特高壓輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用研究

譚青海，劉志清，張　達(dá)，鄭衛(wèi)鋒，蘆尚君

（1.青海省電力設(shè)計(jì)院，西寧　810006；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南　250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南　250118；4.中國電力科學(xué)研究院，北京　102209）

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特高壓輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用研究

譚青海1，劉志清2，張達(dá)3，鄭衛(wèi)鋒4，蘆尚君1

（1.青海省電力設(shè)計(jì)院，西寧810006；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南250118；4.中國電力科學(xué)研究院，北京102209）

摘要：隨著特高壓工程快速建設(shè)，線路走廊緊張，途經(jīng)高山或丘陵地區(qū)的線路路徑占比較大，機(jī)械化施工程度高的巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用比例逐步提高。結(jié)合理論研究與現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)巖石錨桿基礎(chǔ)的破壞模式、錨固長度、極限抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值等方面提出建議，為在特高壓工程中的推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：特高壓；輸電線路；巖石錨桿基礎(chǔ)；極限抗拔承載力；錨固長度

1　概述

巖石錨桿基礎(chǔ)是以水泥砂漿或細(xì)石混凝土和錨筋灌注于鉆鑿成型的巖孔內(nèi)形成錨桿，并與承臺(tái)等構(gòu)件組成的基礎(chǔ)型式。與一般常用桿塔基礎(chǔ)比較，屬于經(jīng)濟(jì)環(huán)保型基礎(chǔ)，一方面充分利用巖石的高強(qiáng)度、低變形，可承受較大的豎向拉力和壓力；另一方面，顯著地減小開挖量，且施工機(jī)械化程度高，大大降低了基礎(chǔ)混凝土和鋼材量，工程造價(jià)低，且減少對(duì)環(huán)境的破壞。

巖石錨桿已在220～750 kV輸電線路工程中有一定應(yīng)用，但在特高壓工程中的應(yīng)用還鮮見于文獻(xiàn)。近年來，隨著特高壓工程快速建設(shè)，巖石錨桿基礎(chǔ)已逐漸得到應(yīng)用。為此，針對(duì)特高壓大荷載條件下應(yīng)用巖石錨桿基礎(chǔ)，結(jié)合理論研究與現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)巖石錨桿基礎(chǔ)進(jìn)行分析，為其在特高壓輸電線路工程中的應(yīng)用提供參考。

2　巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1巖石錨桿基礎(chǔ)的破壞模式

輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)的主要破壞模式如圖1所示，包括5種類型［1-3］。

錨筋拉斷破壞。當(dāng)錨桿所受拉力超過鋼筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，錨筋就會(huì)被拉斷。

錨筋和灌漿體間粘結(jié)破壞。當(dāng)鋼筋和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度不足以抵抗所受拉力，鋼筋和灌漿體間就會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞，導(dǎo)致錨筋被拔出。

灌漿體和巖體間粘結(jié)破壞。灌漿體和巖體之間的粘結(jié)強(qiáng)度較低，破壞可能發(fā)生在灌漿體和巖體間，整個(gè)錨固體被整體拔出。

巖體自身剪切破壞。單錨巖體剪切破壞。在錨筋有效錨固段長度不夠時(shí)，錨筋受拔后巖土體產(chǎn)生剪切破壞，錨桿與周圍基巖出現(xiàn)位移或出現(xiàn)倒錐形破壞面，造成巖體破壞錨桿基礎(chǔ)失效。群錨巖體剪切破壞。當(dāng)錨桿之間按規(guī)范間距布置2個(gè)及以上數(shù)量桿體，受拔巖體相鄰區(qū)重疊，整個(gè)抗拔區(qū)體內(nèi)剪切荷載過大時(shí)，就可能造成巖土體的破壞。

圖1　巖石錨桿基礎(chǔ)的破壞狀態(tài)

巖石錨桿基礎(chǔ)主要材料有錨筋和漿體，其按要求澆筑在事先鉆好的巖孔內(nèi)，因此該基礎(chǔ)受力摩擦面有鋼筋與漿體界面、漿體與巖石界面。設(shè)計(jì)錨桿基礎(chǔ)時(shí)，需按圖1所示破壞類型，一一考慮；當(dāng)這5種破壞模式設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定后，它們要滿足“木桶理論”，按最小承載力確定為錨桿基礎(chǔ)的極限抗拔承載力。

2.2巖石錨桿基礎(chǔ)的極限上拔承載力計(jì)算

巖石錨桿基礎(chǔ)的極限上拔承載力如式（1）所示，對(duì)應(yīng)上述5種不同破壞模式，各符號(hào)如圖2所示，各符號(hào)的意義見相關(guān)規(guī)定［1］。

圖2　巖石錨桿基礎(chǔ)極限上拔承載力計(jì)算示意

根據(jù)公式的定義，當(dāng)主要錨筋材質(zhì)、漿體強(qiáng)度確定條件下，錨筋拉斷破壞T1值主要由錨筋直徑?jīng)Q定；錨筋和灌漿體間粘結(jié)破壞T2值由錨筋直徑和有效錨固長度決定；灌漿體和巖體間粘結(jié)破壞T3值主要由基巖風(fēng)化程度、錨桿有效埋深和孔徑?jīng)Q定；單錨巖體剪切破壞T4值由孔深、孔徑和巖體力學(xué)性質(zhì)決定；T5和T4一樣的參數(shù)，但要額外考慮抗拔巖體自重。

2.2.1錨筋抽出破壞設(shè)計(jì)計(jì)算

錨筋和灌漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度τa、灌漿體和巖體間的粘結(jié)強(qiáng)度τb均符合凱爾文問題［4］，對(duì)于這兩個(gè)強(qiáng)度值計(jì)算參考文獻(xiàn)都有詳細(xì)論述，主要與漿體強(qiáng)度、巖石強(qiáng)度有密切關(guān)系。但為了方便工程應(yīng)用，對(duì)其取值依據(jù)理論研究結(jié)果，建立計(jì)算模型，之后在不同試驗(yàn)條件下驗(yàn)證對(duì)τa、τb的取值。

錨筋和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度τa主要由3部分作用力組成：①膠著力，膠著力是鋼筋與混凝土接觸面上的化學(xué)吸附作用力，這種吸附作用力一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區(qū)域起作用，當(dāng)接觸面發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)該力即消失；②摩擦力，摩擦力是混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的阻滑作用力，接觸面的粗糙程度越大，鋼筋與混凝土之間的摩擦力就越大。③咬合力，咬合力是鋼筋表面凹凸不平與混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用力，對(duì)于光圓鋼筋其咬合力很小，對(duì)于螺紋鋼筋咬合力是由于鋼筋肋間嵌入混凝土而產(chǎn)生的。上述3部分力中咬合力起控制作用，因此建議錨筋采用高強(qiáng)度的螺紋筋。

表1為相關(guān)規(guī)范［5-6］中規(guī)定的τa取值標(biāo)準(zhǔn)，該值在建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB 50330—2013、巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程CECS 22—2005、架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程DL/T 5219—2014中，相同點(diǎn)漿體強(qiáng)度越高取值越大，不同點(diǎn)電力行業(yè)規(guī)程沒有按強(qiáng)度等級(jí)分別給出數(shù)值，但總體范圍沒有太大區(qū)別。結(jié)合輸電線路行業(yè)自身特點(diǎn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，τa可根據(jù)水泥砂漿或細(xì)石混凝土的強(qiáng)度等級(jí)取值，C20時(shí)取值2 000 kPa，C30時(shí)取值3 000 kPa。

表1　相關(guān)規(guī)范中的τa取值

文獻(xiàn)研究［7］與現(xiàn)場真型試驗(yàn)［8-12］結(jié)果表明，錨筋抽出破壞狀態(tài)下的最大錨固力出現(xiàn)在9～15 d的深度范圍內(nèi)，分布的最大深度為45～60 d的深度，按直徑40 mm錨筋計(jì)算，主要錨固力位于埋深0.4～0.6 m范圍。錨固力最小位于埋深1.8～2.4 m范圍，因此錨筋并不是越深越好，la可根據(jù)基巖風(fēng)化程度確定，未風(fēng)化或微風(fēng)化時(shí)取25 d，中等風(fēng)化時(shí)取35 d，強(qiáng)風(fēng)化時(shí)取45 d。

2.2.2錨固體抽出破壞設(shè)計(jì)計(jì)算

表2為相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的τb取值標(biāo)準(zhǔn)，通過3個(gè)不同的規(guī)程、規(guī)范比較，并結(jié)合輸電桿塔基礎(chǔ)作用力特點(diǎn)，τb取值偏小，建議適當(dāng)提高。

表2　相關(guān)規(guī)范中的τb取值

在軟巖地質(zhì)條件下，往往才發(fā)生錨固體抽出破壞，不同的軟巖τb的受力情況也不一樣，但有個(gè)受力有效范圍，過短不足以抵抗拉力，過長又比較保守不經(jīng)濟(jì)。考慮桿塔基礎(chǔ)不同于建筑基礎(chǔ)既受拉又受壓的特點(diǎn)，lb可根據(jù)基巖風(fēng)化程度確定，未風(fēng)化或微風(fēng)化時(shí)取25 D，中等風(fēng)化時(shí)取35 D，強(qiáng)風(fēng)化時(shí)取45 D。

2.2.3巖體剪切破壞設(shè)計(jì)計(jì)算

表征巖體發(fā)生剪切破壞的主要參數(shù)是巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs?，F(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中τs取值范圍較大；同時(shí)τs不屬于巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，在工程中無法利用地質(zhì)勘測工作確定其數(shù)值，必須經(jīng)過若干個(gè)巖石剪切試驗(yàn)找出其破壞的規(guī)律，修正不同邊界條件獲得其參數(shù)。

目前，基坑工程、交通工程、房屋建筑等相關(guān)規(guī)范中無τs值；相關(guān)文獻(xiàn)［13-16］提到的巖層抗剪切強(qiáng)度與輸電線路行業(yè)中的τs意義相同，建議堅(jiān)硬巖層的抗剪切強(qiáng)度約等于抗壓強(qiáng)度的1 / 12，τ取值約2 500 kPa；輸電線路工程大量的現(xiàn)場真型試驗(yàn)結(jié)果反算表明，對(duì)于不同風(fēng)化程度的軟硬巖石，τs取值均不大于150 kPa。

鑒于此，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的τs取值嚴(yán)重偏小，設(shè)計(jì)時(shí)可取大值，無經(jīng)驗(yàn)時(shí)建議通過縮比的現(xiàn)場真型試驗(yàn)確定。

3　設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

±800 kV某鐵塔基礎(chǔ)上拔荷載設(shè)計(jì)值為：TE= 1 800 kN，Tx=230 kN，Ty=220 kN；下壓荷載設(shè)計(jì)值為：NE=2 300 kN，Nx=322 kN，Ny=326 kN。地質(zhì)參數(shù)為強(qiáng)風(fēng)化，軟質(zhì)巖石，τa=2 950 kPa，τb=100～200 kPa，τs= 10～20 kPa。

根據(jù)上覆土層厚度及現(xiàn)場地形條件，采用錨筋材質(zhì)HRB400、直徑40 mm、數(shù)量9根，錨桿間距0.5 m，錨固深度6 m，其承臺(tái)底板與立柱尺寸如圖3所示。

設(shè)計(jì)計(jì)算中根據(jù)不同的參數(shù)取值，主要為錨筋與砂漿或細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τb、巖石等代剪切強(qiáng)度特征值τs取值不同，計(jì)算不同破壞狀態(tài)下的上拔承載力計(jì)算匯總，如表3所示。

根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果可知，針對(duì)軟質(zhì)巖石，在強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)下，承臺(tái)式錨樁基礎(chǔ)的上拔承載力計(jì)算控制因素主要為τb、τs的取值，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，選擇恰當(dāng)?shù)摩觔、τs取值。

圖3　初步設(shè)計(jì)的承臺(tái)式錨樁基礎(chǔ)尺寸示意

表3　不同破壞狀態(tài)下的上拔承載力計(jì)算匯總

4　結(jié)語

特高壓工程中采用巖石錨桿基礎(chǔ)，可減少材料用量和施工棄土，降低工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益良好。

在設(shè)計(jì)中，錨筋和灌漿體間的粘結(jié)強(qiáng)度τa可根據(jù)灌漿體強(qiáng)度取2 000～3 000 kPa，受力范圍的計(jì)算長度la可根據(jù)巖石風(fēng)化程度分別取25 d、35 d、45 d；灌漿體和巖體間的粘結(jié)強(qiáng)度τb可根據(jù)巖體硬度與風(fēng)化程度按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)取值，并應(yīng)適當(dāng)提高，受力范圍的計(jì)算長度lb可根據(jù)巖石風(fēng)化程度分別取25 D、35 D、45 D。

強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖條件下錨桿基礎(chǔ)上拔承載力設(shè)計(jì)的控制因素為τb、τs。

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Application Research on Rock Anchor Foundation of UHV Transmission Lines

TAN Qinghai1，LIU Zhiqing2，ZHANG Da3，ZHENG Weifeng4，LU Shangjun1
（1. Qinghai Power Research Institute，Qinghai 810006，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；4. China Electric Power Researcher Institute，Beijing 102209，China）

Abstract:With the quick construction of UHV transmission lines，the share of hilly-mountainous region has more percent in transmission line terrain. Rock anchor foundation has high degree of mechanization construction，and the application proportion gradually increases in the UHV transmission lines project. Based on the theoretical study and field tests，some suggestions about the failure mode，anchored length，design parameters，construction machineries and test detection of rock anchor foundation have been summarized. Research results can offer references for the application of the rock anchor foundation.

Key words:ultra-high voltage；transmission line；rock anchor foundation；ultimate uplift beating capacity；critical anchorage length

中圖分類號(hào)：TM75；TU470

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007－9904（2016）05－0024－04

收稿日期：2016-04-18

作者簡介：

譚青海（1974），男，高級(jí)工程師，從事輸電線路桿塔設(shè)計(jì)工作。