輸電線路巖石嵌固基礎(chǔ)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

洪天，鄭衛(wèi)鋒，葉 超

（1．國網(wǎng)安徽省電力公司，安徽 合肥230022；2．中國電力科學(xué)研究院，北京100192；3．安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽合肥230022）

隨著特高壓工程的快速建設(shè)，輸電線路途徑的山地地形占比越來越多，輸電線路基礎(chǔ)承受的桿塔荷載也越來越大，當(dāng)山區(qū)中遇到風(fēng)化巖石時常采用巖石嵌固基礎(chǔ)［1－7］。

巖石嵌固基礎(chǔ)是指利用機(jī)械或人工在巖石地基中鉆或挖成所需的基坑，將連接錨固件、鋼筋骨架和混凝土直接澆筑于巖石基坑內(nèi)而成的巖石基礎(chǔ)。巖石嵌固基礎(chǔ)主要適用于全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖與強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化軟質(zhì)巖等巖體地質(zhì)中［8］。

巖石嵌固基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包括基礎(chǔ)上拔、下壓、傾覆穩(wěn)定計(jì)算。下壓計(jì)算時，山區(qū)巖石地基的單軸飽和抗壓強(qiáng)度均較高，即使結(jié)合風(fēng)化程度考慮了折減系數(shù)，其巖石地基承載力特征值也較高，抗壓承載力往往滿足設(shè)計(jì)要求；傾覆計(jì)算時，因巖石抗壓強(qiáng)度較高且?guī)r石嵌固基礎(chǔ)立柱截面尺寸大，總體抗水平承載力大，按現(xiàn)有桿塔水平力計(jì)算出來的基礎(chǔ)側(cè)向壓力，均小于巖石的抗壓強(qiáng)度，因此可忽略水平力的作用。因此，巖石嵌固基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定計(jì)算是設(shè)計(jì)控制條件［9－11］。

本文根據(jù)14個場地、62個基礎(chǔ)的現(xiàn)場原位試驗(yàn)成果，分析了巖石嵌固基礎(chǔ)的抗拔承載性能與破壞特點(diǎn)，得到關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)“巖石等代極限剪切強(qiáng)度”取值，供設(shè)計(jì)參考。

1 巖石嵌固基礎(chǔ)上拔承載力計(jì)算

如圖1所示，巖石嵌固基礎(chǔ)在上拔荷載作用下，巖體將發(fā)生直線型或曲線型滑動并將一直延伸到地表。設(shè)虛線所示倒圓錐體為假想潛在破裂面，當(dāng)巖石發(fā)生倒錐體直線型滑動面破壞時，根據(jù)力學(xué)平衡原理，基礎(chǔ)上拔承載力由基礎(chǔ)自身重量與均勻分布于倒圓錐體表面的等代極限剪切應(yīng)力的垂直分量之和來共同承擔(dān)。

圖1 巖石剪切破壞受力示意圖

將式（2）、式（3）代入式（1）可得：

式中：Tu為基礎(chǔ)極限上拔承載力；h為基礎(chǔ)埋深；D為基礎(chǔ)底部直徑；θ為巖體等代剪切角（又稱破裂角）；τs為巖石等代極限剪切強(qiáng)度；G為基礎(chǔ)本身自重；Rτsy為倒圓錐體上巖石抗剪強(qiáng)度垂直分量；S為倒圓椎體的側(cè)向表面積。

巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs并非真正的巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，也不屬于基本巖石地基物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，無法通過常規(guī)巖土工程勘測手段獲得。根據(jù)試驗(yàn)成果，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照計(jì)算模型反算后獲得［12］?，F(xiàn)行規(guī)程［13］給出了不同巖體地質(zhì)條件下巖石等代極限剪切強(qiáng)度的取值范圍，如表1所示。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時，技術(shù)人員多憑經(jīng)驗(yàn)取其下限值，造成不必要的浪費(fèi)。

表1 現(xiàn)行規(guī)程［13］巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值

根據(jù)大量現(xiàn)場試驗(yàn)［9］，巖石破裂角θ可取45°，根據(jù)公式（4）反算巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs：

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2．1 場地地質(zhì)條件

現(xiàn)場試驗(yàn)共包括甘肅白銀、寧夏靈武等14個場地，其地質(zhì)條件簡述如下：

（1）甘肅白銀：巖體為粉砂質(zhì)黏土巖，褐紅色，混有風(fēng)化礫石，裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，結(jié)構(gòu)面以層面、風(fēng)化裂隙為主，約4組結(jié)構(gòu)面將巖體切割為5 cm～20 cm見方的巖塊，結(jié)構(gòu)面平均間距5 cm～15 cm，表層約有0．3 m基巖殘積土，強(qiáng)風(fēng)化層厚約1．0 m～1．5 m，以下呈中等風(fēng)化，產(chǎn)狀近水平，浸水易軟化崩解。

（2）寧夏靈武：巖體為砂巖，灰綠色，碎屑結(jié)構(gòu)，水平層理，節(jié)理裂隙較發(fā)育，全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化。

（3）浙江舟山：巖體為強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化凝灰?guī)r，呈淺黃褐色，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，硬度高，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎成小塊狀，風(fēng)化渲染嚴(yán)重，巖石整體性較差，局部破碎帶夾泥層。單軸飽和抗壓強(qiáng)度65．5 MPa，堅(jiān)硬巖；巖塊波速測定結(jié)果可知，巖體完整程度為破碎。

（4）廣東深圳：巖體為強(qiáng)風(fēng)化混合巖，青灰、灰黃色，原巖結(jié)構(gòu)清晰，裂隙發(fā)育。巖芯呈半巖半土狀及碎塊狀，手可折斷，底部含塊狀，強(qiáng)風(fēng)化較多。

（5）湖北宜昌：巖體為奧陶系微風(fēng)化的石灰?guī)r，現(xiàn)場勘探時用鐵錘錘擊時，鐵錘彈擊力大，并伴有清脆的響聲，勘探人員明顯感覺振手，單軸飽和抗壓強(qiáng)度61 MPa。

（6）陜西勉縣：全風(fēng)化花崗巖，灰黃—灰白色，主要礦物成分為石英、長石、角閃石、云母等，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，夾石英巖脈，裂隙發(fā)育，巖體破碎，厚度一般為0．5 m～2．5 m?；◢弾r全風(fēng)化狀態(tài)呈砂礫狀，強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)手捏易碎，巖體十分破碎，力學(xué)性質(zhì)很差。

（7）陜西略陽Ⅰ：全風(fēng)化千枚巖，灰黃色、銀灰色、灰黑色、青灰色等，礦物成分為石英、絹云母、綠泥石等，具絲絹光澤，變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，夾石英巖脈。千枚巖巖體較破碎，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖多呈碎塊狀，強(qiáng)度較低，且千枚巖具有遇水易軟化的特性。

（8）陜西略陽Ⅱ：強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，呈現(xiàn)灰黑色、青灰色、灰黃色、銀灰色等，礦物成分為石英、絹云母、綠泥石等，具絲絹光澤，變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育—較發(fā)育，巖體破碎—較完整，部分巖層夾石英巖脈。厚度為2．5 m～3．0 m，以下為中風(fēng)化。千枚巖巖體較破碎，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖多呈碎塊狀，強(qiáng)度較低，且千枚巖具有遇水易軟化的特性。

（9）安徽太湖：巖體主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖夾泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖?；尹S色，全風(fēng)化，已風(fēng)化成土狀，鍬鎬易挖掘，干鉆易鉆進(jìn)，可見原巖結(jié)構(gòu)，具可塑性，手捏可碎。

（10）安徽六安：巖體為中等風(fēng)化的石英細(xì)砂巖，細(xì)沙結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，膠結(jié)物以泥質(zhì)為主?；揖G色，遇水稍崩解，粒徑1 cm～5 cm，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性較完整，可取到短柱狀巖樣。

（11）北京房山：巖體為中等風(fēng)化的含砂礫巖，節(jié)理基本為垂直節(jié)理。發(fā)育完整節(jié)理內(nèi)有石英填充，石英層厚度約2 mm～5 mm。巖石呈斑雜色，以紅棕、粉灰、灰色、灰白為主，礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石具礫狀結(jié)構(gòu)，由礫石75%、砂15%～20%、填隙物5%～10%組成。填隙物主要為黏土質(zhì)、硅質(zhì)和鐵質(zhì)。

（12）華北地區(qū)［14］：強(qiáng)風(fēng)化安山巖，小塊有薄層潮濕黏土、易用手折斷。

（13）遼寧地區(qū)［15］：強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，表面遭受強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕，開挖前呈整體狀，開挖后成松散狀。

（14）湖南地區(qū)［16］：灰色、青灰色的灰?guī)r，中等風(fēng)化，硬質(zhì)巖石，夾少量鈣質(zhì)頁巖及波曾灰?guī)r，局部風(fēng)化表面見刀砍狀凹痕。節(jié)理、裂隙發(fā)育，多為張裂隙且均為方解石脈填充，剪裂隙不甚發(fā)育。節(jié)理線密度為8條／m～20條／m，節(jié)理面密度 10條／m2～45條 ／m2。

上述14個不同地質(zhì)條件、不同試驗(yàn)場地的巖體性質(zhì)參數(shù)匯總在表2中。

表2 試驗(yàn)場地的巖體特性匯總表

2．2 試驗(yàn)基礎(chǔ)尺寸

為便于分析，統(tǒng)一圓臺型或直柱擴(kuò)底型巖石嵌固基礎(chǔ)的尺寸與符號，如圖1所示。現(xiàn)場試驗(yàn)的62個巖石嵌固基礎(chǔ)的具體尺寸如表3所示。

2．3 試驗(yàn)基礎(chǔ)荷載位移曲線

與常規(guī)下壓試驗(yàn)的荷載位移曲線不同，巖石嵌固基礎(chǔ)的上拔荷載位移曲線基本呈現(xiàn)“陡變型”規(guī)律［17－18］。在加載初期，基礎(chǔ)位移隨上拔荷載的增加呈線性變化，位移增量非常?。患虞d后期，基礎(chǔ)位移隨上拔荷載的增加而迅速增加，較小的荷載增量即產(chǎn)生較大的位移增量，巖石出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，基礎(chǔ)呈現(xiàn)拔出破壞狀態(tài)。

2．4 巖石等代極限剪切強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定［13］，針對“陡變型”曲線，取相應(yīng)于陡變段起點(diǎn)的荷載值作為豎向極限上拔承載力；針對“緩變型”曲線，取破壞荷載的前一級荷載作為豎向極限上拔承載力，最終獲得14個現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)的極限上拔荷載與對應(yīng)上拔位移，如表3所示。

根據(jù)公式（5），計(jì)算獲得現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)的巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs取值，如表3所示?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，即使針對特定的巖石地質(zhì)條件，巖石等代極限剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值并不是一個固定值，該值大小與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式、基礎(chǔ)尺寸和試驗(yàn)荷載工況等因素相關(guān)。若同一場地只進(jìn)行2個或3個基礎(chǔ)試驗(yàn)則取平均值，超過3組試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)分析。

表3 巖石嵌固基礎(chǔ)尺寸及試驗(yàn)成果

續(xù)表3

結(jié)合現(xiàn)行規(guī)程［13］中表 8．2．4．1 的常規(guī)表述方式，根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度與風(fēng)化程度，對現(xiàn)場試驗(yàn)得到的巖石等代剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τs進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果按照從小到大的順序進(jìn)行排列，如表4所示。

表4 巖石等代極限剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

2．5 巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值建議

根據(jù)上述14個場地、62組現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，同時確保輸電線路桿塔基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，建議巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值按照表5選擇。

表5 巖石等代極限剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值建議

（1）強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖取值：全風(fēng)化軟質(zhì)巖最小試驗(yàn)值為19 kPa，強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖最小試驗(yàn)值為28 kPa，結(jié)合大量勘察單位的反饋，強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖下限取20 kPa；強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖最大試驗(yàn)值為42 kPa，建議強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖上限取40 kPa。

（2）中等風(fēng)化軟質(zhì)巖取值：為與強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖的上限值相匹配，中等風(fēng)化軟質(zhì)巖下限取40 kPa；中等風(fēng)化軟質(zhì)巖最大試驗(yàn)值為103 kPa，但針對巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時若τs取值大于60 kPa，錨桿基礎(chǔ)基本不受到巖體自身剪切破壞模式控制［9］，考慮到輸電線路工程的安全性，中等風(fēng)化軟質(zhì)巖上限取60 kPa。

（3）微風(fēng)化和未風(fēng)化軟質(zhì)巖取值：為與中等化軟質(zhì)巖的上限相匹配，微風(fēng)化和未風(fēng)化軟質(zhì)巖下限同樣取60 kPa。微風(fēng)化軟質(zhì)巖無試驗(yàn)值，考慮到中等風(fēng)化硬質(zhì)巖與微風(fēng)化軟質(zhì)巖的強(qiáng)度相當(dāng)，可按照中等風(fēng)化硬質(zhì)巖的上限來確定。

（4）強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖取值：全風(fēng)化硬質(zhì)巖最小試驗(yàn)值為17 kPa，強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖最小試驗(yàn)值為29 kPa，參考軟質(zhì)巖，建議強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖下限取25 kPa；強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖最大試驗(yàn)值為49 kPa，參考軟質(zhì)巖，建議強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖上限取50 kPa。

（5）中等風(fēng)化硬質(zhì)巖取值：為與強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖的上限相匹配，中等風(fēng)化硬質(zhì)巖下限同樣取50 kPa。中等風(fēng)化硬質(zhì)巖最大值試驗(yàn)值為112 kPa，建議中等風(fēng)化硬質(zhì)巖上限取100 kPa。

（6）微風(fēng)化和未風(fēng)化硬質(zhì)巖取值：為與中等化硬質(zhì)巖的上限相匹配，微風(fēng)化和未風(fēng)化硬質(zhì)巖下限同樣取100 kPa。微風(fēng)化硬質(zhì)巖的最大值試驗(yàn)為568 kPa，考慮實(shí)際情況，建議微風(fēng)化和未風(fēng)化硬質(zhì)巖上限取250 kPa。

與現(xiàn)行規(guī)程［13］中表 8．2．4．1 對比，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果取值顯著高于規(guī)程取值，平均提高幅度50%以上，特別是強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化的巖體剪切參數(shù)的提高，對工程設(shè)計(jì)意義重大。

3 經(jīng)濟(jì)性比較分析

以通用設(shè)計(jì)中桿塔基礎(chǔ)作用力為準(zhǔn)，巖性采用為強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖，分別選用現(xiàn)行規(guī)程［13］中最大值20 kPa與現(xiàn)場試驗(yàn)建議值40 kPa，進(jìn)行巖石嵌固基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析。圖2為巖石嵌固基礎(chǔ)的混凝土材料用量與基礎(chǔ)本體造價對比圖。在相同條件下，采用現(xiàn)場試驗(yàn)建議取值，基礎(chǔ)混凝土材料量降低 10．7%～31．3%左右，基礎(chǔ)造價降低 10．1% ～29．5%左右；且隨著基礎(chǔ)作用力增大，基礎(chǔ)混凝土材料量及造價降低越顯著。

在保證安全的前提下，提高設(shè)計(jì)參數(shù)后的巖石嵌固基礎(chǔ)可有效減少材料用量，減少土石方開挖量，縮短施工工期，經(jīng)濟(jì)效益良好，推廣后其經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著，有效促進(jìn)社會的和諧與進(jìn)步。

圖2 巖石嵌固基礎(chǔ)的材料量與工程本體造價影響分析

4 結(jié) 論

通過14個場地、62組基礎(chǔ)現(xiàn)場真型試驗(yàn)，繪制荷載位移曲線，通過計(jì)算得到了巖石關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)取值，與現(xiàn)行規(guī)程相比，顯著提高了巖石嵌固基礎(chǔ)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)“巖石等代極限剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值”取值，為規(guī)范修編提供技術(shù)參考，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益顯著。

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