用于砂岩加固的锚杆的承载性能试验研究

张 琰，郑卫锋，朱照清

（中国电力科学研究院，北京 100192）

1 引 言

输电线路工程中岩石地基区域输电塔基础多采用挖孔桩、岩石嵌固等基础型式。这类基础可充分发挥原状岩体的力学特性，具有良好的抗拔承载性能，但其开挖深度相对较大，开挖过程常需要爆破处理，基础施工具有难度大、安全风险高、对环境破坏大等缺点。岩石锚杆基础是通过砂浆或细石混凝土等胶结材料，将锚筋锚固于钻凿成型的岩孔内形成锚杆，并与承台构成的输电塔基础，可承受较大的上拔和水平荷载，能充分利用基岩的坚固性和锚筋抗拉承载力高的特点，与其他岩石基础型式比较，具有减少开挖量、节省混凝土、降低工程造价、安全环保等优点，具有显著的经济效益和社会效益。

在某±800 kV特高压直流输电线路工程中，其沿线经过中风化砂岩地基，基础作用力较大，采用岩石锚杆基础可充分利用原状岩基承载力高、变形小的工程力学性能，也符合环境保护的要求。但由于设计、施工和运行经验较欠缺，而且现行规范[1]仅适用于新建的35～500 kV架空送电线路杆塔的基础设计，以往的设计与施工也无750 kV及以上电压等级的经验可供参考，现有研究成果[2－4]对砂岩地基群锚基础的承载特性和破坏机制等也涉及不多。

本文针对中风化砂岩地基开展岩石锚杆基础现场足尺试验研究，分析单锚和群锚基础的破坏模式和承载性能，通过测试锚筋应变，研究锚杆基础的内力分布规律和有效锚固深度，研究成果可为岩石锚杆基础在特高压输电线路杆塔基础中的设计与应用提供依据和参考。

2 试验概况

2.1 工程地质条件

本次现场试验场地位于宁夏回族自治区灵武市郊区某风电场内。场地附近地表覆盖层为粉细砂层，其下为厚层砂岩。岩石的主要物理力学性质指标见表1。

表1 岩石的主要物理力学性质指标Table 1 Physico-mechanical properties of rock

为了测定试验场地岩石软硬程度，对现场收集的岩石样品进行了岩石点荷载强度测试，如图1所示。换算得到岩石单轴饱和抗压强度Rc=46.8 MPa。根据《工程岩体分级标准》[5]，岩石坚硬程度可判定为较坚硬岩。

图1 岩石点荷载强度测试照片Fig.1 Photo of point load strength test

为了测定试验场地岩体的完整程度，在现场进行岩石弹性波速测试，如图2所示。得到岩石完整性指数Kv=0.17。根据分级标准[5]，岩体完整程度可判定为破碎。

图2 岩石弹性波速测试照片Fig.2 Photo of rock elastic wave velocity test

2.2 试验方案

本次试验共设计了单锚基础6组（每组2个平行试验），4桩承台式群锚基础3个，8桩承台式群锚基础2个。单锚基础和4桩承台式群锚基础为纯上拔试验，8桩承台式群锚基础为上拔+水平复合荷载试验。锚筋材质均为HRB400螺纹钢，锚筋直径均为36 mm，锚孔直径均为100 mm，锚孔内均灌注C30细石混凝土，加入适量膨胀剂。试验基础详细统计情况见表2、3。

表2 单锚基础统计Table 2 Statistics of single anchor foundation

表3 群锚基础统计Table 3 Statistics of group anchor foundation

2.3 试验加载装置

（1）单锚基础上拔试验加载系统

单锚基础的上拔试验采用横梁式加载，加载系统主要由张拉穿心千斤顶、横梁、上下垫板以及反力支座构成[6]。

（2）群锚基础上拔+水平复合加载系统

群锚基础上拔加载系统主要由传力螺杆、分离式油压千斤顶、横梁、反力支座以及锚筋连接板构成。群锚基础水平加载系统主要由反力基础、分离式油压千斤顶、传力钢梁以及弧面转平面装置构成，见文献[7]。

2.4 试验测试系统和加载方案

采用RS-JYC型桩基静载荷测试分析仪自动采集和分析荷载与位移的关系，同时采用DH3816应变测量仪自动采集和分析加载过程中锚筋的变形情况。

试验采用慢速荷载维持法，在现场试验过程中可以根据以往类似经验，对加载初期的低荷载采用快速荷载法。具体加卸载方法、加卸载终止条件、极限承载力的确定方法见相关规范[8]。

3 单锚基础试验结果分析

3.1 基础破坏模式分析

岩石锚杆基础的破坏模式是其与基岩相互作用的外在表现之一，直接反映基础的承载特性，是基础承载力和其他设计参数的取值依据。在上拔荷载作用下，受锚杆深度、基岩性质、锚筋特性、施工质量等因素的影响，单锚基础存在锚筋拉断破坏、锚筋被拔出破坏、锚桩被拔出破坏和基岩整体剪切破坏4种可能的破坏模式[1]。本次试验中出现了锚筋被拉断和锚桩被拔出两种典型的破坏模式，见图3。

图3 单锚基础典型破坏模式照片Fig.3 Photos of typical failure mode of single anchor foundation

3.2 基础抗拔承载特性分析

不同埋深的单锚基础试验上拔荷载-位移曲线关系如图4所示。图中，基础位移指锚筋顶部竖向位移。由图可知，锚固深度为0.5 m的单锚基础的极限抗拔承载力为240 kN，锚固深度大于等于1.0 m的单锚基础的极限抗拔承载力均为500 kN。锚固深度为0.5 m的单锚基础的抗拔极限承载力明显小于其他埋深的基础，主要是由于其发生了锚桩拔出破坏，极限抗拔承载力由锚桩侧摩阻力决定，而当锚固深度大于等于1.0 m时，单锚基础均发生锚筋拉断破坏，此时极限抗拔承载力由锚筋本身强度决定，故其极限抗拔承载力变化不大。

图4 单锚基础上拔荷载-位移曲线Fig.4 Uplift load-vertical displacement curves of single anchor foundation

本次试验中埋深大于等于1.0 m的单锚基础加载过程均表现为锚筋被拉断破坏，表明岩体对锚固体的抗剪强度及混凝土对锚筋的黏结力均大于锚筋本身强度，在试验场地岩性条件和基础尺寸条件下单锚基础的极限抗拔承载力主要取决于锚筋本身强度。

3.3 锚筋内力分布规律分析

锚筋承载特性是岩石锚杆基础内部承载特性的最直接体现，试验加载过程中通过监测预先设置在锚筋不同埋深位置处的应变片的数据变化，可以得到锚筋的内力分布规律。锚固深度分别为3.0 m和4.5 m的单锚基础的锚筋内力在试验加载过程中的变化规律，如图5所示。

图5 锚筋内力分布Fig.5 Internal force distribution of anchor bar

从图5中可以看出，随着锚固深度增加，锚筋内力值在快速降低，埋深超过2.5 m处的锚筋内力均小于本级荷载的10%，因此可以判定本次试验场地砂岩地基锚筋的有效锚固长度为2.5 m。

4 群锚基础试验结果分析

本次试验进行了3个2×2承台式群锚基础的竖向上拔静载荷试验。为了更加真实地模拟输电线路杆塔基础的受力状况，还进行了2个8桩承台式群锚基础的上拔+水平复合工况静载荷试验。

4.1 基础破坏模式分析

2×2承台式群锚基础的破坏模式均为锚筋被拔出破坏，基础破坏时的典型照片见图 6。图 6(a)为群锚基础破坏后被拔出的整体效果照片，图6(b)为基础破坏后在底部拍摄的锚筋被拔出的照片。

图6 2×2承台式群锚基础破坏模式照片Fig.6 Photos of failure mode of 2×2 group anchor foundation

由于8桩承台式群锚基础承台嵌岩较深，故无法直接观测到基础的破坏情况。根据群锚基础在上拔+水平荷载作用下的受力分析可知，其破坏模式为受上拔作用较大侧的锚筋被拔出或拉断破坏。

4.2 基础抗拔承载特性分析

2×2承台式群锚基础竖向上拔静载荷试验的荷载-位移曲线如图7所示，试验结果见表4。

图7 2×2承台式群锚基础上拔荷载-位移曲线Fig.7 Uplift load-vertical displacement curves of 2×2 group anchor foundation

表4 2×2承台式群锚基础上拔试验结果Table 4 Results of uplift test of 2×2 group anchor foundation

由表4可知，当锚筋的锚固深度均小于有效锚固深度且承台嵌岩深度同为 0.5 m时，群锚基础Q1.5-A比Q0.5锚固深度增加1.0 m，其极限抗拔承载力提高了1 700 kN；当锚固深度同为1.5 m时，群锚基础Q1.5-A比Q1.5-B承台嵌岩深度增加0.5 m，其极限抗拔承载力提高了1 050 kN。根据承台尺寸可计算得到岩石与混凝土的侧摩阻力为525 kPa。由此可知，2×2承台式群锚基础在纯上拔荷载作用下，当锚固深度小于有效锚固深度时，增加锚固深度能够有效提高基础的极限抗拔承载力，同时由于基础混凝土与岩石之间侧摩阻力的作用，增加承台嵌岩深度也能大幅提高基础的极限抗拔承载力。

8桩承台式群锚基础上拔+水平复合工况静载试验上拔荷载-位移曲线和水平荷载-位移曲线分别如图8、9所示，试验结果见表5。

图8 8桩承台式群锚基础上拔荷载-位移曲线Fig.8 Uplift load-vertical displacement curves of 8 piles group anchor foundation

图9 8桩承台式群锚基础水平荷载-位移曲线Fig.9 Horizontal load-vertical displacement curves of 8 piles group anchor foundation

表5 8桩承台式群锚基础上拔试验结果Table 5 Results of uplift test of 8 piles group anchor foundation

由表5可知，由于8桩承台式群锚基础的锚固深度均大于有效锚固深度，故可不考虑锚固深度对基础极限抗拔承载力的影响。8桩承台式群锚基础在上拔+水平复合荷载作用下，基础的极限抗拔承载力随承台嵌岩深度增加而增加。根据承台尺寸可计算得到岩石与混凝土的侧摩阻力为131 kPa，约为2×2承台式群锚基础在纯上拔荷载作用下计算得到的岩石侧摩阻力的 1/4，主要是由于水平荷载的存在，导致承台上拔过程中发生水平方向的位移，从而降低了岩石侧摩阻力的发挥。

8桩承台式群锚基础在上拔+水平复合荷载作用下，当基础发生上拔破坏时基础顶部水平位移均未超过 10 mm，因此群锚基础在上拔+水平复合荷载作用下，水平荷载不是基础发生破坏的控制因素。对比2×2承台式群锚基础Q1.5-A与8桩承台式群锚基础Q3.0上拔静载荷试验结果可知，两者承台嵌岩深度同为 0.5 m，后者的锚杆数量和锚固深度均为前者的2倍，但后者的极限抗拔承载力仅为2 100 kN，比前者的极限抗拔承载力2 800 kN小了25%，可见水平荷载的存在大大削弱了承台式群锚基础的抗拔承载性能。

5 结 论

（1）锚固深度为0.5 m的单锚基础的上拔破坏模式为锚桩被拔出破坏，锚固深度为1.0、1.5、3.0、4.5 m的单锚基础的上拔破坏模式均为锚筋拉断破坏，基础的极限抗拔承载力由锚筋本身强度决定。单锚基础的有效锚固深度为2.5 m。

（2）2×2承台式群锚基础在上拔荷载作用下，基础的破坏模式均为锚筋被拔出破坏。当锚固深度小于有效锚固深度时，增加锚杆的锚固深度和承台嵌岩深度能够有效提高基础的抗拔承载性能。

（3）8桩承台式群锚基础在上拔+水平复合荷载作用下，基础的破坏模式为受上拔作用较大侧的锚筋被拉断或拔出破坏。水平荷载不是基础发生破坏的控制因素，但水平荷载的存在大大削弱了承台式群锚基础的抗拔承载性能。

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