砂岩地基岩石锚杆基础试验性能研究★

2021-10-12侯鹏翔

山西建筑 2021年20期

王辉,杨超,马艳,侯鹏翔

(1.北方民族大学土木工程学院,宁夏银川 750021; 2.宁夏回族自治区电力设计院有限公司,宁夏银川 750016)

0 引言

目前锚杆支护已用到煤矿岩石巷道[1]、地下基坑支护、隧道边坡支护、建构筑物抗浮等众多领域[2-3],但是输电线路塔基中还没有广泛应用这种技术。在输电线路工程中,特别是特高压输电线路工程,以往的基础施工具有难度大、安全风险高、对环境破坏大等缺点。而岩石锚杆基础具有显著的经济效益和较大的环境效益,施工时安全能够得到保障。国内一些学者[4-7]主要研究了在华北、华中、东北、福建等地区的岩石锚杆基础。但对西北地区使用岩石锚杆基础研究较少。基于此,在西北地区输电线路工程中大力推进岩石锚杆基础这种新型基础型式势在必行。

本文基于西北地区某特高压直流输电线路工程强风化砂岩的地质条件和工程建设条件,依托相关实验数据开展的岩石锚杆基础原位承载力试验研究,提出群锚基础在上拔+水平联合工况下的承载性能,强风化砂岩地基岩石锚杆基础选型和优化设计参数。

1 工程背景

某特高压直流线路工程地表覆盖层为粉细砂层,厚0.5 m～1.5 m、其下为厚层砂岩,呈灰绿色,碎屑结构,水平层理,节理裂隙较发育,全风化～强风化,层厚大于10 m。结合此处的地质条件,对强风化砂岩地基开展岩石锚杆基础研究,分析其承载特性和设计参数,为其在实际工程应用中提供设计参考,对于促进该类地区输电线路工程建设的科学发展具有突出的理论与实践意义,并可以实现显著的经济与社会效益。

2 岩石锚杆基础承载力分析

输电线路基础承受的作用主要为上部杆塔传来的上拔力、下压力、水平力,本阶段主要研究岩石锚杆基础受上拔力作用时的破坏形态,根据DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定[8]第10.2节,岩石锚杆基础受上拔力作用时有以下4种破坏工况(见图1)。

工况1:锚筋受拉破坏。

TE>fyAn

(1)

工况2:锚筋与浆黏结破坏。

γfTE>πdl0τa

(2)

工况3:锚桩石黏结破坏。

γfTE>πDh0τb

(3)

工况4:岩石剪切破坏。

γfTE>πh0τs(D+h0)

(4)

根据式(1)～式(4)可以看出,当锚桩直径、锚筋等级、砂浆或细石混凝土强度等级以及τa,τb和τs值为已知条件时,工况1、工况2的控制变量为锚筋直径,工况3、工况4的控制变量为锚桩锚深。根据DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定第10.2节、10.3节,当混凝土取C30时,可以很清楚地得到工况1承载力、工况2承载力两者之间的大小关系。

(5)

强风化岩石:

(6)

当锚筋的有效锚固长度l0不受锚桩有效锚固长度h0控制时,强风化岩石的工况1承载力恒小于工况2承载力,工况1可能为控制条件,而工况2不可能成为控制条件。

根据DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定第10.2节,以锚桩直径D为100 mm和DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定给定的τa,τb和τs值为已知条件时,锚深h0、工况3承载力及工况4承载力是一一对应关系,可得工况3承载力和工况4承载力相等时的锚桩临界有效锚固深度表达式:

(7)

当锚桩锚固深度小于临界锚固深度时,工况3承载力大于工况4承载力,工况4可能为控制条件,工况3不可能为控制条件;当锚桩锚固深度大于临界锚固深度时,工况3承载力小于工况4承载力,工况3可能为控制条件,工况4承载力不可能为控制条件。

3 基础实验方案及结论

为充分了解强风化砂岩地区岩石基础设计的方法和思路,根据《某特高压直流输电线路工程岩石锚杆基础试验方案》,结合当地具体材料采购和现场实际情况,开展了单锚和群锚基础研究,制定了方案1、方案2：单锚基础，方案3：2×2承台式群锚基础；方案4：8桩承台式群锚基础,见表1～表3。

表1 单锚基础

表2 2×2承台式群锚基础

表3 8桩承台式群锚基础

3.1 单锚基础的计算分析及实验结论

普通单锚基础上拔破坏模式见图2。

通过现场试验结果可知,锚固深度为0.5 m 的普通单锚基础的上拔破坏模式为锚杆被拔出破坏,见图2a);锚固深度不小于1.0 m的普通单锚基础的上拔破坏模式均为锚筋被拉断破坏,见图2b)。

上述的4种方案,方案1和方案2均是单锚基础,方案1锚固深度较深时,强风化砂岩的τb和τs按规范分别取下限和上限,在计算得到的临界直径时,临界岩石等代极限剪切强度远小于规范规定的岩石等代极限剪切强度,说明岩石不发生剪切破坏,这与实验的结论是一样的。方案2锚固深度较浅,均小于按规范对τb和τs分别取下限和上限时计算所得强风化硬质岩石的临界锚深1.567 m,0.5 m锚深的试验结果为:采用涨壳式锚固的一组锚杆被拔出,发生岩基整体剪切破坏,见图3;其他两组普通锚固的锚筋被拉断;而1.0 m,1.5 m锚深的试验结果均是锚筋被拉断。

对于方案1和方案2,从实验数据中可以看出(见图4),锚固深度分别为3.0 m，4.5 m和6.0 m的普通单锚基础的极限抗拔承载力基本一致,因为均发生锚筋拉断破坏,基础的抗拔承载力由锚筋本身强度决定。普通单锚基础的极限抗拔承载力与锚固深度呈线性递增关系,但当锚固深度大于1.0 m后,单锚基础的破坏模式均为锚筋被拉断,钢筋自身强度决定了极限抗拔承载力的大小,故其极限抗拔承载力没有显著变化;而涨壳式单锚基础的端部加强了锚固作用,故极限抗拔承载力随锚固深度变化也不明显。

综观上面单锚基础的设计试验,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,如何确定锚筋的有效锚固长度,使锚筋的承载力达到最大,是单锚基础的主要设计思路。假设锚筋在上拔荷载作用下处于弹性工作状态,依据试验实测应变值并按照式(8)计算锚筋的内力值。

F=σA=Eεπd2/4

(8)

其中，F为锚筋内力，kN;E为锚筋弹性模量,取E=2.0×105MPa;ε为锚筋实测应变值;d为锚筋直径，mm。

通过分析锚固深度分别为3.0 m，4.5 m和6.0 m的普通单锚基础的锚筋内力在试验加载过程中的典型变化规律,可以看出以下的主要变化趋势:1)不同锚固深度的锚筋内力均随荷载的增大而增大;2)不同锚固深度的锚筋内力均随埋深的增加而减小,当埋深大于2.5 m时,锚筋的内力均小于本级荷载的1/10。

3.2 群锚基础的计算分析及实验结论

方案3和方案4均是群锚基础,2×2承台式群锚基础考虑竖向上拔工况,8桩承台式群锚基础考虑竖向上拔+水平工况,下面分别从理论计算和实验结果加以分析。

根据规范的规定,按强风化硬岩计算,2×2承台式群锚基础在锚筋被拔出时所能承受的承载力及其实验结果如表4，表5所示。

表4 2×2承台式群锚基础承载力

表5 2×2承台式群锚基础实验结果

通过表4和表5对比分析发现,当埋深为0.5 m时,嵌岩的实验结果比按规范理论计算结果增大了595 kN,提高118%;埋深为1.5 m时,嵌岩后的承载力比未嵌岩的承载力增大了1 060 kN,提高60%,未嵌岩的抗拔承载力和计算理论是相吻合的;可以看出,2×2承台式群锚基础在单一上拔荷载的作用下,当实际锚固深度比有效锚固深度小时,适当加大锚固深度可以有效提高基础的极限抗拔承载力,同时,承台混凝土与岩石之间还存在侧摩阻力,这就使得承台嵌岩深度增加也能够大幅度提高基础的极限抗拔承载力,由于考虑到承台与岩石黏结使上拔承载力提高的具体效果不确定,而且岩石还承受水平力,因此实际设计中一般不考虑上拔承载力的提高。

同理,按规范中的规定,8桩承台式群锚基础各工况下的计算承载力及其实验结果如表6，表7所示。

表6 8桩承台式群锚基础承载力

表7 8桩承台式群锚基础实验结果

通过表6和表7的对比分析发现:由于计算锚筋拉断承载力时取锚筋的承载力设计值360 kPa,而锚筋的极限强度标准值为540 kPa,为设计值的1.5倍,再由于嵌岩黏结力,所以试验极限抗拔承载力大于计算所得锚筋拉断承载力1 810 kN。

4 岩石锚杆基础设计参数取值分析

前面已经阐述了岩石锚杆基础承载力4种控制工况,岩石基础的设计应该尽量充分发挥岩石自身的特性。基础设计是否合理经济主要与锚筋的有效锚固长度(l0),锚筋与细石混凝土间的黏结强度(τa),细石混凝土与岩石间的黏结强度(τb),岩石等代极限剪切强度(τs)这几个参数的取值有关,下面结合实验的一些数据和理论计算,简要论述各个参数的取值。

4.1 锚筋的有效锚固长度

锚筋的有效锚固长度是输电线路工程岩石锚杆基础设计时的关键参数之一,根据规范中规定强风化岩石的锚固深度不得小于45倍锚筋直径,直径为36 mm的锚固长度为1.62 m;试验表明不同锚固深度的锚筋内力均随埋深的增加而减小,集中在2 m埋深处内力变化存在拐点,且埋深超2.5 m范围的锚筋内力均小于本级荷载的10%,说明2 m以上的锚筋承受大部分轴力,大于规范取值23%,考虑安全余度后较合理。