程永鋒，魯先龍，鄭衛(wèi)鋒

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市，100055)

0 引言

輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)通過(guò)將水泥砂漿或細(xì)石混凝土與錨筋注入巖孔內(nèi)，使得錨筋與巖體膠結(jié)成整體，承受上部結(jié)構(gòu)荷載［1-4］。巖石錨桿基礎(chǔ)減少了基礎(chǔ)混凝土用量、土石方開挖量，降低了水泥、砂石、基礎(chǔ)鋼材及棄土的運(yùn)輸量，能顯著降低運(yùn)輸工程量，特別適用于地形復(fù)雜的高山地區(qū)。同時(shí)，也因顯著減少了人工開挖或爆破作業(yè)對(duì)基礎(chǔ)周圍巖石基面、林木植被的損害，具有較好的環(huán)保效益。本文基于對(duì)巖石錨桿基礎(chǔ)的理論分析［5-6］，結(jié)合大量的現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)［7-9］，對(duì)目前輸電線路工程中巖石錨桿基礎(chǔ)的工程應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了探討與分析，提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，并對(duì)巖石錨桿基礎(chǔ)今后的研究方向提出了一些建議。

1 工程應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)策

1.1 工程勘察

1.1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

巖石地基的劃分方法：(1)按照巖石堅(jiān)硬程度(定性判斷或根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度值來(lái)確定)劃分為硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖；(2)根據(jù)巖石自身結(jié)構(gòu)特性定性劃分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化； (3)根據(jù)巖石基礎(chǔ)的堅(jiān)硬程度與風(fēng)化程度，確定巖石錨桿基礎(chǔ)的相關(guān)計(jì)算參數(shù)。這3種分類方法為定性判別，巖石類別的判定很大程度上依賴于現(xiàn)場(chǎng)勘探技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺少必要的定量判定方法。

1.1.2 解決對(duì)策

由于缺乏統(tǒng)一的勘察和評(píng)價(jià)方法，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)巖石錨桿基礎(chǔ)地段的巖土工程勘察［10-11］。首先，對(duì)輸電線路巖石進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)［12］；其次，根據(jù)巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，對(duì)巖石基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘察，輔以必要的鉆探、物探等科學(xué)方法，減少主觀的評(píng)價(jià)因素，增加量化評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的方法，提高巖石基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)勘測(cè)工作的精度與水平。

在具體工程中，首先必須逐基查明塔位的地質(zhì)狀況，采用定性與定量相結(jié)合的方法，以現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪為主，輔助以探槽、坑探等實(shí)地工作，必要時(shí)結(jié)合物探手段，以提高勘察工作的精度與水平。

1.2 工程設(shè)計(jì)

1.2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

規(guī)范規(guī)定的巖石錨桿基礎(chǔ)相關(guān)計(jì)算參數(shù)的取值區(qū)間過(guò)大，即使精準(zhǔn)判定巖石基礎(chǔ)的類別，相關(guān)計(jì)算參數(shù)的取值仍存在一定的偏差，設(shè)計(jì)人員不得不選擇最為保守的參數(shù)作為設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)，基礎(chǔ)安全穩(wěn)定系數(shù)往往偏于保守，不符合“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”的輸電線路工程建設(shè)目標(biāo)。

(1)設(shè)計(jì)方法。各種行業(yè)規(guī)范對(duì)巖石錨桿承載力計(jì)算的規(guī)定主要是依據(jù)錨筋承載力、錨筋與砂漿的粘結(jié)力、砂漿與巖體的粘結(jié)力、巖體抗剪承載力等4個(gè)方面來(lái)確定的［13］。邊坡工程、公路路基、鐵路路基對(duì)巖石錨桿承載力的計(jì)算是基于對(duì)不穩(wěn)定巖石邊坡的加固處理，由于不存在結(jié)構(gòu)體整體向上拔出的問(wèn)題，只需驗(yàn)算錨筋承載力、錨筋與砂漿的粘結(jié)力、砂漿與巖體的粘結(jié)力。針對(duì)抗浮錨桿、溢洪道問(wèn)題，電力行業(yè)的解決策略是通過(guò)錨桿的作用由巖石向構(gòu)筑物提供拉力，這樣不僅可能發(fā)生錨筋斷裂、錨筋抽出剪切破壞、錨固體抽出破壞，而且還可能發(fā)生錨桿連同巖體一起整體拔出破壞的特殊形式，因此需驗(yàn)算上述4種破壞狀態(tài)。目前，建筑行業(yè)通過(guò)增加錨桿長(zhǎng)度來(lái)抵消抗浮錨桿發(fā)生巖石剪切破壞的概率［14］，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不予計(jì)算。

(2)計(jì)算參數(shù)的選取。1)錨筋承載力計(jì)算。為保證錨筋自身不產(chǎn)生屈服變形破壞，應(yīng)按照鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行驗(yàn)算。2)錨筋與砂漿的粘結(jié)力計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，錨筋與砂漿或細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)于C20級(jí)砂漿或細(xì)石混凝土取 1.80 MPa，C30級(jí)砂漿或細(xì)石混凝土取2.5 MPa。3)砂漿與巖體的粘結(jié)力計(jì)算。目前，電力行業(yè)按照硬巖與軟巖并結(jié)合風(fēng)化程度給出了砂漿或細(xì)石混凝土與巖體的粘結(jié)強(qiáng)度取值，取值區(qū)間過(guò)大；而邊坡工程、公路路基、鐵路路基、建筑行業(yè)溢洪道等，均按照巖石堅(jiān)硬程度分5個(gè)等級(jí)(堅(jiān)硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖)，并給出了取值標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際上，巖石的堅(jiān)硬程度中已考慮了巖石風(fēng)化程度，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)通用的工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，建議電力行業(yè)規(guī)范按照巖石堅(jiān)硬程度給出合適的取值。4)巖石抗剪承載力計(jì)算。盡管需要將裂縫與變形綜合考慮，但大量的現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值明顯偏小，且隨著錨桿埋深的增加，一般很難發(fā)生巖體剪切破壞，因此應(yīng)根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度，適當(dāng)考慮提高巖石等代極限剪切強(qiáng)度的取值。

(3)錨桿錨固長(zhǎng)度。目前，實(shí)際輸電線路工程中錨桿錨固長(zhǎng)度的設(shè)置多依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，錨固長(zhǎng)度往往較長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，錨桿承載力與錨固深度呈非線性關(guān)系［15］。相關(guān)資料表明，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，錨桿軸力隨深度而衰減，當(dāng)軸力衰減到一定程度以后，超出部分可以近似認(rèn)為不承受持荷作用［16-19］。因此，巖石錨桿基礎(chǔ)錨固深度存在臨界值，超過(guò)該值后，增加錨固深度無(wú)助于提高錨桿的極限承載力。

1.2.2 解決對(duì)策

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)巖石錨桿基礎(chǔ)的勘察結(jié)果，結(jié)合巖石堅(jiān)硬程度，對(duì)砂漿與巖體的粘結(jié)強(qiáng)度、巖石等代極限剪切強(qiáng)度的取值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。

設(shè)計(jì)錨桿錨固長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，建議輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)的錨固深度不小于1.5 m，不宜大于5.0 m。

1.3 工程施工

巖石錨桿基礎(chǔ)施工存在2個(gè)問(wèn)題：其一，施工機(jī)器具的輕便性不滿足要求，對(duì)于輸電線路工程，材料或施工機(jī)械的運(yùn)輸便利性至關(guān)重要，因此研發(fā)拆裝方便、自重輕的機(jī)器具是巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用的關(guān)鍵之一；其二，施工的規(guī)范性有待提高，主要是成孔與灌漿的標(biāo)準(zhǔn)化流程，通過(guò)規(guī)范機(jī)械化操作的施工工藝，能有效控制和提高基礎(chǔ)施工質(zhì)量。

(1)成孔要求。錨孔的成孔包括人工打孔與機(jī)械鉆孔，成孔直徑不得產(chǎn)生負(fù)誤差，正誤差宜為20 mm；成孔深度的允許誤差為±20 mm［20-21］。成孔后，必須清除孔內(nèi)的石粉、浮土及石渣等，并用清水清洗干凈，然后用泡沫塑料將水吸干。機(jī)械鉆孔時(shí)，應(yīng)針對(duì)巖石硬度選擇不同的鉆頭，對(duì)微風(fēng)化的硬質(zhì)巖石，應(yīng)選擇金剛石鉆頭。

(2)灌漿要求。灌漿效果不好，會(huì)出現(xiàn)鋼筋腐蝕或銹蝕而導(dǎo)致其使用期限降低，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水泥砂漿或細(xì)石混凝土等灌漿材料的施工工藝與灌漿質(zhì)量控制，應(yīng)保證孔壁干凈。現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)表明，高壓二次灌漿工藝施工復(fù)雜，不建議應(yīng)用。建議在水泥砂漿或細(xì)石混凝土等灌漿料中摻入膨脹劑，以提高漿體與巖土間的粘結(jié)強(qiáng)度，但設(shè)計(jì)中僅僅作為安全儲(chǔ)備考慮。

1.3.2 解決對(duì)策

施工流程的規(guī)范化與施工機(jī)器具的研制是巖石錨桿基礎(chǔ)工程應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，研制輕便、便攜的巖石錨桿基礎(chǔ)鉆機(jī)，以解決其在輸電線路工程中運(yùn)輸不便的問(wèn)題。

1.4 工程檢測(cè)

選取2016年12月至2017年12月在我院治療的ST抬高型急性心肌梗死患者40例為研究對(duì)象,其中,男22例,女18例,平均年齡(64.9±4.3)歲?；颊呔霞毙孕募」Ｋ赖南嚓P(guān)診斷標(biāo)準(zhǔn),排除溶栓禁忌癥患者。將患者按照隨機(jī)方法分為A組和B組各20例,A組梗死部位:前壁11例,下壁7例,其他部位2例;既往病史:高血壓10例,冠心病14例,心肌梗死3例;B組梗死部位:前壁10例,下壁8例,其他部位2例;既往病史:高血壓12例,冠心病15例,心肌梗死2例;兩組一般資料差異不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),具有可比性。

由于地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，巖石錨桿基礎(chǔ)在施工過(guò)程中會(huì)遇到各種問(wèn)題，需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)與檢驗(yàn)工作，以確保巖石錨桿基礎(chǔ)施工的成功率。錨桿質(zhì)量檢測(cè)主要包括拉拔試驗(yàn)法與應(yīng)力波反射法［22-23］。拉拔試驗(yàn)法準(zhǔn)確可靠，但試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，只能進(jìn)行少量抽檢；應(yīng)力波反射法在檢測(cè)巖石錨桿基礎(chǔ)錨固質(zhì)量方面有別于樁基檢測(cè)，目前很難根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)對(duì)錨桿質(zhì)量給出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，尚未進(jìn)入大范圍實(shí)用階段。

在施工質(zhì)量檢測(cè)方面，建議采用孔內(nèi)電視［24］等技術(shù)提高鉆孔的測(cè)量精度，同時(shí)可清晰揭示孔內(nèi)的巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育程度。

1.5 經(jīng)濟(jì)性分析

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度，目前最急需解決的巖石錨桿基礎(chǔ)問(wèn)題是施工計(jì)價(jià)定額依據(jù)［25］。錨桿施工的土石方量小，雖工程應(yīng)用價(jià)值大，但是巖石錨桿基礎(chǔ)沒(méi)有全國(guó)統(tǒng)一的電力行業(yè)定額，施工單位施工積極性低。另外，應(yīng)用巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)充分考慮施工條件和施工工藝的便利性，應(yīng)盡量集中在線路的某一區(qū)段。

2 研究方向

2.1 高強(qiáng)度鋼

巖石錨桿基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，60％以上的巖石錨桿基礎(chǔ)破壞狀態(tài)為錨筋被拉斷破壞，其次是錨筋從砂漿中抽出破壞，而砂漿與巖體的粘結(jié)強(qiáng)度及巖石抗剪承載力一般不起控制作用［6］。

目前，輸電線路巖石錨筋基礎(chǔ)的錨筋普遍采用HPB235、HRB335鋼筋，鋼筋屈服強(qiáng)度較低，使得巖石的抗剪性能、巖石和砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度、錨筋和砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度等無(wú)法得到充分發(fā)揮，尤其是當(dāng)基礎(chǔ)作用力較大時(shí)，使用的錨筋根數(shù)大幅增加，使得基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不明顯。

若將錨筋的屈服強(qiáng)度提高1～2倍，如采用HRB400或40Cr等高強(qiáng)鋼，盡管鋼材單價(jià)會(huì)提高，但綜合本體造價(jià)會(huì)節(jié)約20％～40％，其環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)將更加明顯［26］。目前，高強(qiáng)度錨筋已在遼寧撫程500 kV送電線路新建工程中試點(diǎn)應(yīng)用。

2.2 漲殼式新結(jié)構(gòu)

漲殼式錨桿主要用于搶修或緊急輸電線路工程，如圖1所示。錨桿底部安裝有漲殼錨頭，錨桿插入孔內(nèi)后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)錨桿施加扭矩，可使?jié)q殼錨頭張開，緊鎖孔壁，在未注漿前即能承受一定的拉拔力，使得基礎(chǔ)具備立塔條件，從而節(jié)約了砂漿或細(xì)石混凝土達(dá)到凝固強(qiáng)度的時(shí)間。由于底部漲殼錨頭的作用，錨桿錨固作用明顯提高，壓應(yīng)力及區(qū)域明顯增大，變形量也明顯降低，承載力得到提高，但其整體承載力的提高程度與漲殼錨頭型式和施工工藝密切相關(guān)。

圖1 漲殼式錨桿結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of swelled rock anchor

2.3 擴(kuò)底錨樁新工藝

擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)如圖2所示，其作用機(jī)理為通過(guò)底部構(gòu)造措施改善錨桿上部?jī)?nèi)力集中現(xiàn)象，增加巖石錨桿基礎(chǔ)的抗拔穩(wěn)定性［27］。

圖2 巖石擴(kuò)底錨樁Fig.2 Belled rock-anchor pile

文獻(xiàn)［28］進(jìn)行了擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)，通過(guò)上部纏繞、下部擴(kuò)底技術(shù)來(lái)提高基礎(chǔ)的承載力。然而，從荷載位移曲線看，其最大位移值僅2.06 mm，未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均未達(dá)到破壞狀態(tài)。擴(kuò)底錨樁的承載性能能否提高，取決于錨桿的破壞狀態(tài)，目前輸電線路工程中的巖石錨桿基礎(chǔ)埋深較深，很少發(fā)生巖體剪切破壞，因此其承載力不一定能得到提高。實(shí)質(zhì)上，擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)通過(guò)上部纏繞方式形成自由段，桿塔荷載能直接傳遞到錨桿底部，這樣就不會(huì)再受到表層破碎巖體的影響而限制錨桿的使用范圍，從而可擴(kuò)大巖石錨桿基礎(chǔ)的適用范圍，這一點(diǎn)是擴(kuò)底錨樁的優(yōu)勢(shì)所在。錨孔擴(kuò)底施工技術(shù)費(fèi)用較高，與傳統(tǒng)的巖石錨桿基礎(chǔ)相比經(jīng)濟(jì)性差。

2.4 新型基礎(chǔ)

針對(duì)覆蓋層較厚的山區(qū)輸電線路工程，單純采用巖石錨桿基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性不顯著，應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)條件選擇合適的新型環(huán)保型桿塔基礎(chǔ)型式。

針對(duì)上部粘土層、下部巖層的山區(qū)地質(zhì)條件，將掏挖基礎(chǔ)與巖石錨桿聯(lián)合形成的復(fù)合式基礎(chǔ)，如圖3所示。復(fù)合式基礎(chǔ)充分利用原狀土、減少土方開挖量，無(wú)需爆破巖層、便于施工，利于保護(hù)環(huán)境。目前，復(fù)合式基礎(chǔ)的荷載傳遞機(jī)理與變形協(xié)調(diào)機(jī)理尚不清晰，尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，因此需要大量的現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)來(lái)確保其可靠性。

圖3 復(fù)合式基礎(chǔ)Fig.3 Com posite foundation

針對(duì)上部覆蓋層為松散土體、下部巖層的山區(qū)地質(zhì)條件，可考慮采用由錨筋構(gòu)成的錨筋群樁基礎(chǔ)，如圖4所示。由于錨筋直徑相對(duì)較細(xì)(不大于36mm)，孔徑也較小，可采用人工方式進(jìn)行成孔。但由于錨筋數(shù)量較多，其樁間距大小影響整體承載力，因此應(yīng)加強(qiáng)群錨效應(yīng)系數(shù)的研究，通過(guò)真型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其整體承載性能。

圖4 錨筋群樁基礎(chǔ)Fig.4 Group steels foundation

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在勘察方面，首先要逐基、逐腿進(jìn)行勘測(cè)，采用定性分析與定量數(shù)據(jù)相結(jié)合，充分利用先進(jìn)的物探設(shè)備，保證巖石地質(zhì)勘察的精度與準(zhǔn)確性。

(2)在設(shè)計(jì)方面，要重視砂漿或細(xì)石混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度、巖石等代極限剪切強(qiáng)度的取值標(biāo)準(zhǔn)，要合理確定錨桿長(zhǎng)度。

(3)在施工與檢測(cè)方面，要加強(qiáng)對(duì)鉆孔與灌漿的標(biāo)準(zhǔn)化流程的監(jiān)督，同時(shí)要積極研發(fā)新型輕便型的鉆機(jī)設(shè)備，要加強(qiáng)施工質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)。

(4)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面，要盡快制定巖石錨桿基礎(chǔ)的施工計(jì)價(jià)定額依據(jù)。

(5)在新材料、新工藝、新技術(shù)方面，通過(guò)采用高強(qiáng)度鋼材、漲殼技術(shù)、錨孔擴(kuò)底技術(shù)等措施改善巖石錨桿基礎(chǔ)的承載性能，通過(guò)采用新型復(fù)合式基礎(chǔ)、錨筋群樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)型式提高巖石錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍。

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