巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)試驗(yàn)及應(yīng)用

任宗棟，秦瑋，默增祿，劉泉

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100032)

0 引言

500 kV棲霞—文登送電工程是山東省內(nèi)第1條同塔雙回路的山區(qū)線路，采用4×LGJ－400/35導(dǎo)線，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為30 m/s，最大設(shè)計(jì)覆冰厚度為10 mm。線路全長(zhǎng)119.7 km，山區(qū)段長(zhǎng)36 km。山區(qū)段線路沿線的地質(zhì)沿線上覆地層主要為粘性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等，下伏基巖主要為閃長(zhǎng)巖、花崗巖等。

線路沿線山區(qū)上層巖石風(fēng)化程度嚴(yán)重，多數(shù)呈塊狀，巖石裂隙較為明顯，普通的巖石錨樁基礎(chǔ)不適用于此種地質(zhì)條件［1－5］。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)并進(jìn)行了真型試驗(yàn)。將擴(kuò)底錨樁應(yīng)用于工程中，取得了良好的效果。

1 巖石錨樁基礎(chǔ)的不足及改進(jìn)措施

1.1 巖石錨樁基礎(chǔ)的不足

在山區(qū)，巖石錨樁基礎(chǔ)具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題:對(duì)于上層風(fēng)化嚴(yán)重的強(qiáng)風(fēng)化巖石地區(qū)，普通錨樁基礎(chǔ)因受制于錨樁頂部的位移過(guò)大而不能應(yīng)用;普通巖石錨樁基礎(chǔ)極限承載力裕度較小，并有蠕變等特性，易降低基礎(chǔ)承載力［6－11］。

1.2 改進(jìn)措施

針對(duì)普通巖石錨樁基礎(chǔ)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)，它具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì):充分發(fā)揮了原狀巖體的力學(xué)性能，具有良好的抗拔能力;有效降低工程量，減少施工運(yùn)輸量，綜合造價(jià)低;提高施工機(jī)械化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短施工工期;減小開方、保護(hù)環(huán)境，有利于線路長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

2 巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)的受力分析

巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)的外形見圖1。從圖1中可以看出，巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)是普通巖石錨樁基礎(chǔ)與直柱掏挖基礎(chǔ)形式的組合型基礎(chǔ)，該型基礎(chǔ)與常規(guī)巖石錨樁基礎(chǔ)的不同之處在于基礎(chǔ)下部進(jìn)行了擴(kuò)底。

2.1 基礎(chǔ)承受上拔荷載時(shí)的傳力路徑

巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)在承受上拔荷載時(shí)，其上拔力的傳遞路徑如圖2、3所示。

2.2 提高承載力的措施

分析圖3可知，采取如下措施有利于提高基礎(chǔ)的承載力:(1)選用材質(zhì)良好的地腳螺栓、增大其截面積;(2)擴(kuò)大錨筋的直徑、適當(dāng)增大錨入長(zhǎng)度;(3)改善混凝土與巖石間的受力條件;(4)增大錨樁的擴(kuò)底直徑。

3 荷載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

圖1 巖石擴(kuò)底錨樁的外形Fig.1 Figuration of belled rock-anchor pile foundation

圖2 巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)的傳力路徑Fig.2 Loading path of belled rock-anchor pile foundation

圖3 巖石擴(kuò)底錨樁受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Force diagram of rock-anchor pile foundation

試驗(yàn)分別針對(duì)上部纏繞錨桿技術(shù)和擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)型式進(jìn)行，各項(xiàng)試驗(yàn)依據(jù)DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的附錄I進(jìn)行，主要進(jìn)行了基礎(chǔ)的上拔靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地為低山丘陵地形，地質(zhì)情況為強(qiáng)風(fēng)化的石灰?guī)r。為了便于結(jié)果的對(duì)比分析，在同一地質(zhì)區(qū)域分別按照錨固深度2，3 m各進(jìn)行3組試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的材料規(guī)格:錨桿為Q235級(jí)M60;錨孔直徑φ110 mm;細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。按照標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)后，對(duì)巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，首先加載為設(shè)計(jì)最大上拔荷載的50%，之后按每級(jí)10%的加載量分段加載，每2級(jí)加載之間停10 min，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、讀取。加載至試件出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，即判定錨桿基礎(chǔ)已達(dá)到破壞荷載:(1)錨桿基礎(chǔ)產(chǎn)生突發(fā)性位移或持續(xù)位移;(2)加載設(shè)備已達(dá)到最大量程;(3)基礎(chǔ)或地面有明顯破壞特征(如裂縫、隆起等);(4)錨桿發(fā)生滑移、拔出、拉斷等情況。

3.2 錨固長(zhǎng)度為2 m的試驗(yàn)

表1為錨孔深度取2 m進(jìn)行的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)組1～3的試驗(yàn)參數(shù)分別為:上部錨孔直徑為110 mm;下部錨孔直徑 130，130，110 mm;上部纏繞長(zhǎng)度 0.5，0，0 m;非纏繞錨桿長(zhǎng)度 1.5，2，2 m。圖 4為3組試驗(yàn)的極限荷載－位移曲線。

表1 巖石錨孔深度為2 m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results for rock hole depth being 2 m

圖4 極限荷載－位移曲線(1～3組)Fig.4 Relationship between ultimate loading and displacement(1～3 sets)

從表1及圖4中可以看出，對(duì)于同樣深度的巖石錨桿基礎(chǔ)，試驗(yàn)組2與試驗(yàn)組3相比增加了下部的擴(kuò)底部分，其承載力較試驗(yàn)組3提高了50%，在極限荷載條件下錨桿頂部的位移僅增加了8.1%;試驗(yàn)組1與試驗(yàn)組2相比增加了上部纏繞錨桿技術(shù)，其承載力提高了33%，但是其錨桿頂部的位移僅增加了2.7%;在極限荷載條件下，錨桿試驗(yàn)組1與試驗(yàn)組3相比，增加了下部的擴(kuò)底部分及上部的纏繞錨桿技術(shù)，其承載力提高了100%，其位移僅增加了11%。從上面的分析可以得出，巖孔采用下部擴(kuò)底及錨桿上部采用纏繞技術(shù)后，其承載力較直孔有了較大幅度的提高，但是錨樁的頂部的位移增加較小。

3.3 錨固長(zhǎng)度為3 m的試驗(yàn)

表2為錨孔深度取3 m進(jìn)行的3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)組4～6的試驗(yàn)參數(shù)分別為:上部錨孔直徑110 mm;下部錨孔直徑 130，130，110 mm;上部纏繞長(zhǎng)度1，0，1 m;非纏繞錨桿長(zhǎng)度 2，3，2 m。圖 5 為此3組試驗(yàn)的極限荷載位移曲線。

表2 巖石錨孔深度為3 m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results for rock hole depth being 3 m

圖5 極限荷載－位移曲線(4～6組)Fig.5 Relationship between ultimate loading and displacement(4～6 sets)

從表2及圖5中可以看出，對(duì)于同樣深度的巖石錨桿基礎(chǔ)，試驗(yàn)組4與試驗(yàn)組5相比，增加了上部纏繞錨桿部分，承載力提高了10%，但試驗(yàn)組5的錨桿頂部的位移比試驗(yàn)組4增加了47%，這就表明上部采用纏繞技術(shù)后，在相同荷載條件下位移減小12%，并且可以提高基礎(chǔ)的承載力;試驗(yàn)組4與試驗(yàn)組6相比，增加了下部的擴(kuò)底部分，其承載力提高了20%，相同荷載條件下位移減少約6%。從上面的分析可以得出，巖石錨樁基礎(chǔ)單純采用下部擴(kuò)底的技術(shù)僅能有效提高基礎(chǔ)的承載力并不能有效控制錨樁的頂面位移。只有同時(shí)采用下部擴(kuò)底技術(shù)及上部纏繞錨樁技術(shù)才能達(dá)到完美組合，既能提高基礎(chǔ)的整體承載力，又能很好地控制錨樁的頂面位移。

采用巖石擴(kuò)底錨樁和上部纏繞錨桿技術(shù)后，基礎(chǔ)的極限承載力和設(shè)計(jì)承載力都有了約30%的提升，并且基礎(chǔ)的豎向位移較普通錨樁基礎(chǔ)減少較多，有效減小巖石錨樁的蠕變特性。

4 工程應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)在500 kV棲霞—文登輸電線路中3基塔位進(jìn)行了試用。為了確保工程基礎(chǔ)的安全，在每基基礎(chǔ)附近按照相同技術(shù)條件設(shè)置1個(gè)試驗(yàn)錨樁，并進(jìn)行原位試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:巖石擴(kuò)底錨樁不僅承載力滿足設(shè)計(jì)要求，并且錨樁的柱頂位移小于計(jì)算值，滿足基礎(chǔ)正常使用的要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

將山區(qū)基礎(chǔ)常用的3種基礎(chǔ)形式(直柱板式基礎(chǔ)、直柱掏挖基礎(chǔ)以及巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ))的材料用量及土方量列表進(jìn)行比較，如表3所示。

表3 巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)與直柱板式、直柱掏挖基礎(chǔ)對(duì)比表(5D-SZC2塔型)Tab.3 Comparison of belled rock-anchor pile foundation，pad-chimney foundation and undisturbed soil foundation(5D-SZC2 tower)

由表3可看出，與其他2種基礎(chǔ)比較，巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)可節(jié)省混凝土70% ～80%，節(jié)省鋼筋量30%～90%，且采用巖石基礎(chǔ)開方量約為直柱板式基礎(chǔ)的1/60、直柱掏挖基礎(chǔ)的1/10。因此，在強(qiáng)風(fēng)化巖石條件下應(yīng)優(yōu)先選用巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)并采用上部纏繞錨桿技術(shù)，這樣不僅可以有效降低工程的本體造價(jià)，而且可以大大降低山區(qū)運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁浚瑢⒕€路建設(shè)對(duì)環(huán)境的破壞降到最低。

5 結(jié)論

(1)巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)在強(qiáng)風(fēng)化巖石地區(qū)的適用性較普通的巖石錨樁基礎(chǔ)更好，能夠提高承載力30%以上。

(2)巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)配合上部纏繞錨桿技術(shù)后，能夠有效減小錨樁頂部的位移，減緩巖石裂縫受力后的繼續(xù)發(fā)展。

(3)采用巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)不僅滿足設(shè)計(jì)要求，而且能降低基礎(chǔ)本體造價(jià)70%以上。

(4)采用擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)可提高施工的機(jī)械化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短施工工期，有效降低土石方量，保護(hù)線路沿線環(huán)境，有助于建設(shè)“兩型三新”線路。

［1］程永鋒，邵曉巖，朱全軍.我國(guó)輸電線路基礎(chǔ)工程現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題［J］.電力建設(shè)，2002，23(3):32-34.

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

［3］費(fèi)香澤，程永鋒，蘇秀成，等.華北地區(qū)輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)研究［J］.電力建設(shè)，2007，28(1):26-28.

［4］歐陽(yáng)道庚.輸電線路應(yīng)用巖石基礎(chǔ)的初步分析［J］.電力建設(shè)，1964(8):23-29.

［5］DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［6］張潔，尚岳全，葉彬.錨桿臨界錨固長(zhǎng)度解析計(jì)算［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(7):1134-1138.

［7］秦慶芝，毛彤宇，劉學(xué)軍，等.華北地區(qū)巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［J］.電力建設(shè)，2007，28(4):22-24，33.

［8］程良奎，范景倫，韓軍，等.巖土錨固［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［9］尤春安.錨固系統(tǒng)應(yīng)力傳遞機(jī)理理論及應(yīng)用研究［D］.泰安:山東科技大學(xué)，2004.

［10］嚴(yán)行健.淺述巖石錨樁基礎(chǔ)在輸電線路工程中應(yīng)用和改進(jìn)［J］.中國(guó)電力，1999，32(8):23-29.

［11］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京:中國(guó)電力出版社，2005:530-533.