输电线路扩底桩锚杆复合基础数值模拟研究

邱昊茨 武奋前 李扬森 林少远 陈玮雨 林凯

（1 国网泉州供电公司 福建泉州 362000 2 国网福建省电力有限公司 福建福州 350001）

0 引言

岩石锚杆基础是以地脚螺栓或钢筋作为锚筋直接锚入机械钻凿成的岩孔内并采用高标号水泥砂浆或细石混凝土等胶结材料进行灌注，通过水泥砂浆或细石混凝土等胶结材料在岩孔内的胶结，使锚筋与岩体结成整体来抵抗上部杆塔结构传来的荷载的基础型式。常规岩石锚杆可以节约工程投资，受限于相应的地形地质条件的影响，其应用范围有一定的局限性［1-5］。本文提出1 种新型的锚杆复合基础型式，上部为扩底桩基础，下部为锚杆基础，能适应不同的地形以及地质条件，有良好的经济效益。

针对锚杆基础，国内同行已经开展相关的研究。王刚耀［6］通过和重力式塔基础的对比，结果表明锚杆-承台电塔基础较重力式塔基础明显降低了材料用量，且能抵御台风；程永锋等［7］在现场完成了不同锚杆埋深和承台嵌岩深度的3 个2 m×2 m 承台式群锚基础的抗拔试验、3 个3 m×3 m 承台式（8 根锚杆布置）群锚基础的上拔与水平力组合荷载工况试验。试验结果表明：水平力明显降低了承台嵌岩式岩石锚杆群锚基础的抗拔承载性能，适当增加承台嵌岩深度可有效提高承台嵌岩式岩石锚杆群锚基础的抗拔承载性能，并提出承台嵌岩式岩石锚杆群锚基础具有较好的抗拔与水平承载性能；鲁先龙等［8］在4 种典型岩石地基中对4 种不同材质锚杆群锚和单锚基础抗拔开展了对比试验，结果表明：岩石群锚基础抗拔承载性能既取决于单锚承载性能，也受岩石地基性质影响。宋永发［9］根据原型试验结果，分析了强分化地区岩石锚杆基础中锚筋滑移与屈服、砂浆柱体抗拔、岩体剪切破坏机理及破坏形式、锚筋内力分布、水平力对直锚式群锚和承台式群锚的影响以及影响承载力的因素，计算了相应的黏结应力。

虽然国内同行针对锚杆基础已经开展系列的研究，但是针对扩底桩锚杆复合基础的研究较少，因此开展扩底桩基础设计施工研究具有重要的意义。

1 基础几何特性

数值模拟几何形状如图1 所示，各试验基础的尺寸参数如表1 所示。

表1 试验基础尺寸参数表

图1 试验基础结构示意图

新型复合型基础的计算模型宽度为10 m、模拟深度为20 m。网格单元共划分为30 000 个立体单元。模型采用全模结构，模型左右两侧限制X 向水平约束，模型前后两侧限制Y 向水平约束，模型底部限制X、Y、Z 等3 个方向的约束（相当于固定支座），整个计算模型尺寸如图2 所示。

图2 地基计算模型

2 物理力学参数选取

数值计算中岩土体采用理想弹塑性本构模型-摩尔库仑（Mohr-Coulomb）模型，扩底桩＋岩石锚杆新型复合型基础的周围岩土体分为上部黏性土与下部中风化岩体，摩尔库仑模型中的相关特性参数取值如表2 所示。

表2 岩土体Mohr－Coulomb 模型特性参数

扩底桩基础为C30 混凝土，弹性模型的相关特性参数主要包括弹性模量、泊松比及重度，详见表3。数值计算中锚杆基础采用锚索（Cables）结构单元来模拟真实的结构件，锚索结构单元由几何参数、材料参数和水泥浆特性来定义，如表4 所示。

表3 复合基础（混凝土）物理力学参数

表4 下部岩石锚杆部分的力学参数

3 上拔位移云图

图3 所示为不同类型基础在不同荷载特征下不同桩顶位移等级下位移等值线云图。从图3 中可以看出，在上拔荷载作用下，地基中上拔位移随桩顶位移增加而显著增加，直至破坏时基础呈现整体拔出破环状态；扩底桩嵌固基础最先出现塑性区域的是扩底段和土体的接触面，因此在扩底桩嵌复合基础设计时，需要注意扩底段的桩基本体的承载力。

图3 不同桩顶位移等级下的云图

由图3 可知，不同的锚杆根数对承载力以及塑性区域有很大的影响，因此不同的上部结构尺寸和锚杆根数、锚杆的锚固深度可以进行有效的匹配，进而获得最优构造。

4 应力分布

图4 为不同类型基础在不同荷载特征和不同桩顶位移等级下基础应力分布云图。如图4 所示，在极限上拔承载力作用下，岩石锚杆部分呈现拉应力状态，埋置在上部桩基混凝土内的锚杆杆体的拉力值较小，而在土岩界面处的锚杆杆体拉力值最大，为625 kN，与岩石锚杆基础的极限上拔承载力相同，可见复合型基础中岩石锚杆部分的极限承载力基本可完全发挥出来。

图4 不同基础应力分布特点

对比图4（a）和图4（b）可知，随着锚杆根数的增加，锚杆部分承担的基础作用力也随着增大，因此上部结构和土体的相互作用力就相应的减少。对比图4（c）和图4（d）可知，复合基础在水平荷载作用下，随着锚杆根数的增加，其抗水平承载力增加，因此复合基础在抵抗水平力条件下较常规锚杆基础有一定的优势。

5 塑性区分布规律

图5 所示为不同类型基础在不同荷载特征及不同桩顶位移等级下塑性区分布规律图。如图5 所示，在极限上拔承载力作用下，复合型基础的塑性区分布云图呈现出：上部扩底桩部分出现剪切破坏，下部岩石锚杆部分出现拉伸破坏，可见复合型基础的破坏状态主要表现为上部扩底桩部分的剪切破坏与下部岩石锚杆的拉伸破坏。

图5 不同荷载特征下塑性区分布规律图

图6 荷载分担比

由图5（a）可知，最早出现塑性区域的是扩底桩与土体的基础，并且逐步增加塑性面积，塑性面积增加方向为水平向与垂直向同步增加。但是随着荷载的继续增加，水平向塑性区域增加速度逐步缓慢，垂直向荷载塑性区域继续发展，最后形成“圆柱状”的塑性发展区域。

由图5（b）可知，在水平荷载作用下，首先出现塑性区域的依然为扩底桩的锥形扩底部分，其原因是扩底部分与土体的接触刚度较大，随着荷载的增加，地面处与土体接触塑性区域逐步扩大，最后形成“倒八字”塑性发展区域。

6 复合基础承载力分担机制

通过不同基础类型的有限元分析，分析2 种不同基础的上拔荷载分担比例，结果如下：当荷载为30～50 kN时，锚杆分担荷载比例在0.2 左右；当地基破坏超出地基承载力时，锚杆分担阻力进一步下降至约0.11 左右。总的来说接近破坏时锚杆承担荷载约为0.2，即根据数值模拟结果本类型分层岩体中嵌固基础的荷载分担比为0.2～0.25 之间。

7 结论

本文基于不同尺寸，不同受力状态下扩底桩锚杆复合基础的数值模拟，得出扩底桩锚杆复合基础的上拔位移云图、应力分布、塑性区分布以及荷载分担比例等结论，主要结论如下：

（1）在上拔荷载作用下，地基中上拔位移随桩顶位移增加而显著增加，直至破坏时基础呈现整体拔出破环状态；扩底桩嵌固基础最先出现塑性区域的是扩底段和土体的接触面，需要注意扩底段的桩基本体的承载力。

（2）随着锚杆根数的增加，锚杆部分承担的基础作用力也随着增大，因此上部结构和土体的相互作用力就相应的减少。复合基础在水平荷载作用下，随着锚杆根数的增加，其抗水平承载力增加，因此复合基础在抵抗水平力条件下较常规锚杆基础有一定的优势。

（3）复合基础在上拔力作用下最早出现塑性区域的是扩底桩与土体的基础，并且逐步增加塑性面积，塑性面积增加方向为水平向与垂直向同步增加。但是随着荷载的继续增加，水平向塑性区域增加速度逐步缓慢，垂直向荷载塑性区域继续发展，最后形成“圆柱状”的塑性发展区域。在水平荷载作用下，首先出现塑性区域的依然为扩底桩的锥形扩底部分，其原因是扩底部分与土体的接触刚度较大，随着荷载的增加，地面处与土体接触塑性区域逐步扩大，最后形成“倒八字”塑性发展区域。

（4）当荷载为30～50 kN 时，锚杆分担荷载比例在0.2 左右；当地基破坏超出地基承载力时，锚杆分担阻力进一步下降至约0.11 左右。总的来说接近破坏时锚杆承担荷载约为0.2，即根据数值模拟结果本类型分层岩体中嵌固基础的荷载分担比为0.2～0.25 之间。