用于砂巖加固的錨桿的承載性能試驗研究

張 琰，鄭衛(wèi)鋒，朱照清

（中國電力科學研究院，北京 100192）

1 引 言

輸電線路工程中巖石地基區(qū)域輸電塔基礎多采用挖孔樁、巖石嵌固等基礎型式。這類基礎可充分發(fā)揮原狀巖體的力學特性，具有良好的抗拔承載性能，但其開挖深度相對較大，開挖過程常需要爆破處理，基礎施工具有難度大、安全風險高、對環(huán)境破壞大等缺點。巖石錨桿基礎是通過砂漿或細石混凝土等膠結材料，將錨筋錨固于鉆鑿成型的巖孔內形成錨桿，并與承臺構成的輸電塔基礎，可承受較大的上拔和水平荷載，能充分利用基巖的堅固性和錨筋抗拉承載力高的特點，與其他巖石基礎型式比較，具有減少開挖量、節(jié)省混凝土、降低工程造價、安全環(huán)保等優(yōu)點，具有顯著的經濟效益和社會效益。

在某±800 kV特高壓直流輸電線路工程中，其沿線經過中風化砂巖地基，基礎作用力較大，采用巖石錨桿基礎可充分利用原狀巖基承載力高、變形小的工程力學性能，也符合環(huán)境保護的要求。但由于設計、施工和運行經驗較欠缺，而且現行規(guī)范[1]僅適用于新建的35～500 kV架空送電線路桿塔的基礎設計，以往的設計與施工也無750 kV及以上電壓等級的經驗可供參考，現有研究成果[2－4]對砂巖地基群錨基礎的承載特性和破壞機制等也涉及不多。

本文針對中風化砂巖地基開展巖石錨桿基礎現場足尺試驗研究，分析單錨和群錨基礎的破壞模式和承載性能，通過測試錨筋應變，研究錨桿基礎的內力分布規(guī)律和有效錨固深度，研究成果可為巖石錨桿基礎在特高壓輸電線路桿塔基礎中的設計與應用提供依據和參考。

2 試驗概況

2.1 工程地質條件

本次現場試驗場地位于寧夏回族自治區(qū)靈武市郊區(qū)某風電場內。場地附近地表覆蓋層為粉細砂層，其下為厚層砂巖。巖石的主要物理力學性質指標見表1。

表1 巖石的主要物理力學性質指標Table 1 Physico-mechanical properties of rock

為了測定試驗場地巖石軟硬程度，對現場收集的巖石樣品進行了巖石點荷載強度測試，如圖1所示。換算得到巖石單軸飽和抗壓強度Rc=46.8 MPa。根據《工程巖體分級標準》[5]，巖石堅硬程度可判定為較堅硬巖。

圖1 巖石點荷載強度測試照片Fig.1 Photo of point load strength test

為了測定試驗場地巖體的完整程度，在現場進行巖石彈性波速測試，如圖2所示。得到巖石完整性指數Kv=0.17。根據分級標準[5]，巖體完整程度可判定為破碎。

圖2 巖石彈性波速測試照片Fig.2 Photo of rock elastic wave velocity test

2.2 試驗方案

本次試驗共設計了單錨基礎6組（每組2個平行試驗），4樁承臺式群錨基礎3個，8樁承臺式群錨基礎2個。單錨基礎和4樁承臺式群錨基礎為純上拔試驗，8樁承臺式群錨基礎為上拔+水平復合荷載試驗。錨筋材質均為HRB400螺紋鋼，錨筋直徑均為36 mm，錨孔直徑均為100 mm，錨孔內均灌注C30細石混凝土，加入適量膨脹劑。試驗基礎詳細統(tǒng)計情況見表2、3。

表2 單錨基礎統(tǒng)計Table 2 Statistics of single anchor foundation

表3 群錨基礎統(tǒng)計Table 3 Statistics of group anchor foundation

2.3 試驗加載裝置

（1）單錨基礎上拔試驗加載系統(tǒng)

單錨基礎的上拔試驗采用橫梁式加載，加載系統(tǒng)主要由張拉穿心千斤頂、橫梁、上下墊板以及反力支座構成[6]。

（2）群錨基礎上拔+水平復合加載系統(tǒng)

群錨基礎上拔加載系統(tǒng)主要由傳力螺桿、分離式油壓千斤頂、橫梁、反力支座以及錨筋連接板構成。群錨基礎水平加載系統(tǒng)主要由反力基礎、分離式油壓千斤頂、傳力鋼梁以及弧面轉平面裝置構成，見文獻[7]。

2.4 試驗測試系統(tǒng)和加載方案

采用RS-JYC型樁基靜載荷測試分析儀自動采集和分析荷載與位移的關系，同時采用DH3816應變測量儀自動采集和分析加載過程中錨筋的變形情況。

試驗采用慢速荷載維持法，在現場試驗過程中可以根據以往類似經驗，對加載初期的低荷載采用快速荷載法。具體加卸載方法、加卸載終止條件、極限承載力的確定方法見相關規(guī)范[8]。

3 單錨基礎試驗結果分析

3.1 基礎破壞模式分析

巖石錨桿基礎的破壞模式是其與基巖相互作用的外在表現之一，直接反映基礎的承載特性，是基礎承載力和其他設計參數的取值依據。在上拔荷載作用下，受錨桿深度、基巖性質、錨筋特性、施工質量等因素的影響，單錨基礎存在錨筋拉斷破壞、錨筋被拔出破壞、錨樁被拔出破壞和基巖整體剪切破壞4種可能的破壞模式[1]。本次試驗中出現了錨筋被拉斷和錨樁被拔出兩種典型的破壞模式，見圖3。

圖3 單錨基礎典型破壞模式照片Fig.3 Photos of typical failure mode of single anchor foundation

3.2 基礎抗拔承載特性分析

不同埋深的單錨基礎試驗上拔荷載-位移曲線關系如圖4所示。圖中，基礎位移指錨筋頂部豎向位移。由圖可知，錨固深度為0.5 m的單錨基礎的極限抗拔承載力為240 kN，錨固深度大于等于1.0 m的單錨基礎的極限抗拔承載力均為500 kN。錨固深度為0.5 m的單錨基礎的抗拔極限承載力明顯小于其他埋深的基礎，主要是由于其發(fā)生了錨樁拔出破壞，極限抗拔承載力由錨樁側摩阻力決定，而當錨固深度大于等于1.0 m時，單錨基礎均發(fā)生錨筋拉斷破壞，此時極限抗拔承載力由錨筋本身強度決定，故其極限抗拔承載力變化不大。

圖4 單錨基礎上拔荷載-位移曲線Fig.4 Uplift load-vertical displacement curves of single anchor foundation

本次試驗中埋深大于等于1.0 m的單錨基礎加載過程均表現為錨筋被拉斷破壞，表明巖體對錨固體的抗剪強度及混凝土對錨筋的黏結力均大于錨筋本身強度，在試驗場地巖性條件和基礎尺寸條件下單錨基礎的極限抗拔承載力主要取決于錨筋本身強度。

3.3 錨筋內力分布規(guī)律分析

錨筋承載特性是巖石錨桿基礎內部承載特性的最直接體現，試驗加載過程中通過監(jiān)測預先設置在錨筋不同埋深位置處的應變片的數據變化，可以得到錨筋的內力分布規(guī)律。錨固深度分別為3.0 m和4.5 m的單錨基礎的錨筋內力在試驗加載過程中的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 錨筋內力分布Fig.5 Internal force distribution of anchor bar

從圖5中可以看出，隨著錨固深度增加，錨筋內力值在快速降低，埋深超過2.5 m處的錨筋內力均小于本級荷載的10%，因此可以判定本次試驗場地砂巖地基錨筋的有效錨固長度為2.5 m。

4 群錨基礎試驗結果分析

本次試驗進行了3個2×2承臺式群錨基礎的豎向上拔靜載荷試驗。為了更加真實地模擬輸電線路桿塔基礎的受力狀況，還進行了2個8樁承臺式群錨基礎的上拔+水平復合工況靜載荷試驗。

4.1 基礎破壞模式分析

2×2承臺式群錨基礎的破壞模式均為錨筋被拔出破壞，基礎破壞時的典型照片見圖 6。圖 6(a)為群錨基礎破壞后被拔出的整體效果照片，圖6(b)為基礎破壞后在底部拍攝的錨筋被拔出的照片。

圖6 2×2承臺式群錨基礎破壞模式照片Fig.6 Photos of failure mode of 2×2 group anchor foundation

由于8樁承臺式群錨基礎承臺嵌巖較深，故無法直接觀測到基礎的破壞情況。根據群錨基礎在上拔+水平荷載作用下的受力分析可知，其破壞模式為受上拔作用較大側的錨筋被拔出或拉斷破壞。

4.2 基礎抗拔承載特性分析

2×2承臺式群錨基礎豎向上拔靜載荷試驗的荷載-位移曲線如圖7所示，試驗結果見表4。

圖7 2×2承臺式群錨基礎上拔荷載-位移曲線Fig.7 Uplift load-vertical displacement curves of 2×2 group anchor foundation

表4 2×2承臺式群錨基礎上拔試驗結果Table 4 Results of uplift test of 2×2 group anchor foundation

由表4可知，當錨筋的錨固深度均小于有效錨固深度且承臺嵌巖深度同為 0.5 m時，群錨基礎Q1.5-A比Q0.5錨固深度增加1.0 m，其極限抗拔承載力提高了1 700 kN；當錨固深度同為1.5 m時，群錨基礎Q1.5-A比Q1.5-B承臺嵌巖深度增加0.5 m，其極限抗拔承載力提高了1 050 kN。根據承臺尺寸可計算得到巖石與混凝土的側摩阻力為525 kPa。由此可知，2×2承臺式群錨基礎在純上拔荷載作用下，當錨固深度小于有效錨固深度時，增加錨固深度能夠有效提高基礎的極限抗拔承載力，同時由于基礎混凝土與巖石之間側摩阻力的作用，增加承臺嵌巖深度也能大幅提高基礎的極限抗拔承載力。

8樁承臺式群錨基礎上拔+水平復合工況靜載試驗上拔荷載-位移曲線和水平荷載-位移曲線分別如圖8、9所示，試驗結果見表5。

圖8 8樁承臺式群錨基礎上拔荷載-位移曲線Fig.8 Uplift load-vertical displacement curves of 8 piles group anchor foundation

圖9 8樁承臺式群錨基礎水平荷載-位移曲線Fig.9 Horizontal load-vertical displacement curves of 8 piles group anchor foundation

表5 8樁承臺式群錨基礎上拔試驗結果Table 5 Results of uplift test of 8 piles group anchor foundation

由表5可知，由于8樁承臺式群錨基礎的錨固深度均大于有效錨固深度，故可不考慮錨固深度對基礎極限抗拔承載力的影響。8樁承臺式群錨基礎在上拔+水平復合荷載作用下，基礎的極限抗拔承載力隨承臺嵌巖深度增加而增加。根據承臺尺寸可計算得到巖石與混凝土的側摩阻力為131 kPa，約為2×2承臺式群錨基礎在純上拔荷載作用下計算得到的巖石側摩阻力的 1/4，主要是由于水平荷載的存在，導致承臺上拔過程中發(fā)生水平方向的位移，從而降低了巖石側摩阻力的發(fā)揮。

8樁承臺式群錨基礎在上拔+水平復合荷載作用下，當基礎發(fā)生上拔破壞時基礎頂部水平位移均未超過 10 mm，因此群錨基礎在上拔+水平復合荷載作用下，水平荷載不是基礎發(fā)生破壞的控制因素。對比2×2承臺式群錨基礎Q1.5-A與8樁承臺式群錨基礎Q3.0上拔靜載荷試驗結果可知，兩者承臺嵌巖深度同為 0.5 m，后者的錨桿數量和錨固深度均為前者的2倍，但后者的極限抗拔承載力僅為2 100 kN，比前者的極限抗拔承載力2 800 kN小了25%，可見水平荷載的存在大大削弱了承臺式群錨基礎的抗拔承載性能。

5 結 論

（1）錨固深度為0.5 m的單錨基礎的上拔破壞模式為錨樁被拔出破壞，錨固深度為1.0、1.5、3.0、4.5 m的單錨基礎的上拔破壞模式均為錨筋拉斷破壞，基礎的極限抗拔承載力由錨筋本身強度決定。單錨基礎的有效錨固深度為2.5 m。

（2）2×2承臺式群錨基礎在上拔荷載作用下，基礎的破壞模式均為錨筋被拔出破壞。當錨固深度小于有效錨固深度時，增加錨桿的錨固深度和承臺嵌巖深度能夠有效提高基礎的抗拔承載性能。

（3）8樁承臺式群錨基礎在上拔+水平復合荷載作用下，基礎的破壞模式為受上拔作用較大側的錨筋被拉斷或拔出破壞。水平荷載不是基礎發(fā)生破壞的控制因素，但水平荷載的存在大大削弱了承臺式群錨基礎的抗拔承載性能。

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