考慮施工缺陷的輸電線路承臺式巖石錨桿基礎承載力研究

許維忠 茍明 張力廣 陳忠 陳焰發 閻曉銘

摘 要：基于考慮粘結-滑移的界面本構關系，研究在典型施工質量缺陷條件下承臺式巖石錨桿基礎在上拔荷載作用下的界面破壞過程及抗拔承載力的變化規律。研究表明：考慮施工缺陷情況下，此類基礎與單根錨桿的破壞形式存在差異，且與錨固長度、缺陷部位等因素有關。建議工程中增加錨桿檢測數量，以確保基礎安全可靠。

關鍵詞：承臺式；巖石錨桿基礎；抗拔承載力；質量缺陷

中圖分類號：TU472

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0155-04

Study on bearing capacity of transmission line rock bolt foundation with pile-cap platform considering construction defects

XU Weizhong1，GOU Ming1， ZHANG Liguang1，CHEN Zhong1，CHEN Yanfa1，YAN Xiaoming2

（1.Yichang Electric Power Survey & Design Institute Co.，Ltd.，Yichang? 443000，Hubei China; 2.College of Electrical Engineering & New Energy，China Three Gorges University，Yichang? 443000，Hubei China

）

Abstract：

Based on the bond-slip interface constitutive relation，the interface failure process and the change law of the pulling capacity of such foundation under the uplift load are studied under the condition of typical construction quality defects.The research shows that the failure form of such foundation is different from that of single anchor bolt when considering construction defects，and it is related to anchoring length，defect location and other factors.It is recommended to increase the number of bolt detection in the project to ensure the safety and reliability of the foundation.

Key words：pile-cap platform;rock bolt foundation;pulling capacity;quality defects

承臺式巖石錨桿基礎是山區輸電線路工程中常見的上拔基礎形式。

根據文獻［1］工程錨桿檢測宜采用單錨抗拔驗收試驗，試驗數量不小于錨桿總數的5%，且每基塔應不少于3根。由于受到現場施工和地質條件的影響，可能出現個別錨桿因灌漿不密實等施工缺陷導致該錨桿抗拔承載力不足，從而影響同一承臺下的基礎整體抗拔承載力。目前現有的研究成果大多集中于研究單根錨桿的抗拔承載力［2-3］，對于承臺式錨桿基礎，其可能存在的施工缺陷對整個基礎的抗拔承載力影響規律需要進行專門研究。

為了解決以上問題，采用通用有限元軟件ABAQUS建立數值分析模型，模型由錨桿基礎及周圍的巖體組成，除主柱內箍筋、底板內鋼筋網采用嵌入式布筋外，其余構件均采用實體單元。模型中考慮以下接觸情況：①錨筋與錨固體間（第一界面）的切向粘結接觸；②錨固體與巖體間（第二界面）的切向粘結接觸；③底板底面與巖體間的硬接觸（受拉即脫開）［4-5］。分析過程如下：

（1）結合真實試驗數據對仿真參數進行反演，確定不同巖質、不同界面的粘結-滑移本構關系，并進行驗證；

（2）以四錨桿承臺式錨桿基礎為例，假設當該基礎［6］下個別錨桿因施工缺陷存在脫粘的情況，通過數值仿真，研究以上存在缺陷的錨桿基礎的破壞過程及抗拔承載力規律，為工程提供參考。

1 界面粘結-滑移關系的確定

錨桿的工作原理是通過桿體與錨固體（如細石混凝土）以及錨固體與巖石之間的黏結力將外荷載傳遞到巖土中，利用錨固段首尾兩端的不均勻的拉伸變形，帶動周圍巖土的變形，以抵抗上部傳來的拉力。本文分析過程中采用考慮殘余剪切強度影響的粘結-滑移剪切模型反映界面上的剪切本構關系［7-8］。

結合程序中的粘結接觸模型對各接觸面的本構關系進行定義。可用于描述第一界面，也可以將錨筋和錨固體視為整體，用于描述第二界面。

2 界面粘結滑移關系的驗證

驗證分析基于文獻［8］中的試驗數據進行。該試驗為單根錨桿，錨筋為直徑28 mm 的HRB400級螺紋鋼筋。錨桿全部錨固于中風化花崗巖中，巖石飽和單軸抗壓強度為32.5 MPa。錨桿孔直徑為110 mm，鉆孔深度為3.5 m，灌注M30水泥砂漿。隨著荷載的施加，直至最終破壞。

仿真模型模型除了考慮土體及基礎的自重外，在錨筋上施加沿Z軸方向的上拔力。按實際施工順序進行加載。第一和第二界面的粘結參數參照前文反演結果進行定義。各相鄰接觸界面間設置粘結接觸。

模型最終破壞形式為錨固體被拔出，即發生第二界面破壞，極限抗拔極限承載力為259 kN。試驗得到的抗拔極限承載力為250 kN，表現為壓力加不上，錨頭位移持續上升，錨頭錨固體周圍約15 cm范圍內開裂，錨固體和圍巖有滑移的痕跡。從圖1仿真與試驗得到的荷載-位移曲線相比，極限承載力及位移發展趨勢基本吻合，本構關系及計算方法得到驗證。

3 單錨式巖石錨桿基礎抗拔承載力研究

假定錨筋直徑28 mm，錨桿直徑為90 mm，錨桿錨固所在巖層為強風化軟巖，錨筋和錨固體材料分別采用HRB400鋼筋、C30細石混凝土。錨桿與巖層間極限粘結強度τbu、錨筋與錨固體間的極限粘結強度τau和巖石等代極限剪切強度標準值τs分別取為200 kPa、3 MPa和20 kPa［10-11］。

錨桿錨固長度為3～6 m，分析中通過剔除缺陷范圍內的灌漿體單元，近似模擬局部灌漿不密實等原因引起的施工缺陷。錨桿全長分為4個區段，每段缺陷范圍的灌漿體高度為750～1 500 mm，研究錨桿整體抗拔承載力的變化情況，結果如圖2所示。

以上各情況最終均為錨固體拔出的第二界面破壞，可以看出：當缺陷范圍位于錨固段中部時，其抗拔承載力下降最多，缺陷范圍越位于錨桿兩端，影響程度越小；隨著錨固長度的提高，同樣的缺陷范圍下，缺陷錨桿抗拔承載力降低越少。原因是當缺陷范圍位于錨桿中部時，灌漿體被分為上下兩段，兩段錨固體變形獨立，其整體抗拔承載力遠低于完好錨桿。當錨桿長度達到一定值后，錨固段全長界面剪應力并未充分發揮，當錨桿存在缺陷時，剩余錨固部分也基本能夠充分發揮界面粘結強度，影響較小。

4 承臺式巖石錨桿抗拔基礎承載力分析

輸電線路工程中承臺式巖石錨桿應用廣泛，以常見的四根錨桿承臺［6］為基礎，研究施工缺陷對其整體抗拔承載力的影響規律。

根據上部鐵塔荷載，主柱截面為800 mm圓柱，錨筋直徑28 mm，錨固體直徑為90 mm，間距為660 mm，錨固長度為3～6 m，承臺尺寸為1 200×1 200×400 mm。在錨桿間距大于規范要求條件下，可不考慮群錨效應，按照單根錨桿承載力之和考慮［12］。主柱和承臺分別按照偏心受力及受彎構件分別進行設計和配筋。在滿足承臺嵌巖深度條件下，基礎水平力考慮由承臺承擔，錨桿僅承受上拔力。

4.1 單根錨桿存在缺陷

假定承臺下某一根錨桿因施工缺陷導致抗拔承載力未達到要求，改變缺陷范圍所在區段進行分析，錨桿基礎均呈現第二界面滑移破壞特征，整體抗拔承載力變化如圖3所示。錨固長度為3～4 m，缺陷位于錨桿底部時，出現最低承載力；錨固長度為5～6 m，缺陷位于錨桿中部時，出現最低承載力。

選取錨固長度等于3、5 m兩種情況進行研究，缺陷分別發生在第二、四段。提取該承臺下缺陷錨桿及完好錨桿分別沿著錨桿長度方向第二界面剪應力分布，如圖4、圖5所示。

錨固長度3 m條件下，當缺陷發生在錨桿中部時，達到極限抗拔承載力Pu后，缺陷范圍以下的錨桿，界面剪應力繼續向下延伸，而正常錨桿已開始整體下降（圖4（a））；當缺陷發生在錨桿底部時，缺陷錨桿的錨固長度變短，當基礎達到極限抗拔承載力Pu時，缺陷錨桿界面剪應力已開始整體下降（圖4（b））。由于承臺的變形協調作用，完好錨桿的剪應力峰值出現位置更靠近錨桿頂部，此時基礎極限抗拔承載力Pu更低。

錨固長度5 m條件下，當缺陷部位發生在錨桿中部時，達到極限抗拔承載力Pu時，錨桿上半段界面剪應力已開始整體下降，缺陷錨桿尤為明顯（圖5（a））；當缺陷發生在錨桿底部時，由于有效錨固長度變短，第二界面剪應力發揮更為充分，當達到極限抗拔承載力Pu時，錨桿上半段界面剪應力雖有所下降，但比發生在錨桿中部時降低更少，此時基礎極限抗拔承載力Pu更高（圖5（b））。

4.2 兩根錨桿存在缺陷

當其它條件不變，承臺下存在兩根不合格錨桿時，基礎破壞情況與單根缺陷錨桿類似。錨固長度3～6 m時，最低抗拔承載力約為完好基礎的81%～83%。

原因是缺陷錨桿越多，其軸向變形越大。受到承臺的變形協調作用，完好錨桿更早達到界面剪應力峰值并進入下降階段，導致整體抗拔承載力進一步降低。

4.3 錨桿缺陷對第一界面破壞的影響

當基礎整體發生第一界面破壞時，取錨筋直徑為32 mm，錨固體直徑為110 mm，巖層為中風化層，錨桿與巖層間極限粘結強度τbu、錨筋與錨固體間的極限粘結強度τbu和巖石等代極限剪切強度標準值τs分別取為400 kPa、3 MPa和40 kPa。錨固長度仍為3～6 m。

當承臺下存在一根不合格錨桿時，最低抗拔承載力均發生在缺陷位于錨桿頂部情況下，數值為完好基礎的88%～92%，錨固長度越短，承載力降低越多。

錨固長度3 m，缺陷位于錨桿頂部時（圖6），缺陷范圍以下第一界面剪應力發揮的范圍較為集中。原因是缺陷范圍錨筋變形相對更大，缺陷范圍以下第一界面剪應力更快達到峰值，并迅速進入下降段；缺陷位于錨桿底部（圖7），對錨桿第一界面剪應力發揮影響不大，缺陷錨桿與完好錨桿第一界面剪應力分布基本接近。

當承臺下存在兩根不合格錨桿時，發生第一界面破壞時，基礎整體最低抗拔承載力數值為完好基礎的77%～86%，其規律均與單根錨桿類似。

5 結語

（1）本文基于粘結-滑移模型，對巖石錨桿基礎第一、第二界面破壞進行了仿真分析，通過試驗數據進行了驗證。在此基礎上，得到了含缺陷錨桿的承臺式基礎抗拔承載力的變化規律；

（2）在承臺的變形協調作用下，施工缺陷對承臺式巖石錨桿基礎抗拔承載力的影響隨著缺陷所在位置的不同而變化。對于第二界面破壞情況，錨固長度較短時，缺陷位于錨桿底部影響較大，錨固長度較長時，缺陷位于錨桿中部影響較大，對于第一界面破壞情況，缺陷位于錨桿頂部影響較大，位于底部則基本無影響；

（3）不同錨固長度下，發生第二界面粘結破壞時，帶單根和雙根缺陷錨桿的基礎整體抗拔承載力分別約為無缺陷基礎的88%～90%和81%～83%；發生第一界面粘結破壞時，帶單根和雙根缺陷錨桿的基礎整體抗拔承載力分別約為無缺陷基礎的88%～92%和77%～86%；

（4）外部環境以及施工工藝條件對錨桿基礎承載力影響較大。因此建議在施工中注意錨桿灌漿密實，同時在條件允許的情況下，增加錨桿的檢測數量，每個塔腿至少保證檢測1～2根錨桿，以確保基礎安全可靠。

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