输电线路强风化软岩挖孔基础抗拔试验研究

(1. 中国电力科学研究院，北京 100192；2. 国网安徽省电力公司，合肥 230022；3. 中国能源建设集团 安徽省电力设计院，合肥 230601)

随着特高压工程快速建设，输电线路途径的山地地形占比越来越多，输电线路基础承受的杆塔荷载越来越大[1-3]。山区中遇到硬岩或微风化软岩时，常选用承台嵌入式岩石锚杆群锚基础[4]；遇到全风化硬岩或强风化～中等风化软岩且岩石裸露或覆盖层较薄时，常采用挖孔基础[5-7]。

山区挖孔基础可充分利用原状岩石地基的承载性能，有效避免施工过程中的大开挖，且岩石强度允许时可机械化施工，有效提高施工效率。山区挖孔基础包括直柱挖孔桩模型、坛子嵌固模型、扩底掏挖模型等3种结构型式。在进行上拔承载性能分析时，直柱挖孔桩模型采用柱状滑动面破坏，坛子嵌固模型采用倒锥体破裂面的直线型滑动面，扩底掏挖模型采用圆弧滑动面破坏进行设计，3种模型在使用条件、设计边界、设计参数取值等方面均不同，导致不同型式挖孔基础工程造价差异较大。

不同于一般建筑结构中的基础，输电线路工程中基础的抗拔稳定和抗倾覆稳定是设计计算的控制荷载[8]，而山区岩体抗压强度较高，可抵抗较大的水平力，因此,岩体挖孔基础在设计时可不考虑倾覆稳定。

学者们针对土体中挖孔基础的抗拔承载特性开展了大量研究[9-15]，然而针对岩石挖孔基础的抗拔承载性能的研究工作较少[16]。选择典型强风化软岩地质条件，开展17组岩石挖孔基础的上拔承载力现场试验，分析其承载性能与破坏机理，探讨不同模型的应用原则及参数取值，实现山区输电线路岩石挖孔基础的设计优化。

1 试验概况

1.1 工程地质条件

试验位于安徽太湖某220 kV变电站附近，场地宏观地貌属大别山区、微地貌为丘陵。场区内地层自上而下为:

1)泥质砂岩：浅棕褐色，砂状结构，块状构造，风化强烈，孔隙发育，硬度低。由70%～75%的碎屑与25%～30%的填充物组成，碎屑主要为石英、长石等，填充物主要为泥质高岭石及水云母等粘土矿物、缴粒状方解石等钙质胶结物。该层厚约3.0～5.2 m。

2)砂砾岩：青灰色，中等风化，岩屑颗粒较大，泥质胶结，主要成分为石英砂岩、灰岩等。岩体较破碎，裂隙较发育。岩芯呈长柱状，敲击声脆，该层层厚10 m以上。

根据现场与室内岩体试验，上部泥质砂岩与下部砂砾岩的主要物理力学性质指标见表1。

1.2 基础设计尺寸

强风化软岩现场共布置17组挖孔基础，其中:直柱挖孔桩模型(ZZ)5个，坛子嵌固模型(TZ)7个，扩底掏挖模型(TW)5个，外型示意如图1所示，具体尺寸如表2所示。

表1 岩石的主要力学性质指标Table 1 Mechanical properties of rock

图1 输电线路岩石挖孔基础示意图Fig.1 Schematic diagram of rock excavated foundation for transmission

基础型式编号埋深H/m上部直径d/m下部直径D/m直柱挖孔桩模型ZZZZ⁃1．01．01．101．10ZZ⁃1．51．51．251．25ZZ⁃2．02．01．401．40ZZ⁃2．52．51．551．55ZZ⁃3．03．01．701．70

续表2

注：扩底掏挖模型中扩底处圆台高0.4 m、扩底处底板高0.1 m。

1.3 加载与测试系统

上拔加载装置包括千斤顶、连接框架、反力钢梁和反力基座等，加载装置能力与反力基座满足相关试验要求。针对岩石地质，试验采用快速荷载法进行分级加载，试验加荷等级由RS-JYC型桩基静载荷测试分析系统自动控制，具体加卸载方案、加卸载终止条件、极限承载力的确定见相关规程[17]。

测试系统包括压力测试与位移测试，上拔荷载测试通过压力表与压力传感器获得，基顶位移通过布置在基顶的位移传感器获得，同时,在地面距离基础中心不同距离处布置位移传感器测试地表竖向位移。

2 试验结果分析

2.1 荷载位移曲线

图2分别为直柱挖孔桩模型、坛子嵌固模型、扩底掏挖模型等挖孔基础的上拔荷载与基顶竖向位移曲线。加载初期，曲线呈弹性直线段，位移量很小；随着荷载增大，呈弹塑性曲线段，上拔位移随荷载呈非线性变化，位移速率明显增大；随着上拔荷载持续增加，塑性区逐渐贯通直至基础破坏，荷载位移曲线出现陡降段，地表微裂缝显著。

图2 挖孔基础的上拔荷载位移曲线Fig.2 Curves of uplift loading-displacement to rock excavate

2.2 地表位移规律

图3分别为埋深1、3、5 m的坛子嵌固模型挖孔基础在上拔荷载作用下的地表竖向位移变化曲线。从图3可以看出，加载初期，地表基本无竖向位移；随着上拔荷载加大，基础周围逐渐出现裂缝，地表竖向位移逐渐增大；当基础出现破坏时，地表竖向位移增加迅速。

图3 坛子嵌固模型基础的地表竖向位移曲线Fig.3 Curves of vertical surface displacement to jar shape embedded model

当地表位移变化显著时，基础周围出现明显裂缝，表征着基础即将整体破坏，最终基础本体与周围岩土体被整体拔出，基础发生整体剪切破坏。随着远离基础中心，地表竖向位移迅速降低，如图3(c)所示，5 m埋深基础在远离基础中心3.5 m位置处基本无竖向地表位移，表明随着埋深增加，基础地表裂缝开展范围不一定发生在45°破裂面上。

2.3 地表裂缝规律

图4为现场试验基础的地表裂缝图，图5为现场测绘得到地面裂缝示意图。由于强风化软岩节理裂隙发育，地表裂缝呈不均匀状，基础立柱周围岩体裂缝较大，呈发射状向四周扩散。

图4 坛子嵌固模型挖孔基础的地表裂缝图Fig.4 Surface crack map to jar shape embedded model foundation

图5 坛子嵌固模型挖孔基础的地表裂缝测绘图Fig.5 Measurement drawing map of surface crack to jar shape embedded model

图6为坛子嵌固模型模型基础的上拔破坏垂直剖面示意图，以基础底部为基准，周围岩体出现剪切拉伸破坏，裂缝从基础底部逐渐扩展至地表。

图6 坛子嵌固模型挖孔基础的上拔破坏垂直剖面示意图Fig.6 Schematic diagram of uplift failure vertical profile to jar shape embedded model

2.4 基础极限承载力

图7 挖孔基础的极限承载力、破裂角与埋深的关系Fig.7 Curves of depth-uplift capacity and depth-rupture angle to rock excavated

从图7可以看出，基础极限承载力随着埋深逐渐增大，基本上呈线性状态，进一步得出基础的上拔承载力与基础埋深符合线性关系。对于直柱挖孔桩模式基础承载力由1 m埋深的250 kN增加到3 m埋深的2 300 kN；对于坛子嵌固模型，基础承载力由1 m埋深的220 kN增加到3 m埋深的1 600 kN，然后再增加到5 m埋深的3 800 kN；对于扩底掏挖模型，基础承载力由1 m埋深的290 kN增加到3 m埋深的1 700 kN。

2.5 基础破裂角

以图5地面外围裂缝包围的范围作为基础最终破坏面，进行平均后得到破坏面半径，再除以埋深得到基础的破裂角。经计算现场试验得到的破裂角与埋深的关系曲线如图7所示。

从图7可以看出，基础破裂角随埋深增加而迅速减小，对于直柱挖孔桩模型基本呈线性状态，破裂角由1 m埋深的49°降低到3 m埋深的32°；对于坛子嵌固模型，破裂角由1 m埋深的49°降低到3 m埋深的36°，然后迅速降低到5 m埋深的18°，进一步说明破裂角在基础埋深较浅时上拔影响范围较大，基础埋深逐渐增加时上拔影响范围逐渐缩小，并非一直呈现“45°倒锥体”破裂状态；对于扩底掏挖模型，破裂角由1 m埋深的52°降低到3 m埋深的37°。

2.6 设计参数反算

地表裂缝位置及破裂角均表明，浅埋状态下，3类挖孔基础的上拔破坏状态均表现为倒锥体破裂面直线型滑动面破坏，只是随着埋深加深破裂面范围不同而已。

如图8所示，当岩石发生倒锥体破裂面直线型滑动面破坏时，根据力学平衡原理，基础上拔承载力由基础自身重量与均匀分布于倒圆锥体表面的等代极限剪切应力的垂直分量之和来共同承担。

图8 岩石剪切破坏受力示意图Fig.8 Schematic diagram of rock shear

(1)

R=Rτsy+Gf

(2)

(3)

(4)

将式(2)～(4)代入式(1)可得：

γfTE≤π·ht·(D+httanθ)·τs+Gf

(5)

式中：γf为基础附加分项系数；TE为基础上拔承载力设计值；R为岩石基础本身承受的抗力；Rτsy为倒圆锥体上岩石抗剪强度垂直分量；Gf为基础本身自重；τs为岩石等代极限剪切强度；θ为岩体等代剪切角，又称破裂角，即潜在直线型滑动面与基础间的夹角；S为倒圆椎体的侧向表面积；ht为基础埋深；D为基础底部直径。

基础上拔承载力设计计算时，岩石等代极限剪切强度取值至关重要，该设计参数并非真正的岩石抗剪强度参数指标，也不属于岩土工程常规勘察中的岩石力学参数，一般难以通过岩土勘察手段直接获得，电力行业根据原位试验与经验给出了建议值。

根据式(5)，通过基础极限上拔承载力进行反算，得到强风化软质中岩石等代极限剪切强度取值，如表3所示，进行标准化修正后得到岩石等代极限剪切强度为32 kPa，显著高于规程[18]取值。

表3 岩石等代极限剪切强度反算值Table 3 Inverse calculation values to rock equivalent ultimate shear strength

2.7 经济性分析

将基础能承受的极限上拔承载力，除以基础自身混凝土用量，得到单位体积混凝土能提供的承载力，分析各模型基础的经济性，如表4所示，绘制如图9所示。

表4 单位混凝土的极限承载力(kN/m3)Table 4 Ultimate uplift capacity of unit concrete volume

相比较而言，直柱挖孔桩模型单位体积混凝土能提供的承载力为260 kN/m3，经济性差，但施工最为便利，不需要扩底掏挖；坛子嵌固模型单位体积混凝土能提供的承载力为320 kN/m3，经济性一般，但施工相对复杂，需要逐层加大开挖截面尺寸；而扩底掏挖模型单位体积混凝土能提供的承载力为410 kN/m3，经济性最优，且随着埋深增加其承载性能更优，若岩石强度低时可采用机械化旋挖钻机进行施工，有效提高其施工效率，建议优先选用扩底掏挖模型挖孔基础。

图9 不同模型基础的单位体积混凝土极限承载性能对比Fig.9 Curves of ultimate uplift capacity of unit concrete volume to rock excavated

3 结论

1)风化程度高的输电线路山区岩石多采用挖孔基础，基础结构型式包括直柱挖孔桩模型、坛子型嵌固模型、扩底掏挖模型等。

2)强风化软岩挖孔基础现场试验表明，基础荷载位移曲线在埋深较浅时呈线性分布，随着埋深增加呈缓变型分布；基础极限上拔承载力随埋深线性增长；基础破裂角随埋深迅速降低，但达到一定埋深后破裂角基本维持不变。

3)强风化软岩挖孔基础均发生倒锥体破裂面的直线型滑动面破坏。挖孔基础上拔承载力计算时关键参数“岩石等代极限剪切强度”在强风化软质条件下建议取32 kPa，供设计参考。

4)以单位体积混凝土能承担的上拔承载力为经济性评判标准，扩底掏挖模型挖孔基础有显著优势。

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