岩石锚桩基础有效埋深的应用分析

2014-11-28张文涛

吉林电力 2014年6期

张文涛

（东北电力设计院，长春 130021）

500kV 送电线路采用岩石锚桩基础，造价低廉，施工方便，安全可靠，更重要的是不挖或很少挖土石方，有效地保护了生态环境，但由于送电线路跨越区域广，所经路径地质条件差异较大，岩石种类及岩性不一，给岩石锚桩基础的设计造成了很大困难。以往部分地区送电线路上采用的岩石锚桩基础设计比较保守，很大程度上存在深埋的情况。从DL／T 5219—2005《架空送电线路基础设计技术规定》看，岩石锚桩基础的有效埋深及锚筋的锚固深度只限制在“≥”的数值上，未规定其有效埋深的最佳深度，因此，有些地区岩石锚桩基础设计埋深达7～8m，甚至更深，给施工造成很大麻烦及浪费。以下对岩石锚桩基础有效埋深的相关问题，从理论、试验及工程实例方面加以分析探讨，提出在确保安全运行条件下取用较为合理的设计参数及经济合理的有效埋深范围。

1 基本设计理论分析

通过水泥砂浆或细石混凝土在岩孔内的胶结，使锚筋与岩体结成整体以承受杆塔传来外力，该型基础为岩石锚桩基础。岩石锚桩基础的设计依据为DL／T 5219—2005，在设计中，杆塔基础作用的上拔力是主要控制条件，水平力影响很小，为简化设计可以略去不计，与岩石锚桩基础抗上拔能力有关的因素主要是锚筋有效埋深和锚筋与砂浆或细石混凝土间的粘结强度τa、砂浆或细石凝土与岩石间的粘结强度τb、岩石的极限抗剪强度τs等设计参数。

1.1 单根锚筋或地脚螺栓的强度

当基础上拔时，地脚螺栓或锚筋所承受拉应力达到屈服点后直径变细，与细石混凝土或砂浆面的粘结力消失，此时拉力的传递主要靠端部锚固实施，按净截面设计的埋入细石混凝土部分的地脚螺栓应力只达到70%～80%。可见，达到构造埋深要求的锚固是安全的。

1.2 单根锚筋与砂浆的粘结强度

锚筋在砂浆或细石混凝土中的锚固深度，应保证将锚筋与砂浆或细石混凝土之间的粘结力传递给岩体。砂浆或细石混凝土是一种传力的中间介质，τa值通过一系列专门试验取得。锚筋的锚固长度按构造要求满足25 d（d为锚筋直径）及以上，根据试验锚筋在砂浆或细石混凝土中的锚固作用不是控制条件。锚筋与砂浆或细石混凝土间的粘结强度起控制作用，其计算公式为：

式中：γf为基础附加分相系数；TE为单根锚筋或地脚螺栓的上拔力设计值；d为锚筋或地脚螺栓直径；l0为锚筋的有效锚固长度。

基础设计技术规定按岩石风化程度分级的锚深要求：微风化岩石锚桩的有效锚固深度h0不小于25d，中等风化岩石h0不小于35 d，强风化岩石h0不小于45 d，没有限定最大埋深。

1.3 混凝土与岩石间的粘结强度

τb除了和混凝土标号、锚孔粗糙质有关外，同时也与岩石的风化裂隙发育程度有很大的关系。试验证明，钢筋混凝土锚桩从岩孔内抽出的情况极少。

单根锚桩与岩石间粘结承载力计算公式：

式中D为锚桩直径。

1.4 岩石抗剪强度

在以上几项因素得到保证的前提下，根据试验观察，岩体破坏面的形状均呈喇叭形，其底端大约从锚筋下端开始，岩石基础所承受的抗拔荷载，从这一破坏曲面机理求得。岩体主要沿着曲面被剪切破坏，岩石抗拔计算机理的力学模型见图1。

图1 岩石抗拔计算机理的力学模型

为便于公式推导，设虚线所示倒截锥体作为假想破裂面，以均匀分布于倒截圆锥体表面的等代极限剪应力τs的垂直分量之和来抵抗上拔力，岩石剪切计算图见图2。

图2 岩石抗剪计算简图

单根锚桩表达式为：

关于埋深h0的取值，仍按前述给定的有效埋深，假定岩体内沿混凝土桩与岩孔壁的粘结力是均匀分布的。据国内对岩石基础的多次测试，显示是分层被破坏的，这是由于岩基的锚筋出口处岩面的岩体受力最大，而外层岩体受力较小，因此，锚筋不是埋得越深越好，岩体抗剪强度才是保证岩石基础稳定的根本因素。

2 基础试验分析

几十年来，国内各电力设计院在不同区域不同岩石类别中，做过多次的岩石基础的模拟试验和真型试验，积累了一定经验。20 世纪90年代东北电力设计院结合元锦辽二回送电线路新建工程，在锦辽段40号塔位附近的山坡上，进行了单锚式和承台式共计11组岩石锚桩基础真型试验，获得了大量的试验数据，得出如下结论。

根据锚筋产生滑移破坏分析，锚筋上部应力最大，下部最小。锚筋在满足有效埋深后，锚筋不会产生滑移，太深了对提高承载力作用不大，一般应控在4m 以内，特殊情况也不宜超过6 m。为防止产生锚筋的滑移破坏，实际工程中当锚筋有足够埋深时，尽量采用高强钢筋，或加大钢筋直径，以防钢筋过早屈服，锚筋底部应设置防滑措施；另外，提高砂浆或细石混凝土标号，振捣密实也是防止锚筋滑移的有效方法。

其破坏模式均为锚筋滑移，根据试验结果计算出在强风化岩石中的τa、τb、τs值见表1。从表1试验数据得出的τa、τb、τs值及锚筋破坏模式看，τa、τb、τs值在强风化岩石中宜采用DL／T 5219—2005 中的下限值［1］。

虽然加大锚筋直径对提高锚筋和砂浆间的粘结力起一定作用，但根据施工单位的设备能力，锚筋直径不宜大于48mm。当承载力不足时，应采用高强钢筋，锚筋的表面特征对钢筋与砂浆间的粘结力有较大影响，当锚孔较大时，为增加钢筋与砂浆间的粘结力，可对钢筋表面进行处理。

表1 强风化岩石中的τa、τb、τs值

此外，边坡较小时，对锚桩基础的承载力影响较小，但在工程中应对边坡最小距离进行适当控制，即距单腿基础中心最小距离不宜小于2.5m。

3 在500kV 输电线路不同工程中的比较

3.1 元锦辽二回输电线路工程岩石锚桩基础设计

根据以上试验结果及元锦辽二回输电线路工程的实际情况，岩石锚桩基础设计按C20级砂浆和硬质岩石考虑，与计算有关的设计参数取值为τa＝2 000kPa；τb＝300kPa；τs＝20kPa，根据以上设计参数设计的YC1、YC2岩石锚桩基础及τa、τb、τs相应各种情况的安全系数ka、kb、ks见表2。

表2 岩石锚桩基础及相应安全系数

3.2 五南线工程岩石锚桩基础设计

五南线工程先期220kV 双回路运行，升压后500kV 单回路运行，设计条件与荷载情况与元锦辽二回输电线工程相近。五南线工程地处本溪和丹东地区，地质多为岩石裸露强风化到中等风化，特别适合做岩石锚桩基础。五南线工程设计的YM1、YM2岩石锚桩基础及τa、τb、τs计算的各种情况的安全系数ka、kb、ks列入表3。

表3 五南线岩石锚桩基础及相应安全系数

从上述2个工程可以看出，元锦辽二回输电线路工程YC1、YC2岩石锚桩基础最大埋深仅4 m，而五南线工程YM1、YM2 岩石锚桩基础最大埋深达7m，2个工程都在有效埋深范围内，锚桩基础设计条件相当，基础埋深差距之大显而易见。目前元锦辽二回输电线工程已运行20年，五南线工程已运行17年，2个工程所采用的岩石锚桩基础都安然无恙，运行状态良好。由此可见，岩石锚桩基础埋深不宜过深，控制在有效埋深范围内即可，否则会造成很大浪费。