淺析巖石錨桿基礎與小型樁基礎在粉砂巖地基中的應用邊界

何蘭寬 徐明鳴 杜海強 陳 路

（中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙 410000）

山區輸電線路工程基礎開挖一般采用人工作業。隨著社會經濟的發展，輸電線路基礎開挖機械化作業的需求進一步提升。受限于輸電線路工程“長距”及“點性施工”的特性，施工機械以小型機械為主，包括錨桿鉆機、小型旋挖鉆機等；相應的基礎包括巖石錨桿、小型樁、變截面樁、樁錨基礎等。本文對巖石錨桿基礎與小型樁基礎計算模型進行分析，以粉砂巖為圍巖邊界條件，通過對巖石錨桿基礎與小型群樁基礎的計算進行對比，定量獲得巖石錨桿基礎與小型樁基礎在粉砂巖層中應用邊界，對拓寬巖石錨桿應用范圍，提高輸電線路基礎機械化施工程度具有積極意義。

1 概述

錨桿基礎是一種可用于直接建造在基巖上的柱基以及承受拉力或水平力較大的建筑物基礎，通過水泥砂漿或細石混凝土在巖孔內的膠結，使錨筋與巖體結成整體[1]。錨桿形成的支護體系廣泛應用于巖石巷道支護[2]，基坑支護以及邊坡支護等[3-4]。輸電線路工程中錨桿直徑一般不大于150 mm，適用于風化程度較低的完整巖石。

小型樁指樁徑為200～400 mm，采用鉆孔、強配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁[5]，頂部通常設置混凝土承臺及承臺柱，形成剛接體系，與小型群樁共同承擔上部荷載。小型樁適用于無地下水的硬塑、或強、全風化巖石地基。

對于巖石完整性較好的中風化巖石地基，上覆土層較薄時選用巖石錨桿基礎；巖石完整性較差、巖石風化程度高或上覆土層較厚時選用小型樁基礎。該選型原則主要基于基坑成孔的難易程度，機械掘進設備功率高低以及對地基巖性的定性判斷。以此原則作為基礎選型的判斷依據，設計可操作性強，但精細化程度不高。

巖石的完整性或巖石的風化程度，其最終對應的巖石屬性可以用巖石的單軸抗壓強度或彈性模量進行表征。錨桿是一種柔性結構，在巖石地基中不承擔水平抗力，從剛度分配的原則方面定義，所有水平抗力均由錨桿上端承臺提供。巖石錨桿的應用范圍限定于較硬巖石，通過圍巖條件為基礎提供有效的水平抗力。從實際施工工藝及巖石錨桿抗拔破壞形式分析，錨桿注漿后錨筋與周邊巖體形成“樁-巖”體系，理論上錨桿體也應提供相應的水平抗力。

對小型群樁，其抗拔力、抗壓力及水平抗力均由樁體及樁土體系共同提供，上端承臺提供剛性連接。由于群樁的構造要求，在相同地基條件下小型群樁基礎工程量遠大于巖石錨桿基礎工程量。通過分析巖石錨桿基礎與小型樁基礎計算模型，結合特定基巖條件（粉砂巖）進行計算對比，對提高輸電線路工程巖石錨桿基礎應用范圍具有較高的參考價值。

2 巖石錨桿基礎計算模型

輸電線路基礎上部荷載主要包括上拔荷載、下壓荷載及水平荷載，受鐵塔的受力特性影響，上拔荷載通常為控制荷載，根據現行巖石錨桿設計規程[6]。巖石錨桿基礎承載力設計包括錨筋抗拉強度設計、錨筋與錨固劑間的黏結承載力設計，錨桿與巖土層間的極限黏結承載力設計以及巖體抗剪極限承載力設計。錨桿桿體不參與基礎下壓承載力計算。群錨基礎承臺有效嵌巖深度不小于0.5～0.8 m時，可不考慮水平力對錨群的影響。

3 小型樁基礎計算模型

輸電線路小型樁基計算模型與大直徑灌注樁計算模型基本一致，與大直徑灌注樁尺寸效應差異，小型樁抗拔系數取值有所不同。

考慮與輸電線路樁基應用的一致性，本文暫不考慮后注漿工藝對樁基計算的影響。根據現行輸電線路基礎設計規程[1]，小型樁承載力設計主要包括樁頂效應計算、下壓承載力設計及上拔承載力設計。

4 粉砂巖地基特性

粉砂巖主要由粉砂碎屑組成，屬于沉積巖，粉砂粒徑為0.062 5～0.003 9 mm，粉砂含量一般大于50%，該類巖石分布極為廣泛，因其地質沉積年代遠近或風化程度的高低，其物理硬度涵蓋范圍包括極度軟至堅硬。

在同等中風化條件下，泥質粉砂巖單軸飽和抗壓強度一般小于30 MPa，鈣質粉砂巖單軸飽和抗壓強度一般介于30～60 MPa，鐵錳質粉砂巖單軸飽和抗壓強度或可大于60 MPa。采用粉砂巖地基作為巖石錨桿與小型群樁的分析邊界，其適用范圍廣、代表性強，是一種相對理想的巖石地基。根據資料及經驗，均質巖石單軸抗壓強度與彈性模量呈線性關系[7]，線性常數為350。

巖石錨桿基礎與小型群樁基礎均采用C30級混凝土，對不同單軸抗壓強度粉砂巖參數取值如表1所示。

表1 典型粉砂巖地層物理參數

5 計算分析

5.1 計算邊界條件

一般工程中巖石錨桿桿體直徑范圍為90～140 mm，取120 mm為典型計算錨徑，小型樁基樁徑200 mm。在上拔荷載下，錨桿的主要破壞形態為巖體剪切破壞，樁的主要破壞形態為樁土界面滑移破壞。故本次計算分析關注點主要為樁、錨的計算長度以及無承臺約束條件下錨頂位移的變化。

5.2 極限狀態下單樁與單錨計算長度分析

根據上述邊界條件，計算不同單軸抗壓條件下粉砂巖中單錨及單樁計算長度，如圖1所示。

圖1 單錨與單樁計算長度

由圖1可知，因計算模型差異，小樁計算長度顯著大于錨桿計算長度。隨著巖石硬度增加樁長與錨長比值逐漸加大，ftk=20 MPa時，兩者比值出現峰值，逐步降低至1.84左右。這是因為，隨著ftk增加（巖石風化程度減弱），錨桿最小構造長度發生變化。

5.3 位移分析

已知粉砂巖體彈性模量與其單軸抗壓強度呈一定線性關系，故可假定水平荷載在一定區間內錨桿為彈性體，與樁體一致，可采用水平抗力系數的比例系數m確定錨頂水平荷載與位移的關系。按輸電線路荷載特點，取水平荷載分析范圍為10～120 kN，計算結果如圖2所示。

圖2 水平荷載下錨頂位移

目前輸電線路中樁基位移限值一般取6 mm。由圖2可知，在不同荷載下，隨著巖石單軸抗壓強度增加，錨頂位移由19 mm遞減至1 mm左右。在6 mm位移限值附近，巖石最小單軸抗壓強度為13 MPa，對應荷載10 kN；巖石最大單軸抗壓強度為48 kPa，對應荷載120 kN。

由此可推測，當錨桿剛度一定的情況下，小負荷對應軟基巖、大負荷對應硬基巖，錨桿與巖體聯合體存在一個區間，從計算上滿足規程對樁頂位移限值的要求[1]。

6 結語

（1）巖石錨桿基礎計算模型可充分發揮巖體與錨桿的承載力優勢，在不考慮錨桿頂部水平荷載情況下，從極軟巖至堅硬巖石，錨桿計算埋深、直徑乃至混凝土用量都顯著優于小樁基礎。輸電線路工程中的永久拉線基礎，樁頂拉線基礎等不考慮水平力的巖石基礎，均可采用錨桿，優化工程量。

（2）假定在一定荷載區間內，錨桿與巖石共同組成彈性體，在錨頂位移限值一定的情況下，可求解出不同水平荷載下巖石對應的單軸抗壓強度限值。由計算分析推測，在輸電線路工程中，若基礎上部水平荷載較小，錨桿一定程度可以承擔部分水平荷載，群錨承臺嵌入強風化巖層，即可滿足水平位移限值要求，提高巖石錨桿應用范圍用以替代小型樁基礎。該結論尚需通過原位試驗進行驗證。