基于粘結(jié)-滑移模型的新型輸電線路裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

陳忠　茍明　許維忠　張力廣　楊先杰　閻曉銘

摘 要：新型輸電線路裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)由預(yù)裝地腳螺栓的預(yù)制柱、預(yù)制底板、連接鋼板和錨筋，通過(guò)灌漿形成整體。有限元仿真考慮了材料非線性，建立了第一、二錨固界面的粘結(jié)-滑移模型，研究了基礎(chǔ)在上拔及水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果顯示：基礎(chǔ)滿足承載力要求，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及相關(guān)構(gòu)件保持彈性狀態(tài)，具有傳力直接有效、施工質(zhì)量好、進(jìn)度快、易于后期模塊化預(yù)制等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還編制了系列通用設(shè)計(jì)圖、施工方案及智能配置程序。

關(guān)鍵詞：裝配式基礎(chǔ)；預(yù)制柱；巖石錨桿；連接鋼板；粘結(jié)-滑移

中圖分類(lèi)號(hào)：TU472；TQ177.6+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）06-0052-04

Research of a new prefabricated rock bolt foundation design for transmission lines based on bond-slip model

CHEN Zhong1，GOU Ming1，XU Weizhong1，ZHANG Liguang1，YANG Xianjie1，YAN Xiaoming2

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

Abstract：The new type of prefabricated rock anchor foundation consists of prefabricated columns with anchor bolts，prefabricated bottom plates，connecting steel plates and anchor bars，which are integrated by grouting.In the finite element simulation，the material nonlinearity of the anchor bars was considered，the bonding and slip models of the first and second interfaces of the anchor bars were established，and the mechanical response of the foundation under uplift and horizontal load was studied.The results showed that： the foundation met the bearing capacity requirements，the key nodes and related components maintained the elastic state，with direct and effective force transmission，easy modular prefabrication，good construction quality，fast progress and other advantages.Also，a series of general design drawing，construction scheme and intelligent configuration program had been compiled.

Key words：prefabricated foundation;prefabricated column;rock bolt;connecting steel plate;bond slip

巖石錨桿基礎(chǔ)是山區(qū)輸電線路工程中常見(jiàn)的基礎(chǔ)形式。它是將錨筋置于機(jī)械成型的巖孔內(nèi)并灌注細(xì)石混凝土或水泥砂漿，以承受上拔力。根據(jù)受力需要分為直錨式和承臺(tái)式。其中承臺(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)是待錨桿施工完畢并驗(yàn)收合格后，依次進(jìn)行承臺(tái)及上部主柱支模、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)等工序后，最終拆模立塔，現(xiàn)場(chǎng)人工作業(yè)較多，工期較長(zhǎng)，加之受到施工場(chǎng)地及山區(qū)條件等限制，質(zhì)量較難保證［1-2］。

根據(jù)施工技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、智能化的要求，結(jié)合湖北地區(qū)多山地、巖石埋深淺的地質(zhì)情況，研究提出了一種新型的輸電線路裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)，在進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析的基礎(chǔ)上，編制了相應(yīng)的系列化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集及智能配置軟件，實(shí)現(xiàn)了快速選型、工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配、分段拼接，達(dá)到了使用便捷、智能高效、保證質(zhì)量、節(jié)約工期的良好效果。

1 裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)簡(jiǎn)介

1.1 整體構(gòu)成

新型輸電線路裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)由預(yù)裝地腳螺栓的預(yù)制鋼筋混凝土主柱、連接鋼板、預(yù)制鋼筋混凝土底板及錨桿等構(gòu)件組成，如圖1、圖2所示。預(yù)制柱中的縱向鋼筋、地腳螺栓在連接鋼板以下，錨筋在連接鋼板以上均通過(guò)雙螺母固定，連接鋼板預(yù)先開(kāi)孔。預(yù)制柱與預(yù)制底板之間設(shè)置一定厚度的灌漿層，將以上各個(gè)構(gòu)件與巖層緊密結(jié)合起來(lái)，同時(shí)起到防銹保護(hù)的作用。預(yù)制底板四周預(yù)留開(kāi)槽，便于灌漿層預(yù)制模板條的固定。

1.2 施工順序

裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)施工順序：基礎(chǔ)分坑→基面處理→錨桿鉆孔、錨筋就位、灌漿、養(yǎng)護(hù)→錨桿驗(yàn)收合格→預(yù)制底板安裝→預(yù)制柱與連接鋼板螺栓固定→預(yù)制柱吊裝到位→錨筋與連接鋼板螺栓固定→鋪設(shè)灌漿層鋼筋網(wǎng)→預(yù)制底板四周插入預(yù)制模板條→灌漿至設(shè)計(jì)標(biāo)高→混凝土養(yǎng)護(hù)→清理、完工。

1.3 裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法

裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)中，預(yù)制主柱和預(yù)制底板分別按照偏心受力及受彎構(gòu)件分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于錨桿部分，在保證規(guī)范構(gòu)造要求的前提下，保證錨筋強(qiáng)度、錨筋與錨固體間（第一界面）和錨固體與巖體間（第二界面）的粘結(jié)，以及巖體不發(fā)生破壞［3-4］。

裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)上部荷載主要通過(guò)連接鋼板向下傳遞，連接鋼板同時(shí)連接了地腳螺栓、錨筋及預(yù)制柱縱向鋼筋，可參照鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板進(jìn)行設(shè)計(jì)。即按照柱腳底板下的混凝土基礎(chǔ)反力和底板的支承條件，以及按照承受錨筋拉力二者分別計(jì)算的底板厚度取大值［5］；工程中也可采用有限元法進(jìn)行計(jì)算分析確定［6］。

2 有限元模型及主要參數(shù)

2.1 分析模型

分析模型采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立。模型由裝配式錨桿基礎(chǔ)及周?chē)膸r體組成。為了精確模擬主柱縱向鋼筋、地腳螺栓、連接鋼板、錨筋等構(gòu)件之間的連接關(guān)系，模型中除主柱內(nèi)箍筋、底板內(nèi)鋼筋網(wǎng)采用嵌入式（Embedded）布筋外，其余構(gòu)件均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

模型的邊界條件為，巖體底部限制所有方向位移、巖體側(cè)面限制側(cè)向水平位移。錨桿底部允許位移。由于主柱縱向鋼筋、地腳螺栓、錨筋等構(gòu)件與連接鋼板之間通過(guò)雙螺母固定，模型中以上構(gòu)件端部與連接鋼板之間設(shè)置為固定連接。

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(jié)接觸；②錨固體與巖體間（第二界面）的切向粘結(jié)接觸；③預(yù)制底板底面與巖體間的硬接觸（受拉即脫開(kāi)）。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

考慮到鋼材可能隨著荷載的增加進(jìn)入塑性階段，所有鋼構(gòu)件均采用帶強(qiáng)化段的兩折線彈塑性模型。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，巖石錨桿基礎(chǔ)中，混凝土應(yīng)力水平不高，部分混凝土處于三向受壓狀態(tài)，因此不考慮混凝土進(jìn)入塑性階段。巖石采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。

2.3 界面粘接-滑移關(guān)系的確定

錨桿的工作原理是通過(guò)桿體與錨固體（如細(xì)石混凝土）以及錨固體與巖石之間的粘結(jié)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(dòng)周?chē)鷰r土的變形，以抵抗上部傳來(lái)的拉力。各界面之間均存在明顯的非線性力學(xué)特征［7-10］。

研究表明，無(wú)論是第一界面還是第二界面，其剪切變形的過(guò)程均分為4個(gè)階段：彈性段、強(qiáng)化段、剪切軟化段和殘余強(qiáng)度段。以往大量的錨筋抗拔試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線明顯也反映出類(lèi)似特征。因此分析過(guò)程中采用考慮殘余剪切強(qiáng)度影響的粘結(jié)-滑移剪切模型反映界面上的剪切本構(gòu)關(guān)系［11-12］，其本構(gòu)方程：

τ=τr+a·exp（-bs）-（a+τr）·exp（-2bs）（1）

式中：τ為界面上的剪應(yīng)力；s為界面剪切位移；τr為界面殘余剪切強(qiáng)度；a、b為表征雙指數(shù)曲線形狀的參數(shù)，a是影響曲線的峰值，b是影響曲線的平移。其中，a、b、τr3個(gè)參數(shù)均為未知量，可根據(jù)相同條件下的錨桿抗拔試驗(yàn)得到的荷載-位移關(guān)系反演得到。參數(shù)確定后，可列出界面剪應(yīng)力與位移的關(guān)系式，并通過(guò)損傷初始準(zhǔn)則和損傷演化規(guī)律來(lái)模擬。

3 算例分析

3.1 工程概況

某直線塔塔腿上拔力為250 kN，X和Y方向水平力設(shè)計(jì)值均按上拔力的14%考慮［3］。巖層為強(qiáng)風(fēng)化軟巖，錨筋及其他鋼筋采用HRB400鋼筋，錨固體材料為M30細(xì)石混凝土，地腳螺栓、鋼板采用Q235B，錨桿基礎(chǔ)的上拔承載力安全系數(shù)（K）取為2.0。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算

在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，單根錨桿承受的最大上拔力為130 kN，根據(jù)錨筋抗拉強(qiáng)度承載力計(jì)算確定采用4根直徑為25 mm的錨筋。根據(jù)錨筋與錨固體間及錨固體與巖石間的粘接強(qiáng)度及相關(guān)構(gòu)造要求，確定錨桿直徑為90 mm，錨固長(zhǎng)度為3 m。連接鋼板計(jì)算最小厚度為30 mm，分析中初步優(yōu)化為20 mm。預(yù)制主柱、底板的截面及配筋、連接鋼板分別如圖2、圖3所示。

3.3 有限元模型及荷載

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立有限元模型，計(jì)算巖體平面范圍為基礎(chǔ)寬度加2倍巖體高度。模型邊界條件如前文所述，模型除了考慮土體及基礎(chǔ)的自重外，在地腳螺栓上施加了沿Z軸方向的上拔力和分別沿X、Y軸方向的水平剪力，依次計(jì)算基礎(chǔ)施工前的土體自重應(yīng)力、基礎(chǔ)完工后的整體自重應(yīng)力及施加上拔及水平荷載后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3.4 接觸本構(gòu)參數(shù)確定

研究選取了近似條件下的錨桿拉拔試驗(yàn)中第一界面破壞和第二界面破壞的上拔荷載-剪切位移曲線的數(shù)據(jù)［13-16］，利用MATLAB軟件分別擬合出第一、二界面的剪應(yīng)力-剪切位移本構(gòu)關(guān)系參數(shù)如圖3、圖4所示，反演出的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算的荷載-位移曲線與試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)基本吻合，可作為接觸分析的分析依據(jù)。

3.5 主要分析結(jié)果及對(duì)比

計(jì)算結(jié)果顯示，至設(shè)計(jì)荷載施加完畢時(shí)，灌漿面層混凝土應(yīng)力集中在錨桿及預(yù)制主柱外圍周邊，大部分未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。連接鋼板整體應(yīng)力水平較低，最大應(yīng)力約7.1 MPa;錨筋最大應(yīng)力為144 MPa。第一、二界面均保持完好粘接度，各構(gòu)件保持彈性狀態(tài)，基礎(chǔ)整體滿足設(shè)計(jì)要求。

繼續(xù)施加上拔荷載，直至最終基礎(chǔ)破壞。整個(gè)加載過(guò)程柱頂荷載-位移曲線如圖4所示。該曲線大致可分為4個(gè)階段：①?gòu)椥宰冃味危∣A段）：各界面間粘結(jié)完好，承受拉力最大的錨桿第二界面切向剪應(yīng)力在錨桿上部達(dá)到峰值；②彈塑性變形段（AB段）：該錨桿第二界面切向剪應(yīng)力上部達(dá)到峰值后開(kāi)始退化，并逐步向錨桿下部發(fā)展，其余錨桿第二界面切向剪應(yīng)力繼續(xù)增長(zhǎng)，曲線變緩，直至達(dá)到峰值561 kN，即上拔極限荷載。大部分混凝土應(yīng)力未超過(guò)其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。其他構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；③塑性變形段（BC段），承受上拔力最大的錨桿第二界面基本完全失去粘結(jié)，錨桿開(kāi)始發(fā)生整體滑移，其余錨桿第二界面剪應(yīng)力在錨桿上部達(dá)到峰值后也開(kāi)始逐步退化，曲線呈下降趨勢(shì)；④殘余變形段（C點(diǎn)之后），其余錨桿與巖石之間通過(guò)殘余剪應(yīng)力保持一定的粘接度，但粘接力很小，曲線逐步趨于平緩。該基礎(chǔ)的最終破壞形式為錨桿的陸續(xù)拔出，與規(guī)范公式計(jì)算吻合。

整個(gè)過(guò)程中各階段第二界面沿錨桿長(zhǎng)度方向剪應(yīng)力分布變化如圖5所示。隨著荷載的施加，剪應(yīng)力峰值從錨桿頂端逐步向錨桿深處延伸，錨桿頂部剪應(yīng)力逐步發(fā)生退化，直至發(fā)生粘結(jié)-滑移破壞。

考慮到灌漿層混凝土在最不利情況下可能出現(xiàn)開(kāi)裂或與鋼板脫開(kāi)的情況，單獨(dú)分析了不考慮連接鋼板上部混凝土作用以及完全不考慮全部灌漿層混凝土2種極端情況，最終破壞形式相同，連接鋼板最大應(yīng)力分別為7.7、195 MPa，錨筋最大應(yīng)力分別為359、381 MPa，仍保持彈性狀態(tài)?；A(chǔ)能夠承受的上拔極限承載力分別為558、516 kN，雖有所降低，仍滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

不同巖層下相應(yīng)的上拔極限承載力及破壞形式對(duì)比如表1所示，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。其中在發(fā)生錨桿與巖土之間界面粘結(jié)破壞時(shí)，其極限承載力較規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏大，主要差異原因是規(guī)范公式中錨固段注漿體與巖層間粘接強(qiáng)度按錨固長(zhǎng)度為6 m時(shí)的平均值確定，不同錨固長(zhǎng)度在此基礎(chǔ)上考慮錨固長(zhǎng)度的影響系數(shù)［3］；而實(shí)際上不同的界面粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系會(huì)導(dǎo)致不同錨固長(zhǎng)度的影響系數(shù)之間存在差異，而非定值所致［17-18］。

由表1可知，同時(shí)對(duì)相同條件下的普通承臺(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)進(jìn)行了對(duì)比分析，比較而言，二者抗拔承載力極限值相差不大，最終破壞形式相同。由于上部荷載通過(guò)承臺(tái)混凝土傳遞給錨桿，沿著斜向傳力路徑范圍內(nèi)的混凝土整體應(yīng)力水平更高，具體圖6（a）所示；裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)傳力更為直接，灌漿層內(nèi)混凝土應(yīng)力分布則更加均勻，具體如圖6（b）所示。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文提出的裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法與普通現(xiàn)澆巖石錨桿基礎(chǔ)類(lèi)似?；A(chǔ)構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力清晰、整體性好，各構(gòu)件質(zhì)量適中，適于偏遠(yuǎn)地區(qū)的運(yùn)輸和安裝。系列通用設(shè)計(jì)圖集、數(shù)據(jù)庫(kù)及智能配置程序?yàn)樵O(shè)計(jì)和施工提供一套完整的解決方案，對(duì)于推進(jìn)新型基礎(chǔ)在架空輸電線路中的應(yīng)用具有重要的意義；

（2）關(guān)于界面的粘接承載力計(jì)算，規(guī)范采用了基于平均剪應(yīng)力假設(shè)的計(jì)算方法，較為直觀簡(jiǎn)便。相比而言，仿真計(jì)算得到的基礎(chǔ)極限上拔承載力較規(guī)范公式存在一定差異，但仍滿足設(shè)計(jì)要求；

（3）研究選用的粘接-滑移剪切模型，能夠較好地反映錨桿錨固界面上的非線性特征和軟化特性，適用于第一、二界面的粘結(jié)接觸的模擬。為了提高分析精度，相關(guān)參數(shù)需要通過(guò)更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司.輸變電工程通用設(shè)計(jì)-輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2018.

［2］國(guó)家電網(wǎng)有限公司基建部.國(guó)家電網(wǎng)有限公司輸變電工程標(biāo)準(zhǔn)工藝：架空線路工程分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2022.

［3］國(guó)家能源局.架空輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程：DL/T 5544—2018［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2018.

［4］國(guó)家能源局.架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程：DL/T 5219—2014［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

［5］李星榮，秦斌.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

［6］但澤義.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)上冊(cè)（第四版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

[7］查文華，王京九，華心祝，等. 錨桿錨固性能及界面力學(xué)特性研究綜述[J]. 人民長(zhǎng)江，2021，52（11）：161-168.

[8］楊慶，朱訓(xùn)國(guó)，欒茂田．全長(zhǎng)注漿巖石錨桿雙曲線模型的建立及錨固效應(yīng)的參數(shù)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（4）：692-698.

[9］李鵬飛，黃靖絡(luò)，王帆. 錨桿受拉拔荷載漸進(jìn)失效全過(guò)程與影響因素[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，47（4）：346-356.

[10］寇海磊，荊皓，徐客，等. 基于分段式模型考慮界面損傷的GFRP錨桿-砂漿粘結(jié)性能數(shù)值模擬[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，38（3）：1-8.

［11］黃明華.巖土錨桿拉拔荷載傳遞分析與FRP智能錨桿監(jiān)測(cè)驗(yàn)證［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[12］朱訓(xùn)國(guó). 地下工程中注漿巖石錨桿錨固機(jī)理研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2006.

[13］榮冠，朱煥春，周創(chuàng)兵．螺紋鋼與圓鋼錨桿工作機(jī)理對(duì)比試驗(yàn)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（3）：469-475.

[14］李才華，竇鵬沖．輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2020，53（增刊）：116-119.

［15］劉波，李東陽(yáng)，段艷芳，等.錨桿-砂漿界面黏結(jié)滑移關(guān)系的試驗(yàn)研究與破壞過(guò)程解析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（增刊）：2790-2797.

［16］張晨.特高壓輸電線路錨固塔基變形破壞及加固決策研究［D］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2016 .

［17］韓軍，陳 強(qiáng)，劉元坤，等.錨桿灌漿體與巖（土）體間的粘結(jié)強(qiáng)度［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（19）：3482-3486.

[18］杜云樓，馮國(guó)瑞，唐訂益，等. 不同黏結(jié)長(zhǎng)度錨桿拉拔承載特性研究[J]. 采礦與巖層控制工程學(xué)報(bào)，2021，3（3）：30-36.

收稿日期：2023-01-01；修回日期：2023-04-01

作者簡(jiǎn)介：陳 忠（1974-）男，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)輸變電工程；E-mail： chenzhong202302@163.com。

通訊作者：閻曉銘（1979-）男，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：輸變電工程;E-mail： yanxiaoming@ctgu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司專(zhuān)項(xiàng)成本科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：B315H0226834）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：52079071）。

引文格式：陳 忠 ，茍 明，許維忠，等.基于粘結(jié)-滑移模型的新型輸電線路裝配式巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究[J].粘接，2023，50（6）：52-55.