姜常勝，賈 琳，趙慶源

(1．遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006;2．遼寧冶金技術(shù)學(xué)院，遼寧 本溪 117000;3．本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

在輸電線路基本建設(shè)、停電檢修、搶修過(guò)程中，經(jīng)常需要使用鐵立錨樁 (俗稱(chēng)打釬子)。從現(xiàn)場(chǎng)鐵立錨樁使用情況看，主要存在以下問(wèn)題:首先，目前對(duì)鐵立錨樁承載力計(jì)算主要依靠相關(guān)參考資料給出的計(jì)算公式，公式中的土壤參數(shù)是否具有普遍適用性值得商榷;其次，如何改進(jìn)工藝，提高鐵立錨樁的承載力，使其更好地服務(wù)于生產(chǎn)，提高安全可靠性問(wèn)題值得深入研究。

1 普通鐵立錨樁承載力

1.1 普通鐵立錨樁承載力試驗(yàn)

選取直徑為50 mm、長(zhǎng)度為1 500 mm圓形普通鐵立錨樁，在常見(jiàn)的砂土、耕地、黃土地和強(qiáng)風(fēng)化巖土壤中進(jìn)行拉力試驗(yàn)。

鐵立錨樁打入方式:與地面成60°角度打入，打入深度為1 300 mm。使用絞磨對(duì)鐵立錨樁施加與地面成30°的斜向上拉力。

鐵立錨樁受力后，將向受力側(cè)產(chǎn)生位移，當(dāng)鐵立錨樁與地面垂直時(shí)停止增加拉力，并認(rèn)為此時(shí)鐵立錨樁受力為其極限承載力 (若繼續(xù)增加拉力，則可能發(fā)生鐵立錨樁被拔出或鋼絲繩套飛出，造成事故)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 普通鐵立錨樁承載力試驗(yàn)值 kN

1.2 不同土壤普通鐵立錨樁極限承載力

選取最小承載力作為普通鐵立錨樁極限承載力較合理。在試驗(yàn)條件相同情況下，不同土質(zhì)承載力:砂土 (中砂)極限承載力為9 kN;耕地 (硬塑性亞粘土)極限承載力為5 kN;黃土 (硬塑性粘土)極限承載力為9.5 kN;強(qiáng)化風(fēng)巖 (粘土加礫石，按堅(jiān)硬性粘土考慮)極限承載力為11 kN。選取最小承載力作為普通鐵立錨樁極限承載力較合理。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

砂土和耕地由于其抗剪角、被動(dòng)土抗力等參數(shù)較小，達(dá)到極限受力后，首先表現(xiàn)為土體破壞。在驗(yàn)算時(shí)，需重點(diǎn)針對(duì)土體承載力進(jìn)行驗(yàn)算。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)多觀察土體的變化，試驗(yàn)中均未發(fā)生鐵立錨樁變形等現(xiàn)象。

黃土和強(qiáng)風(fēng)化巖由于其抗剪角、被動(dòng)土抗力等參數(shù)較大，達(dá)到極限受力后，首先表現(xiàn)為鐵立錨樁體破壞，驗(yàn)算時(shí)需重點(diǎn)對(duì)鐵立錨樁本體進(jìn)行驗(yàn)算。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)要注意樁體的變化，試驗(yàn)中曾多次發(fā)生過(guò)鐵立錨樁變形現(xiàn)象。鐵立錨樁通常在距下端800 mm左右 (占打入深度的3/5)處產(chǎn)生彎曲變形(如圖1所示)。

圖1 鐵立錨樁變形情況

當(dāng)達(dá)到極限承載力后，只要鐵立錨樁變形增加，承載力就下降，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)注意觀察變形情況。

1.4 理論計(jì)算

鐵立錨樁安全拉力理論計(jì)算公式:

式中 P——錨樁的安全拉力，kg;

m——土壤被動(dòng)土抗力系數(shù)，kg/cm3;

b0——樁體計(jì)算寬度，cm;

d——樁體外徑，cm;

ε——校正系數(shù) (圓柱樁ε=2.0);

α——斜向樁沿垂直線傾斜角 (作用力與地面夾角);

H——外力作用點(diǎn)距地面垂直高度，cm;

h——樁體斜向打入土中斜向深度，cm。

按式 (1)選取相關(guān)參數(shù)計(jì)算，砂土 (中砂)、耕地土 (硬塑性亞粘土)、黃土 (硬塑性粘土)對(duì)應(yīng)的安全拉力均為245 N，強(qiáng)風(fēng)化土 (粘土加礫石，按堅(jiān)硬性粘土考慮)對(duì)應(yīng)的安全拉力為328 N。

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很大。砂土 (中砂)和黃土 (硬塑性粘土)實(shí)際極限承載力是計(jì)算安全拉力的36倍多，強(qiáng)風(fēng)耕地土 (硬塑性亞粘土)實(shí)際極限承載力是計(jì)算安全拉力的20倍多，風(fēng)化土 (粘土加礫石，按堅(jiān)硬性粘土考慮)實(shí)際極限承載力是計(jì)算安全拉力的33倍多。

由此可見(jiàn)，由于各地土質(zhì)條件不同，實(shí)際工作中無(wú)法采集對(duì)應(yīng)的參數(shù)，因此，參照相關(guān)資料計(jì)算安全拉力指導(dǎo)實(shí)際工作顯然不合適。建議各地區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥罈l件開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，給出當(dāng)?shù)夭煌寥罈l件下的安全拉力。

2 提高鐵立錨樁安全拉力

2.1 受力分析

普通鐵立錨樁受力分析如圖2所示，主要受樁頭所受的拉力F、受力側(cè)被動(dòng)土抗力Q1、樁下部被動(dòng)土抗力Q23個(gè)力的作用，還受到土的摩擦阻力，在此給予忽略。

圖2 普通鐵立錨樁受力

Q1主要作用是抵抗鐵立錨樁向受力側(cè)滑移，與被動(dòng)土抗力系數(shù)、鐵立錨樁計(jì)算寬度、鐵立錨樁自身強(qiáng)度有關(guān)。

Q2主要作用是抵抗拉力F引起的彎矩，與被動(dòng)土抗力系數(shù)、鐵立錨樁的計(jì)算寬度、鐵立錨樁自身強(qiáng)度有關(guān)。

2.2 改變受力方式

當(dāng)采取加裝卡盤(pán)的方法時(shí)，在不改變鐵立錨樁自身尺寸、強(qiáng)度等參數(shù)的前提下，通過(guò)改變鐵立錨樁的受力方式，可提高承載力。

圖3 帶卡盤(pán)鐵立錨樁受力

加卡盤(pán)后鐵立錨樁受力分析如圖3所示，當(dāng)鐵立錨樁受力后向受力側(cè)產(chǎn)生位移時(shí)，土壤對(duì)卡盤(pán)產(chǎn)生的作用力Q3將抵抗拉力F引起的彎矩。其大小與被動(dòng)土抗力系數(shù)、卡盤(pán)面積及強(qiáng)度有關(guān)。鐵立錨樁與土壤間的作用力Q4將抵抗拉力F引起的水平力，其大小與被動(dòng)土抗力系數(shù)、鐵立錨樁有效側(cè)面積及強(qiáng)度有關(guān)。由于改變了受力方式，提高了鐵立錨樁的安全拉力。

3 鐵立錨樁卡盤(pán)的研制

3.1 尺寸的確定

由于卡盤(pán)將在鐵立錨樁受力側(cè)起作用，因此，初步確定其形狀為半圓形。經(jīng)計(jì)算，采用直徑為600 mm，厚度為5 mm的半圓形鋼板制作，并用40 mm×5 mm的角鋼作3個(gè)斜支撐，支撐高度為200 mm(如圖4所示)。

圖4 卡盤(pán)實(shí)物

3.2 鐵立錨樁卡盤(pán)試驗(yàn)

采用帶卡盤(pán)的鐵立錨樁和普通鐵立錨樁在常見(jiàn)的砂土、耕地土、黃土地和強(qiáng)風(fēng)化巖等四類(lèi)土質(zhì)進(jìn)行拉力試驗(yàn)。

所采集的承載力為當(dāng)鐵立錨樁受力后，向受力側(cè)產(chǎn)生位移，與原土壤產(chǎn)生50 mm縫隙 (該數(shù)值取至普通鐵立錨樁試驗(yàn)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值)時(shí)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 帶卡盤(pán)鐵立錨樁承載力試驗(yàn)值 kN

3.3 不同土壤情況下帶卡盤(pán)鐵立錨樁承載力

選取最小承載力作為帶卡盤(pán)鐵立錨樁極限承載力較合理。帶卡盤(pán)鐵立錨樁在砂土 (中砂)的極限承載力為12 kN，耕地土 (硬塑性亞粘土)的極限承載力為10 kN，黃土 (硬塑性粘土)的極限承載力為12 kN，強(qiáng)風(fēng)化土 (粘土加礫石，按堅(jiān)硬性粘土考慮)的極限承載力為14 kN;普通鐵立錨樁在砂土 (中砂)的極限承載力為9 kN，耕地土(硬塑性亞粘土)的極限承載力為5 kN，黃土 (硬塑性粘土)的極限承載力為9.5 kN，強(qiáng)風(fēng)化土(粘土加礫石，按堅(jiān)硬性粘土考慮)的極限承載力為11 kN。由此可見(jiàn)，鐵立錨樁外加卡盤(pán)后，承載力至少提高了20%。

3.4 定性分析

加卡盤(pán)后，每次試驗(yàn)承載力數(shù)值離散性減小，由于連接方式、受力形式產(chǎn)生變化，安全性有所提高。

對(duì)于砂土、黃土和耕地土，達(dá)到極限受力后，首先表現(xiàn)為土體破壞。試驗(yàn)中均未發(fā)生鐵立錨樁變形。

對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化土，達(dá)到極限受力后，首先表現(xiàn)為鐵立錨樁體變形。當(dāng)達(dá)到極限承載力后，只要鐵立錨樁變形增加，承載力便會(huì)下降。因此，應(yīng)注意觀察鐵立錨樁變形情況。

3.5 帶卡盤(pán)鐵立錨樁的承載力計(jì)算

加卡盤(pán)后，土的承載力R取100 kN/m2時(shí):

Q4=b0×h×R=12 kN

式中 b0——樁體計(jì)算寬度，選10 cm;

h——樁體斜向打入土的斜向深度，取120 cm;

R——土的承載力，通?？扇?0～250 kN/m2，取100 kN/m2。

以鐵立錨樁承受水平承載力Q4為控制條件時(shí)，鐵立錨樁的水平承載力為8.4～30 kN;如果受力按30°角度考慮，鐵立錨樁水平承載力為9.7～34.6 kN。

Fs=0.5×0.5×r×3.14×R/H=10.5 kN

式中 Fs——鐵立錨樁的水平承載力;

r——卡盤(pán)半徑;取0.3 m;

R——土的承載力，通?？扇?0～250 kN/m2;

H——外力作用點(diǎn)距地面的垂直高度，取2 cm。

以卡盤(pán)抵抗彎矩為控制條件時(shí)，鐵立錨樁水平承載力為7.35～26.25 kN;如果受力按30°角度考慮，鐵立錨樁水平承載力為8.48～30.3 kN。

以上計(jì)算基本與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相吻合。

4 結(jié)論

a． 帶卡盤(pán)的鐵立錨樁承載力是可以控制的。

b． 由于各地土壤參數(shù)不同，依靠理論計(jì)算的方式確定鐵立錨樁使用條件是不科學(xué)的，建議采用試驗(yàn)方式確定其承載力，并用于指導(dǎo)實(shí)際工作。

c． 通過(guò)改變受力方式，采用外加卡盤(pán)的方法，可以提高鐵立錨樁的承載力并提高其安全性。

d． 若想繼續(xù)提高帶卡盤(pán)鐵立錨樁的承載力，應(yīng)增加鐵立錨樁本身尺寸，即在增大卡盤(pán)的同時(shí)增加鐵立錨樁的數(shù)量。

e． 對(duì)于凍土，鐵立錨樁承載力較大。在凍土(耕地土)深度為460 mm的條件下進(jìn)行的試驗(yàn)，采用直徑為50 mm的鐵立錨樁打入840 mm，按30°角度進(jìn)行牽引，拉力達(dá)50 kN，未發(fā)生異?，F(xiàn)象。

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