巖石錨樁基礎(chǔ)有效埋深的應(yīng)用分析

張文濤

（東北電力設(shè)計院，長春 130021）

500kV 送電線路采用巖石錨樁基礎(chǔ)，造價低廉，施工方便，安全可靠，更重要的是不挖或很少挖土石方，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，但由于送電線路跨越區(qū)域廣，所經(jīng)路徑地質(zhì)條件差異較大，巖石種類及巖性不一，給巖石錨樁基礎(chǔ)的設(shè)計造成了很大困難。以往部分地區(qū)送電線路上采用的巖石錨樁基礎(chǔ)設(shè)計比較保守，很大程度上存在深埋的情況。從DL／T 5219—2005《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》看，巖石錨樁基礎(chǔ)的有效埋深及錨筋的錨固深度只限制在“≥”的數(shù)值上，未規(guī)定其有效埋深的最佳深度，因此，有些地區(qū)巖石錨樁基礎(chǔ)設(shè)計埋深達(dá)7～8m，甚至更深，給施工造成很大麻煩及浪費。以下對巖石錨樁基礎(chǔ)有效埋深的相關(guān)問題，從理論、試驗及工程實例方面加以分析探討，提出在確保安全運(yùn)行條件下取用較為合理的設(shè)計參數(shù)及經(jīng)濟(jì)合理的有效埋深范圍。

1 基本設(shè)計理論分析

通過水泥砂漿或細(xì)石混凝土在巖孔內(nèi)的膠結(jié)，使錨筋與巖體結(jié)成整體以承受桿塔傳來外力，該型基礎(chǔ)為巖石錨樁基礎(chǔ)。巖石錨樁基礎(chǔ)的設(shè)計依據(jù)為DL／T 5219—2005，在設(shè)計中，桿塔基礎(chǔ)作用的上拔力是主要控制條件，水平力影響很小，為簡化設(shè)計可以略去不計，與巖石錨樁基礎(chǔ)抗上拔能力有關(guān)的因素主要是錨筋有效埋深和錨筋與砂漿或細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度τa、砂漿或細(xì)石凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度τb、巖石的極限抗剪強(qiáng)度τs等設(shè)計參數(shù)。

1.1 單根錨筋或地腳螺栓的強(qiáng)度

當(dāng)基礎(chǔ)上拔時，地腳螺栓或錨筋所承受拉應(yīng)力達(dá)到屈服點后直徑變細(xì)，與細(xì)石混凝土或砂漿面的粘結(jié)力消失，此時拉力的傳遞主要靠端部錨固實施，按凈截面設(shè)計的埋入細(xì)石混凝土部分的地腳螺栓應(yīng)力只達(dá)到70%～80%?？梢?，達(dá)到構(gòu)造埋深要求的錨固是安全的。

1.2 單根錨筋與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度

錨筋在砂漿或細(xì)石混凝土中的錨固深度，應(yīng)保證將錨筋與砂漿或細(xì)石混凝土之間的粘結(jié)力傳遞給巖體。砂漿或細(xì)石混凝土是一種傳力的中間介質(zhì)，τa值通過一系列專門試驗取得。錨筋的錨固長度按構(gòu)造要求滿足25 d（d為錨筋直徑）及以上，根據(jù)試驗錨筋在砂漿或細(xì)石混凝土中的錨固作用不是控制條件。錨筋與砂漿或細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度起控制作用，其計算公式為：

式中：γf為基礎(chǔ)附加分相系數(shù)；TE為單根錨筋或地腳螺栓的上拔力設(shè)計值；d為錨筋或地腳螺栓直徑；l0為錨筋的有效錨固長度。

基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定按巖石風(fēng)化程度分級的錨深要求：微風(fēng)化巖石錨樁的有效錨固深度h0不小于25d，中等風(fēng)化巖石h0不小于35 d，強(qiáng)風(fēng)化巖石h0不小于45 d，沒有限定最大埋深。

1.3 混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度

τb除了和混凝土標(biāo)號、錨孔粗糙質(zhì)有關(guān)外，同時也與巖石的風(fēng)化裂隙發(fā)育程度有很大的關(guān)系。試驗證明，鋼筋混凝土錨樁從巖孔內(nèi)抽出的情況極少。

單根錨樁與巖石間粘結(jié)承載力計算公式：

式中D為錨樁直徑。

1.4 巖石抗剪強(qiáng)度

在以上幾項因素得到保證的前提下，根據(jù)試驗觀察，巖體破壞面的形狀均呈喇叭形，其底端大約從錨筋下端開始，巖石基礎(chǔ)所承受的抗拔荷載，從這一破壞曲面機(jī)理求得。巖體主要沿著曲面被剪切破壞，巖石抗拔計算機(jī)理的力學(xué)模型見圖1。

圖1 巖石抗拔計算機(jī)理的力學(xué)模型

為便于公式推導(dǎo)，設(shè)虛線所示倒截錐體作為假想破裂面，以均勻分布于倒截圓錐體表面的等代極限剪應(yīng)力τs的垂直分量之和來抵抗上拔力，巖石剪切計算圖見圖2。

圖2 巖石抗剪計算簡圖

單根錨樁表達(dá)式為：

關(guān)于埋深h0的取值，仍按前述給定的有效埋深，假定巖體內(nèi)沿混凝土樁與巖孔壁的粘結(jié)力是均勻分布的。據(jù)國內(nèi)對巖石基礎(chǔ)的多次測試，顯示是分層被破壞的，這是由于巖基的錨筋出口處巖面的巖體受力最大，而外層巖體受力較小，因此，錨筋不是埋得越深越好，巖體抗剪強(qiáng)度才是保證巖石基礎(chǔ)穩(wěn)定的根本因素。

2 基礎(chǔ)試驗分析

幾十年來，國內(nèi)各電力設(shè)計院在不同區(qū)域不同巖石類別中，做過多次的巖石基礎(chǔ)的模擬試驗和真型試驗，積累了一定經(jīng)驗。20 世紀(jì)90年代東北電力設(shè)計院結(jié)合元錦遼二回送電線路新建工程，在錦遼段40號塔位附近的山坡上，進(jìn)行了單錨式和承臺式共計11組巖石錨樁基礎(chǔ)真型試驗，獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

根據(jù)錨筋產(chǎn)生滑移破壞分析，錨筋上部應(yīng)力最大，下部最小。錨筋在滿足有效埋深后，錨筋不會產(chǎn)生滑移，太深了對提高承載力作用不大，一般應(yīng)控在4m 以內(nèi)，特殊情況也不宜超過6 m。為防止產(chǎn)生錨筋的滑移破壞，實際工程中當(dāng)錨筋有足夠埋深時，盡量采用高強(qiáng)鋼筋，或加大鋼筋直徑，以防鋼筋過早屈服，錨筋底部應(yīng)設(shè)置防滑措施；另外，提高砂漿或細(xì)石混凝土標(biāo)號，振搗密實也是防止錨筋滑移的有效方法。

其破壞模式均為錨筋滑移，根據(jù)試驗結(jié)果計算出在強(qiáng)風(fēng)化巖石中的τa、τb、τs值見表1。從表1試驗數(shù)據(jù)得出的τa、τb、τs值及錨筋破壞模式看，τa、τb、τs值在強(qiáng)風(fēng)化巖石中宜采用DL／T 5219—2005 中的下限值［1］。

雖然加大錨筋直徑對提高錨筋和砂漿間的粘結(jié)力起一定作用，但根據(jù)施工單位的設(shè)備能力，錨筋直徑不宜大于48mm。當(dāng)承載力不足時，應(yīng)采用高強(qiáng)鋼筋，錨筋的表面特征對鋼筋與砂漿間的粘結(jié)力有較大影響，當(dāng)錨孔較大時，為增加鋼筋與砂漿間的粘結(jié)力，可對鋼筋表面進(jìn)行處理。

表1 強(qiáng)風(fēng)化巖石中的τa、τb、τs值

此外，邊坡較小時，對錨樁基礎(chǔ)的承載力影響較小，但在工程中應(yīng)對邊坡最小距離進(jìn)行適當(dāng)控制，即距單腿基礎(chǔ)中心最小距離不宜小于2.5m。

3 在500kV 輸電線路不同工程中的比較

3.1 元錦遼二回輸電線路工程巖石錨樁基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)以上試驗結(jié)果及元錦遼二回輸電線路工程的實際情況，巖石錨樁基礎(chǔ)設(shè)計按C20級砂漿和硬質(zhì)巖石考慮，與計算有關(guān)的設(shè)計參數(shù)取值為τa＝2 000kPa；τb＝300kPa；τs＝20kPa，根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)設(shè)計的YC1、YC2巖石錨樁基礎(chǔ)及τa、τb、τs相應(yīng)各種情況的安全系數(shù)ka、kb、ks見表2。

表2 巖石錨樁基礎(chǔ)及相應(yīng)安全系數(shù)

3.2 五南線工程巖石錨樁基礎(chǔ)設(shè)計

五南線工程先期220kV 雙回路運(yùn)行，升壓后500kV 單回路運(yùn)行，設(shè)計條件與荷載情況與元錦遼二回輸電線工程相近。五南線工程地處本溪和丹東地區(qū)，地質(zhì)多為巖石裸露強(qiáng)風(fēng)化到中等風(fēng)化，特別適合做巖石錨樁基礎(chǔ)。五南線工程設(shè)計的YM1、YM2巖石錨樁基礎(chǔ)及τa、τb、τs計算的各種情況的安全系數(shù)ka、kb、ks列入表3。

表3 五南線巖石錨樁基礎(chǔ)及相應(yīng)安全系數(shù)

從上述2個工程可以看出，元錦遼二回輸電線路工程YC1、YC2巖石錨樁基礎(chǔ)最大埋深僅4 m，而五南線工程YM1、YM2 巖石錨樁基礎(chǔ)最大埋深達(dá)7m，2個工程都在有效埋深范圍內(nèi)，錨樁基礎(chǔ)設(shè)計條件相當(dāng)，基礎(chǔ)埋深差距之大顯而易見。目前元錦遼二回輸電線工程已運(yùn)行20年，五南線工程已運(yùn)行17年，2個工程所采用的巖石錨樁基礎(chǔ)都安然無恙，運(yùn)行狀態(tài)良好。由此可見，巖石錨樁基礎(chǔ)埋深不宜過深，控制在有效埋深范圍內(nèi)即可，否則會造成很大浪費。

4 結(jié)論

a.巖石錨樁基礎(chǔ)埋深一般應(yīng)控制在4m 以內(nèi)，特殊情況也不宜大于6m。

b.巖石錨樁基礎(chǔ)的設(shè)計參數(shù)τa、τb、τs值在強(qiáng)風(fēng)化巖中宜采用DL／T 5219—2005的下限。

c.盡管τa、τb、τs取值考慮了不利因素，但畢竟巖體是裂隙巖石，其抗剪強(qiáng)度主要取決于裂隙面的強(qiáng)弱，而巖石中裂隙縱橫交錯無法知曉，應(yīng)提高安全度，多些安全儲備。

d.巖石錨樁基礎(chǔ)施工簡便，省工、省料，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，建議條件允許的輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)優(yōu)先采用。

［1］東北電力設(shè)計院.巖石錨桿基礎(chǔ)試驗報告［R］.長春：東北電力設(shè)計院，1994.