铁立锚桩承载力研究

姜常胜，贾 琳，赵庆源

(1．辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006;2．辽宁冶金技术学院，辽宁 本溪 117000;3．本溪供电公司，辽宁 本溪 117000)

在输电线路基本建设、停电检修、抢修过程中，经常需要使用铁立锚桩 (俗称打钎子)。从现场铁立锚桩使用情况看，主要存在以下问题:首先，目前对铁立锚桩承载力计算主要依靠相关参考资料给出的计算公式，公式中的土壤参数是否具有普遍适用性值得商榷;其次，如何改进工艺，提高铁立锚桩的承载力，使其更好地服务于生产，提高安全可靠性问题值得深入研究。

1 普通铁立锚桩承载力

1.1 普通铁立锚桩承载力试验

选取直径为50 mm、长度为1 500 mm圆形普通铁立锚桩，在常见的砂土、耕地、黄土地和强风化岩土壤中进行拉力试验。

铁立锚桩打入方式:与地面成60°角度打入，打入深度为1 300 mm。使用绞磨对铁立锚桩施加与地面成30°的斜向上拉力。

铁立锚桩受力后，将向受力侧产生位移，当铁立锚桩与地面垂直时停止增加拉力，并认为此时铁立锚桩受力为其极限承载力 (若继续增加拉力，则可能发生铁立锚桩被拔出或钢丝绳套飞出，造成事故)，试验结果如表1所示。

表1 普通铁立锚桩承载力试验值 kN

1.2 不同土壤普通铁立锚桩极限承载力

选取最小承载力作为普通铁立锚桩极限承载力较合理。在试验条件相同情况下，不同土质承载力:砂土 (中砂)极限承载力为9 kN;耕地 (硬塑性亚粘土)极限承载力为5 kN;黄土 (硬塑性粘土)极限承载力为9.5 kN;强化风岩 (粘土加砾石，按坚硬性粘土考虑)极限承载力为11 kN。选取最小承载力作为普通铁立锚桩极限承载力较合理。

1.3 试验结果

砂土和耕地由于其抗剪角、被动土抗力等参数较小，达到极限受力后，首先表现为土体破坏。在验算时，需重点针对土体承载力进行验算。试验现场应多观察土体的变化，试验中均未发生铁立锚桩变形等现象。

黄土和强风化岩由于其抗剪角、被动土抗力等参数较大，达到极限受力后，首先表现为铁立锚桩体破坏，验算时需重点对铁立锚桩本体进行验算。试验现场要注意桩体的变化，试验中曾多次发生过铁立锚桩变形现象。铁立锚桩通常在距下端800 mm左右 (占打入深度的3/5)处产生弯曲变形(如图1所示)。

图1 铁立锚桩变形情况

当达到极限承载力后，只要铁立锚桩变形增加，承载力就下降，作业现场应注意观察变形情况。

1.4 理论计算

铁立锚桩安全拉力理论计算公式:

式中 P——锚桩的安全拉力，kg;

m——土壤被动土抗力系数，kg/cm3;

b0——桩体计算宽度，cm;

d——桩体外径，cm;

ε——校正系数 (圆柱桩ε=2.0);

α——斜向桩沿垂直线倾斜角 (作用力与地面夹角);

H——外力作用点距地面垂直高度，cm;

h——桩体斜向打入土中斜向深度，cm。

按式 (1)选取相关参数计算，砂土 (中砂)、耕地土 (硬塑性亚粘土)、黄土 (硬塑性粘土)对应的安全拉力均为245 N，强风化土 (粘土加砾石，按坚硬性粘土考虑)对应的安全拉力为328 N。

计算结果与试验结果相差很大。砂土 (中砂)和黄土 (硬塑性粘土)实际极限承载力是计算安全拉力的36倍多，强风耕地土 (硬塑性亚粘土)实际极限承载力是计算安全拉力的20倍多，风化土 (粘土加砾石，按坚硬性粘土考虑)实际极限承载力是计算安全拉力的33倍多。

由此可见，由于各地土质条件不同，实际工作中无法采集对应的参数，因此，参照相关资料计算安全拉力指导实际工作显然不合适。建议各地区应根据当地土壤条件开展现场试验，经过统计分析，给出当地不同土壤条件下的安全拉力。

2 提高铁立锚桩安全拉力

2.1 受力分析

普通铁立锚桩受力分析如图2所示，主要受桩头所受的拉力F、受力侧被动土抗力Q1、桩下部被动土抗力Q23个力的作用，还受到土的摩擦阻力，在此给予忽略。

图2 普通铁立锚桩受力

Q1主要作用是抵抗铁立锚桩向受力侧滑移，与被动土抗力系数、铁立锚桩计算宽度、铁立锚桩自身强度有关。

Q2主要作用是抵抗拉力F引起的弯矩，与被动土抗力系数、铁立锚桩的计算宽度、铁立锚桩自身强度有关。

2.2 改变受力方式

当采取加装卡盘的方法时，在不改变铁立锚桩自身尺寸、强度等参数的前提下，通过改变铁立锚桩的受力方式，可提高承载力。

图3 带卡盘铁立锚桩受力

加卡盘后铁立锚桩受力分析如图3所示，当铁立锚桩受力后向受力侧产生位移时，土壤对卡盘产生的作用力Q3将抵抗拉力F引起的弯矩。其大小与被动土抗力系数、卡盘面积及强度有关。铁立锚桩与土壤间的作用力Q4将抵抗拉力F引起的水平力，其大小与被动土抗力系数、铁立锚桩有效侧面积及强度有关。由于改变了受力方式，提高了铁立锚桩的安全拉力。

3 铁立锚桩卡盘的研制

3.1 尺寸的确定

由于卡盘将在铁立锚桩受力侧起作用，因此，初步确定其形状为半圆形。经计算，采用直径为600 mm，厚度为5 mm的半圆形钢板制作，并用40 mm×5 mm的角钢作3个斜支撑，支撑高度为200 mm(如图4所示)。

图4 卡盘实物

3.2 铁立锚桩卡盘试验

采用带卡盘的铁立锚桩和普通铁立锚桩在常见的砂土、耕地土、黄土地和强风化岩等四类土质进行拉力试验。

所采集的承载力为当铁立锚桩受力后，向受力侧产生位移，与原土壤产生50 mm缝隙 (该数值取至普通铁立锚桩试验时的经验数值)时的数据。试验结果如表2所示。

表2 带卡盘铁立锚桩承载力试验值 kN

3.3 不同土壤情况下带卡盘铁立锚桩承载力

选取最小承载力作为带卡盘铁立锚桩极限承载力较合理。带卡盘铁立锚桩在砂土 (中砂)的极限承载力为12 kN，耕地土 (硬塑性亚粘土)的极限承载力为10 kN，黄土 (硬塑性粘土)的极限承载力为12 kN，强风化土 (粘土加砾石，按坚硬性粘土考虑)的极限承载力为14 kN;普通铁立锚桩在砂土 (中砂)的极限承载力为9 kN，耕地土(硬塑性亚粘土)的极限承载力为5 kN，黄土 (硬塑性粘土)的极限承载力为9.5 kN，强风化土(粘土加砾石，按坚硬性粘土考虑)的极限承载力为11 kN。由此可见，铁立锚桩外加卡盘后，承载力至少提高了20%。

3.4 定性分析

加卡盘后，每次试验承载力数值离散性减小，由于连接方式、受力形式产生变化，安全性有所提高。

对于砂土、黄土和耕地土，达到极限受力后，首先表现为土体破坏。试验中均未发生铁立锚桩变形。

对于强风化土，达到极限受力后，首先表现为铁立锚桩体变形。当达到极限承载力后，只要铁立锚桩变形增加，承载力便会下降。因此，应注意观察铁立锚桩变形情况。

3.5 带卡盘铁立锚桩的承载力计算

加卡盘后，土的承载力R取100 kN/m2时:

Q4=b0×h×R=12 kN

式中 b0——桩体计算宽度，选10 cm;

h——桩体斜向打入土的斜向深度，取120 cm;

R——土的承载力，通常可取70～250 kN/m2，取100 kN/m2。

以铁立锚桩承受水平承载力Q4为控制条件时，铁立锚桩的水平承载力为8.4～30 kN;如果受力按30°角度考虑，铁立锚桩水平承载力为9.7～34.6 kN。

Fs=0.5×0.5×r×3.14×R/H=10.5 kN

式中 Fs——铁立锚桩的水平承载力;

r——卡盘半径;取0.3 m;

R——土的承载力，通常可取70～250 kN/m2;

H——外力作用点距地面的垂直高度，取2 cm。

以卡盘抵抗弯矩为控制条件时，铁立锚桩水平承载力为7.35～26.25 kN;如果受力按30°角度考虑，铁立锚桩水平承载力为8.48～30.3 kN。

以上计算基本与现场实践相吻合。

4 结论

a． 带卡盘的铁立锚桩承载力是可以控制的。

b． 由于各地土壤参数不同，依靠理论计算的方式确定铁立锚桩使用条件是不科学的，建议采用试验方式确定其承载力，并用于指导实际工作。

c． 通过改变受力方式，采用外加卡盘的方法，可以提高铁立锚桩的承载力并提高其安全性。

d． 若想继续提高带卡盘铁立锚桩的承载力，应增加铁立锚桩本身尺寸，即在增大卡盘的同时增加铁立锚桩的数量。

e． 对于冻土，铁立锚桩承载力较大。在冻土(耕地土)深度为460 mm的条件下进行的试验，采用直径为50 mm的铁立锚桩打入840 mm，按30°角度进行牵引，拉力达50 kN，未发生异常现象。

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