山区输电线路嵌岩桩水平位移计算及其影响因素

谢 枫，郑治祥，王锦涛

(中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

岩石地基作为山区工程建设面临的主要地质条件，通常呈无覆盖土层和有覆盖土层(上覆土层、下卧基岩)2种地层分布形态。随着电网工程建设快速发展，越来越多输电线路途径山区，嵌岩桩已经成为山区输电线路最常用基础型式[1-4]。在风、冰荷载等作用下，山区输电线路嵌岩桩基础需同时承受下压力、上拔力和水平力组合作用，且水平力一般为下压力的1/8～1/7。为适应山区斜坡地形需要，山区输电线路嵌岩桩基础露出地面高度一般较大，由于岩石地基嵌岩桩基础竖向下压、上拔承载性能较好，而水平位移大小往往成为山区输电线路嵌岩桩基础设计的控制条件。

本文根据不同行业嵌岩桩水平承载性能研究成果，基于山区输电线路基础工程特点，首先提出输电线路嵌岩单桩水平承载性能设计时应满足桩身嵌入基岩深度要求，在此基础上，进一步给出了山区输电线路工程无覆盖土层和有覆盖土层2种情况下的嵌岩桩水平位移计算模型和方法，分析了输电线路嵌岩桩水平位移的影响因素。

1 输电线路嵌岩桩的最小嵌岩深度

根据我国港口、公路、铁路等行业[5-7]的工程设计经验，考虑到岩石地基塔位嵌岩桩基础多处于山区斜坡地形，嵌岩桩基础桩径一般较大，埋深相对有限，塔位处岩体坡度以及桩侧岩层构造、岩体风化程度及其节理裂隙发育情况都将对基础抗水平承载性能产生影响，提出输电线路最小嵌岩深度计算应满足式(1)要求。

式中：H为嵌岩单桩基岩顶面处桩身截面水平力，kN；M为嵌岩单桩基岩顶面处桩身截面弯矩，kN·m；d为桩身直径，m；φr为岩体抗压强度折减系数，取0.5～1.0；φβ为嵌岩段桩身周围岩体坡度修正系数，当坡度β≤10°时，取1.0；当坡度10°＜β≤45°时，取0.67；当坡度β＞45°时，取0.33；fucs为岩石天然状态单轴抗压强度，kPa。

考虑到山区输电线路基础工程特点，式(1)首先引入了嵌岩段桩侧岩体竖向抗压强换算为水平抗压强度的折减系数φr以及嵌岩段岩体坡度修正系数φβ，以反映上述因素对基础水平承载性能的不利影响。其次，岩石地基嵌岩单桩在水平力作用下的承载性能与桩身混凝土强度和基岩强度有关，桩身混凝土强度小于岩石强度时，其承载性能取决于桩身混凝土强度。受地形地貌和道路运输条件限制，先进的机械化施工技术与装备一般难以在山区输电线路基础工程建设中得到应用，基础施工主要还是以人力为主，基础混凝土设计强度等级以C25为主，现场基础施工质量差异性较大。因此，按式(1)进行最小嵌岩深度计算时，若φrφβfucs大于桩身混凝土轴心抗压强度标准值fck时，以桩身混凝土轴心抗压强度标准值fck代换公式中的φrφβfucs进行计算。

2 嵌岩单桩水平位移计算

2.1 计算模型

对于无覆盖土层或覆盖土层厚度较薄的岩石地基，岩石地基抗压强度较高，具有较好的水平抗力性能。按现有杆塔基础水平力计算出来的附加与岩石地基的侧向压力一般均要小于岩石的抗压强度。因此控制山区输电线路基础水平承载性能的主要是基顶的水平位移。

Carter和Kulhawy等[8]对岩石地基中嵌岩桩水平承载性能的研究主要是基于岩土体介质的小孔扩张理论给出了嵌岩桩水平位移弹性解析结果，其计算模型如图1所示。

图1 嵌岩桩水平承载力计算模型[9-10]

对于存在较厚覆盖土层的嵌岩桩基础，我国港口、公路、铁路等行业[6-8]嵌岩桩设计均假设水平力和弯矩由锚固段桩周侧壁岩体承担，并要求嵌岩段桩身嵌入基岩的深度大于计算最小嵌岩深度，将嵌岩桩的嵌岩端作固接考虑，从而计算嵌岩桩基础立柱水平位移进行计算。

2.2 水平位移计算方法

1)无覆盖土层条件下的嵌岩单桩水平位移

如图1(a)所示，根据嵌岩段桩的深径比、桩径、桩周岩体性质、桩身混凝土强度及其配筋情况，无覆盖土层的嵌岩单桩水平承载性能状态可分为式(2)式(3)所示的情形[9-10]：

式中：(EI)p为嵌岩段桩身计算抗弯刚度，GN·m2。

根据如图1(a)所示的无覆盖土层嵌岩桩水平承载力计算模型，对柔性和刚性承载性能状态的嵌岩桩基础桩顶水平位移和转角分别按照式(5)和式(6)进行计算：

式中：H为嵌岩单桩基岩顶面处桩顶水平力值，kN；M为嵌岩单桩基岩顶面处桩顶截面弯矩值，kN·m。

2)有覆盖土层嵌岩单桩水平位移

如图1(b)所示，有覆盖土层的嵌岩单桩在水平力和弯矩共同作用下，在土岩界面处等效为覆盖土层中底端固定的悬臂梁和基岩中嵌岩桩两部分。此时，有覆盖土层嵌岩单桩的桩顶水平位移由三部分共同组成：桩顶水平力和弯矩共同作用下，覆盖土层中桩顶水平位移，土岩界面处桩身截面水平力和弯矩共同作用下基岩中嵌岩桩在土岩界面处水平位移，以及土岩界面处桩身截面转角所引起覆盖土层中桩顶水平位移。

式中：H0为桩顶水平力，kN；M0为桩顶弯矩，kN·m；H为嵌岩单桩基岩顶面处桩顶水平力，kN；M为嵌岩单桩基岩顶面处桩顶截面弯矩，kN·m；uAO为桩顶位移，m；hs为覆盖土层厚度，m；d为桩身直径，m；cu为覆盖土层桩侧土体不排水剪切试验的黏聚强度，kPa；γs为覆盖土层土体容重，kN/m3；Kp为覆盖土层桩侧土体的侧向土压力系数。

土岩界面处桩身截面水平力和弯矩共同作用下，基岩中嵌岩桩土岩界面处水平位移以及嵌岩部分桩身截面转角，可按无覆盖土层嵌岩单桩水平位移计算方法的式(1)～(4)进行确定。

3 嵌岩桩水平承载性能影响因素分析

3.1 嵌岩单桩水平承载性能算例

依据某特高压工程实际荷载条件，基础荷载设计值见表1所列。

表1 基础荷载设计值

假设塔位地形位平地条件，地层分布及岩土体设计参数见表2所列。

表2 塔位岩土体参数

续表

嵌岩桩基础桩身设计尺寸、基础混凝土、基础钢筋及相关设计参数见表3所列。

表3 桩身混凝土及配筋参数

根据表1～表3所列的设计参数，并取水平承载性能计算中岩体节理裂隙计算参数φr=0.5，岩坡修正系数φβ=0.67。由此计算得到：最小嵌岩深度为2.48 m，实际嵌岩深度9.5 m，满足桩身嵌岩深度要求。

按式(3)计算得桩体等效弹性模量Ee=26.7 GPa，桩侧岩石等效剪切模量G*=5.105 GPa，按式(2)计算结果确定嵌岩单桩为柔性承载状态。由此分别可计算得到下压荷载工况和上拔荷载工况下桩顶水平位移分别为2.12 mm和1.8 mm，工程设计中规定输电线路基础水平位移限值为10 mm，因此算例基础可满足水平承载性能要求。

3.2 嵌岩单桩水平承载性能影响因素分析

为分析嵌岩单桩水平承载性能影响因素，可假设3.1节算例荷载条件、地层岩土体性质条件基本不变，从而改变覆盖层厚度、基础露头高度和桩径中某因素取值，得到相应影响因素对基础水平位移影响规律，结果分别如图2所示。

图2 不同因素对最小嵌岩深度和水平位移影响规律

从图2结果可以看出，当基础荷载条件、地层岩土体工程性质条件给定时，嵌岩桩计算最小嵌岩深度和桩顶水平位移均随覆盖层厚度和基础露头高度增加而增大。但是，桩径对基础柱顶水平位移影响较为为敏感，嵌岩桩计算最小嵌岩深度和桩顶水平位移均随桩径增大而迅速减小。此外，进一步计算发现，当嵌岩桩埋深大于计算所需最小嵌岩深度后，增加嵌岩埋深，对基础顶部水平位移影响较小，甚至几乎无影响。

4 结语

本文提出的嵌岩桩基础水平位移算模型与方法，一方面可满足嵌岩桩基础最小嵌岩深度要求，同时也可根据塔位地层分布特征、地基岩土体性质、桩基混凝土及其配筋情况，进行嵌岩桩基础立柱水平位移进行计算与验算，可较好地满足输电线路基础承载性能要求。

基于本文提出的输电线路嵌岩桩基础水平位移计算方法，分析了输电线路嵌岩桩水平位移影响因素。结果表明，桩径对嵌岩桩水平位移影响最为敏感。当嵌岩桩埋深大于最小嵌岩深度后，继续增加嵌岩桩埋深对基础顶部水平位移的影响较小。