深度增加并不影響基礎極限承載力。因此，從極限荷載值影響角度可得適宜錨固深度約為3 m。由軸力變化規律可知，基礎軸力傳遞至地下3 m處軸力減為0，表明基礎受力影響深度為3 m，從而說明適宜錨固深度為3 m。綜合考慮，推薦新疆昌吉中風化泥巖地區單錨適宜錨固深度為3 m。

圖5 群錨基礎P-S曲線

3 數值試驗驗證

為驗證現場試驗所得規律合理性，本文采用數值試驗方法對單錨基礎現場試驗成果進行驗證與研究。

3.1 極限承載力

以位移量25 mm破壞準則研究單錨基礎極限承載力。不同錨深基礎數值模擬成果與3 m錨桿現場試驗成果對比曲線見圖6。從圖6可知，數值模擬試驗在該地質條件下錨桿基礎極限抗拔力大多在450 kN左右，和現場試驗成果較吻合，而錨深2 m基礎明顯承載力不足，僅為413 kN。

——因地制宜，特色發展。根據區域特點和資源稟賦，以市場為導向，因地制宜，科學規劃，積極開發特色化、差異化、多樣化的鄉村旅游產品，防止大拆大建、千村一面和城市化翻版、簡單化復制，避免低水平同質化競爭。

圖6 基礎極限承載力

在輸電線路中僅靠單錨無法滿足上部荷載的要求，通常選用群錨來承受輸電荷載。因此在單錨試驗的基礎上，進一步試驗群錨基礎承載性能，對輸電線路錨桿基礎設計具有較高的工程意義。群錨基礎設置錨桿根數為9根，錨長6 m，錨桿間距取4倍錨桿直徑。拉拔作用下，3處群錨基礎荷載-位移(P-S)曲線見圖5。從圖5可知，3處群錨基礎抗拔極限承載力分別為3 600、3 240 kN和3 240 kN。前8級加載過程中承臺位移量都很小，到第10級荷載(群1為第11級)位移急劇增大，基礎破壞具突發性，故建議中風化泥巖中該群錨基礎抗拔極限承載力取值3 240 kN。

在現場試驗的基礎上，為進一步驗證試驗結果的合理可靠性，本文利用Midas GTS有限元軟件進行單錨基礎數值模擬驗證試驗，以此來驗證現場試驗成果。通過數值模擬分別研究中風化泥巖條件下單錨基礎的極限承載力、適宜錨固深度和試驗影響范圍。本次模擬巖石基礎模型尺寸長10 m、寬10 m、高15 m。巖石參數取自室內試驗成果：彈性模量10 GPa、粘聚力30 kPa、內摩擦角40°、泊松比0.28。錨桿、砂漿、巖體間設置接觸界面，根據DL/T 5219—2005《架空輸電線路基礎設計技術規程》，以位移量是否達25 mm為數值模擬基礎破壞準則。模型整體見圖2。

圖7 基礎位移分布

3.2 應力分布規律

以錨深6 m單錨基礎為例，極限狀態下基礎應力分布見圖8。從圖8可知，基礎應力分布呈圓環狀，應力值約350 kPa，該環徑約0.45 m，圓環外邊界距圓心2.51 m。

圖8 應力分布

將基礎沿X軸面截開，其應力分布見圖9。從圖9可知，基礎內部應力呈“U”形分布，應力最大值約為700 kPa，應力集中區水平距以模形應力圓環為界，豎向分布深度約6 m到錨桿頂端為止，而錨桿頂部應力值為0，說明該區域巖體已經脫離基礎而遭到破壞，與位移圓形破壞區相符合。綜合數值試驗成果，錨深在1～10 m變化范圍內，應力豎向傳遞范圍在錨深為3～10 m時都為6 m左右。

圖9 X軸截面應力分布

3.3 適宜錨固深度

不同錨深單錨基礎極限承載力在450 kN左右，而在錨深3 m條件下基礎極限承載力為450 kN左右，隨著錨深的增加，極限承載力變化較小，說明適宜錨固深度在3 m左右。數值模擬試驗錨固深度從1 m增加至10 m，應力影響最大水平距穩定在距錨桿中心2.6 m左右，應力集中于地下深度6 m以內，反映適宜錨固深度在3 m左右。綜合考慮，取3 m為該地質條件下適宜錨固深度，與現場試驗相吻合。

3.4 影響范圍研究

數值試驗成果表明，應力影響范圍明顯大于位移影響范圍，故應取應力分布區域判斷基礎是否受試驗擾動。綜合3～10 m錨深應力水平距基本不變規律，取平均應力水平距為2.6 m，略大于現場試驗影響范圍2 m。

4 結 語

本文以新疆昌吉泥巖地區為研究對象，對典型中風化泥巖地區進行了錨桿基礎現場試驗，得出以下結論：

(1)新疆昌吉中風化泥巖地區單錨基礎極限抗拔荷載為450 kN，9根群錨基礎極限抗拔承載力為3 240 kN，群錨效應系數為0.8。

(2)錨桿軸力傳遞深度為3 m，應力分布距錨桿水平距為2.6 m左右，分布深度在地下6 m左右。綜合考慮，建議錨桿適宜錨固深度為3 m。

(3)現場試驗得到的單錨抗拔試驗影響范圍為2 m，數值試驗得到的影響范圍約2.6 m，略大于現場試驗成果。綜合考慮，建議基礎保護范圍為3 m。