浅析岩石锚杆基础与小型桩基础在粉砂岩地基中的应用边界

何兰宽 徐明鸣 杜海强 陈 路

（中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙 410000）

山区输电线路工程基础开挖一般采用人工作业。随着社会经济的发展，输电线路基础开挖机械化作业的需求进一步提升。受限于输电线路工程“长距”及“点性施工”的特性，施工机械以小型机械为主，包括锚杆钻机、小型旋挖钻机等；相应的基础包括岩石锚杆、小型桩、变截面桩、桩锚基础等。本文对岩石锚杆基础与小型桩基础计算模型进行分析，以粉砂岩为围岩边界条件，通过对岩石锚杆基础与小型群桩基础的计算进行对比，定量获得岩石锚杆基础与小型桩基础在粉砂岩层中应用边界，对拓宽岩石锚杆应用范围，提高输电线路基础机械化施工程度具有积极意义。

1 概述

锚杆基础是一种可用于直接建造在基岩上的柱基以及承受拉力或水平力较大的建筑物基础，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[1]。锚杆形成的支护体系广泛应用于岩石巷道支护[2]，基坑支护以及边坡支护等[3-4]。输电线路工程中锚杆直径一般不大于150 mm，适用于风化程度较低的完整岩石。

小型桩指桩径为200～400 mm，采用钻孔、强配筋和压力注浆施工工艺的灌注桩[5]，顶部通常设置混凝土承台及承台柱，形成刚接体系，与小型群桩共同承担上部荷载。小型桩适用于无地下水的硬塑、或强、全风化岩石地基。

对于岩石完整性较好的中风化岩石地基，上覆土层较薄时选用岩石锚杆基础；岩石完整性较差、岩石风化程度高或上覆土层较厚时选用小型桩基础。该选型原则主要基于基坑成孔的难易程度，机械掘进设备功率高低以及对地基岩性的定性判断。以此原则作为基础选型的判断依据，设计可操作性强，但精细化程度不高。

岩石的完整性或岩石的风化程度，其最终对应的岩石属性可以用岩石的单轴抗压强度或弹性模量进行表征。锚杆是一种柔性结构，在岩石地基中不承担水平抗力，从刚度分配的原则方面定义，所有水平抗力均由锚杆上端承台提供。岩石锚杆的应用范围限定于较硬岩石，通过围岩条件为基础提供有效的水平抗力。从实际施工工艺及岩石锚杆抗拔破坏形式分析，锚杆注浆后锚筋与周边岩体形成“桩-岩”体系，理论上锚杆体也应提供相应的水平抗力。

对小型群桩，其抗拔力、抗压力及水平抗力均由桩体及桩土体系共同提供，上端承台提供刚性连接。由于群桩的构造要求，在相同地基条件下小型群桩基础工程量远大于岩石锚杆基础工程量。通过分析岩石锚杆基础与小型桩基础计算模型，结合特定基岩条件（粉砂岩）进行计算对比，对提高输电线路工程岩石锚杆基础应用范围具有较高的参考价值。

2 岩石锚杆基础计算模型

输电线路基础上部荷载主要包括上拔荷载、下压荷载及水平荷载，受铁塔的受力特性影响，上拔荷载通常为控制荷载，根据现行岩石锚杆设计规程[6]。岩石锚杆基础承载力设计包括锚筋抗拉强度设计、锚筋与锚固剂间的黏结承载力设计，锚杆与岩土层间的极限黏结承载力设计以及岩体抗剪极限承载力设计。锚杆杆体不参与基础下压承载力计算。群锚基础承台有效嵌岩深度不小于0.5～0.8 m时，可不考虑水平力对锚群的影响。

3 小型桩基础计算模型

输电线路小型桩基计算模型与大直径灌注桩计算模型基本一致，与大直径灌注桩尺寸效应差异，小型桩抗拔系数取值有所不同。

考虑与输电线路桩基应用的一致性，本文暂不考虑后注浆工艺对桩基计算的影响。根据现行输电线路基础设计规程[1]，小型桩承载力设计主要包括桩顶效应计算、下压承载力设计及上拔承载力设计。

4 粉砂岩地基特性

粉砂岩主要由粉砂碎屑组成，属于沉积岩，粉砂粒径为0.062 5～0.003 9 mm，粉砂含量一般大于50%，该类岩石分布极为广泛，因其地质沉积年代远近或风化程度的高低，其物理硬度涵盖范围包括极度软至坚硬。

在同等中风化条件下，泥质粉砂岩单轴饱和抗压强度一般小于30 MPa，钙质粉砂岩单轴饱和抗压强度一般介于30～60 MPa，铁锰质粉砂岩单轴饱和抗压强度或可大于60 MPa。采用粉砂岩地基作为岩石锚杆与小型群桩的分析边界，其适用范围广、代表性强，是一种相对理想的岩石地基。根据资料及经验，均质岩石单轴抗压强度与弹性模量呈线性关系[7]，线性常数为350。

岩石锚杆基础与小型群桩基础均采用C30级混凝土，对不同单轴抗压强度粉砂岩参数取值如表1所示。

表1 典型粉砂岩地层物理参数

5 计算分析

5.1 计算边界条件

一般工程中岩石锚杆杆体直径范围为90～140 mm，取120 mm为典型计算锚径，小型桩基桩径200 mm。在上拔荷载下，锚杆的主要破坏形态为岩体剪切破坏，桩的主要破坏形态为桩土界面滑移破坏。故本次计算分析关注点主要为桩、锚的计算长度以及无承台约束条件下锚顶位移的变化。

5.2 极限状态下单桩与单锚计算长度分析

根据上述边界条件，计算不同单轴抗压条件下粉砂岩中单锚及单桩计算长度，如图1所示。

图1 单锚与单桩计算长度

由图1可知，因计算模型差异，小桩计算长度显著大于锚杆计算长度。随着岩石硬度增加桩长与锚长比值逐渐加大，ftk=20 MPa时，两者比值出现峰值，逐步降低至1.84左右。这是因为，随着ftk增加（岩石风化程度减弱），锚杆最小构造长度发生变化。

5.3 位移分析

已知粉砂岩体弹性模量与其单轴抗压强度呈一定线性关系，故可假定水平荷载在一定区间内锚杆为弹性体，与桩体一致，可采用水平抗力系数的比例系数m确定锚顶水平荷载与位移的关系。按输电线路荷载特点，取水平荷载分析范围为10～120 kN，计算结果如图2所示。

图2 水平荷载下锚顶位移

目前输电线路中桩基位移限值一般取6 mm。由图2可知，在不同荷载下，随着岩石单轴抗压强度增加，锚顶位移由19 mm递减至1 mm左右。在6 mm位移限值附近，岩石最小单轴抗压强度为13 MPa，对应荷载10 kN；岩石最大单轴抗压强度为48 kPa，对应荷载120 kN。

由此可推测，当锚杆刚度一定的情况下，小负荷对应软基岩、大负荷对应硬基岩，锚杆与岩体联合体存在一个区间，从计算上满足规程对桩顶位移限值的要求[1]。

6 结语

（1）岩石锚杆基础计算模型可充分发挥岩体与锚杆的承载力优势，在不考虑锚杆顶部水平荷载情况下，从极软岩至坚硬岩石，锚杆计算埋深、直径乃至混凝土用量都显著优于小桩基础。输电线路工程中的永久拉线基础，桩顶拉线基础等不考虑水平力的岩石基础，均可采用锚杆，优化工程量。

（2）假定在一定荷载区间内，锚杆与岩石共同组成弹性体，在锚顶位移限值一定的情况下，可求解出不同水平荷载下岩石对应的单轴抗压强度限值。由计算分析推测，在输电线路工程中，若基础上部水平荷载较小，锚杆一定程度可以承担部分水平荷载，群锚承台嵌入强风化岩层，即可满足水平位移限值要求，提高岩石锚杆应用范围用以替代小型桩基础。该结论尚需通过原位试验进行验证。