曾二賢，馮 衡，包永忠，李 強(qiáng)

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430072)

錨桿基礎(chǔ)在以往220kV～750kV的線路工程中有較多運(yùn)用，但特高壓輸電工程中鮮見應(yīng)用。2008年，在向家壩－上?！?00kV特高壓直流輸電工程(以下簡稱“向上線”)錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用尚屬首例，隨后在±800kV錦屏－蘇南(以下簡稱“錦蘇線””)、±800kV糯扎渡送電廣東(以下簡稱“糯廣線”)等特高壓直流工程中得到了陸續(xù)應(yīng)用?？梢姡^桿基礎(chǔ)在特高壓直流線路工程中已從試用階段逐漸邁入推廣應(yīng)用的階段。

本文基于±800kV向上線、錦蘇線、糯廣線等特高壓直流工程中錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用的情況，對(duì)錨桿基礎(chǔ)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢展開分析，并結(jié)合已有成果對(duì)錨桿基礎(chǔ)的工程應(yīng)用實(shí)踐提幾點(diǎn)建議。

1 錨桿基礎(chǔ)的效益分析

如表1～表3分別給出了±800kV向上線、錦蘇線、糯廣線特高壓直流工程采用錨桿基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

表1 ±800kV向上線應(yīng)用錨桿基礎(chǔ)的比較

表2 ±800kV錦蘇線應(yīng)用錨桿基礎(chǔ)的比較

表3 ±800kV糯廣線應(yīng)用錨桿基礎(chǔ)的比較

可見，采用錨桿基礎(chǔ)單基混凝土材料較常規(guī)巖石基礎(chǔ)節(jié)約28%～53%，在材料上有了很大減少。但其施工費(fèi)用上比巖石基礎(chǔ)稍多一些，總體費(fèi)用有所減少，本體造價(jià)節(jié)省約2%～6%，工程實(shí)踐表明錨桿基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

從圖1可以明顯看出，相比傳統(tǒng)基礎(chǔ)型式，錨桿基礎(chǔ)所需施工場地小，施工土方量減少約60%，對(duì)山區(qū)原始地貌及植被破壞甚小，環(huán)境效益是相當(dāng)可觀的。

在線路工程中采用錨桿基礎(chǔ)，具如下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 3個(gè)特高壓直流工程應(yīng)用錨桿的基坑土方量

(1)采用機(jī)械化施工，避免人工深基坑的掏挖和爆破作業(yè)，提高了施工安全性。

(2)避免硬質(zhì)巖放炮作業(yè)，減少對(duì)周邊建筑物的影響，減少塔基基礎(chǔ)施工過程中與周邊的民事糾紛。

2 錨固長度的確定

錨桿錨固長度的取值是輸電線路鐵塔巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。錨桿選擇過短，桿體抗拔能力不足，容易拔出；錨桿過長，底部零剪應(yīng)力區(qū)太長，造成不必要的浪費(fèi)。下面對(duì)錨固長度的規(guī)定展開討論，以供設(shè)計(jì)參考。

2.1 基礎(chǔ)規(guī)范GB50007－2011

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007－2011(以下簡稱“基礎(chǔ)規(guī)范GB50007”)第6.8.6條規(guī)定：巖石錨桿錨固段抗拔承載力的確定，當(dāng)錨桿錨固段嵌入巖層中長度hr超過13倍錨桿直徑時(shí)，按13倍直徑計(jì)算。

2.2 電力行標(biāo)DL/T5219－2005

《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T5219－2005(以下簡稱“行標(biāo)DL/T5219”)第10.3.3條規(guī)定錨筋或地腳螺栓的有效錨固深度l0為25d～45d，當(dāng)l0小于有效錨固深度時(shí)，取錨固實(shí)長；大于時(shí)，取有效錨固深度。

2.3 確定錨桿設(shè)計(jì)長度依據(jù)

根據(jù)錨桿應(yīng)力分布和破壞過程確定錨桿設(shè)計(jì)長度。文獻(xiàn)[3]結(jié)合國內(nèi)外一些錨桿試驗(yàn)，假設(shè)最終破壞形式只有漿體破壞和鋼筋拉斷兩種，破壞準(zhǔn)則見圖2。

圖2 錨桿破壞準(zhǔn)則示意圖

根據(jù)改破壞準(zhǔn)則，錨桿的錨固總長度應(yīng)由彈性工作段L0、破裂段L1和保證段(安全儲(chǔ)備)L2組成。各段長度可按下列公式確定：

彈性工作段：

破裂段：

保證段：

其中：

式中：r、r0為錨桿及砂漿的半徑；E、μ為錨桿彈性模量、泊松比；Er、μc為圍巖的彈性模量、泊松比；Ec、μc為砂漿彈性模量、泊松比；s為破壞階段平均剪應(yīng)力；S為錨桿有效截面；τs為砂漿體開始破裂時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度。

可以看出，彈性段長度僅與桿體的幾何特征和力學(xué)特性有關(guān)，對(duì)于確定的錨桿而言是一個(gè)客觀量。按照φ32的III級(jí)鋼筋計(jì)算，最大強(qiáng)度為290kN，推算出其錨固長度約為2.6m。

以上分析只是基于錨桿體與巖石之間粘結(jié)不破壞的前提，實(shí)際工程中巖石條件以強(qiáng)風(fēng)化軟、硬質(zhì)巖為主，抗拔力應(yīng)該取決與錨固體與圍巖的粘結(jié)力。

2.4 基于荷載傳遞機(jī)理確定理論錨固深度

筆者基于荷載傳遞機(jī)理，推導(dǎo)了輸電鐵塔錨桿基礎(chǔ)充分考慮巖體特性時(shí)錨固深度的理論計(jì)算公式，給出如下建議取值：

(1)堅(jiān)硬巖體中，錨桿與砂漿界面之間應(yīng)力分布趨于指數(shù)形式，錨固理論深度約為3.0m。

(2)中等堅(jiān)硬巖體中，錨固理論深度約為5.0m。

(3)軟弱巖體中，錨桿中應(yīng)力隨著巖體軟弱而趨于線性分布，荷載傳遞范圍幾乎遍于桿體全長，設(shè)計(jì)中需考慮承載力要求加以綜合確定。

2.5 中南院線路錨桿課題研究和試驗(yàn)

錨桿應(yīng)力測量表明應(yīng)力隨施加外荷載增大而增大，隨深度增大而減小，應(yīng)力向深部發(fā)展，超過DL/T5219中規(guī)定的25d～45d范圍，錨樁單錨部分測點(diǎn)上拔力逐漸向5.6m深度發(fā)展。

土層錨桿則更深，上海太平洋大飯店錨深35m，天津商廈項(xiàng)目為10m～15m，同濟(jì)大學(xué)對(duì)北京東風(fēng)市場項(xiàng)目試驗(yàn)的錨深為17m～20m。這些深度有些過大，但對(duì)于細(xì)長錨桿，當(dāng)淺層減小粘結(jié)力時(shí)，下部錨桿應(yīng)有足夠長度發(fā)揮粘結(jié)承載力。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，埋深6m的錨桿承載力比埋深3m的錨桿承載力增加不是很明顯。但是，工程實(shí)際應(yīng)用錨桿時(shí)，建議適當(dāng)加大埋深，有利于巖石地基的抗風(fēng)化和提高水平承載力。

2.6 小 結(jié)

通過上述分析，可見巖石錨桿基礎(chǔ)錨固長度的確定是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)問題，與眾多因素有關(guān)。如表4給出了向上線、錦蘇線、糯廣線采用錨桿基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可供其他類似工程參考。

表4 3個(gè)特高壓工程中錨桿基礎(chǔ)的關(guān)鍵參數(shù)

考慮特高壓工程的重要性，結(jié)合巖石完整性及風(fēng)化程度等特征，建議單個(gè)錨桿在原狀基巖中的錨固長度不應(yīng)小于4m，不宜大于8m。

3 粘結(jié)參數(shù)的取值

錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，主要涉及到鋼筋與砂漿(或細(xì)石混凝土)、砂漿與巖石、巖石內(nèi)部自身3個(gè)破壞截面強(qiáng)度問題，現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T5219給出相對(duì)應(yīng)的 τa、τb及 τs3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)均為較大的取值區(qū)間，如何確定是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3.1 鋼筋與細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度τa

行標(biāo)DL/T5219和文獻(xiàn)[9]分別給出了鋼筋與細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度τa值，見表5。

表5 鋼筋與細(xì)石混凝土間的粘結(jié)強(qiáng)度(τa /kPa)

試驗(yàn)表明，錨筋與砂漿粘結(jié)力τa其取值變化范圍較大，試驗(yàn)結(jié)果中除個(gè)別外，一般都大于DL/T5154中的規(guī)定值，究其原因可能不單是粘結(jié)劑強(qiáng)度等級(jí)決定，還和圍巖性質(zhì)和錨筋光滑程度有關(guān)。當(dāng)圍巖堅(jiān)硬，圍壓較大時(shí)，砂漿不易變形破壞，τa越大，反之則越小，建議展開進(jìn)一步研究確定其合理取值。

3.2 細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度τb

基礎(chǔ)規(guī)范GB50007給出了細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值f，見表6。

表6 砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值

行標(biāo)DL/T5219給出了細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度τb，見表7。

表7 細(xì)石混凝土與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果顯示，錨樁(砂漿柱)與巖石粘結(jié)力τb在微、中風(fēng)化巖石中稍微大于DL/T5219規(guī)定值，設(shè)計(jì)中采用DL/T5219取值可靠合適。對(duì)強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石中則取值偏大，建議下限值適當(dāng)降低。

美國標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 691－2001《輸電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)導(dǎo)則》針對(duì)灌漿巖石錨中巖石砂漿之間的粘結(jié)力，吸納了Adams(1976) 、Horvath(1979)等人的研究成果，主要結(jié)論如下：

(1)巖石和灌漿之間的極限粘結(jié)強(qiáng)度，是灌漿或巖石的相對(duì)剪切強(qiáng)度(以較小者為準(zhǔn))的函數(shù)。

(2)給出了最脆弱的粘結(jié)材料(巖石或灌漿)的側(cè)阻力和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fw' 之間的關(guān)系，見圖3和圖4，也可采用公式(1)、(2)確定。

①大直徑(D > 406 mm)

②小直徑(D <406 mm)

圖3給出了巖石的相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度(即巖石側(cè)阻力與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，圖4反映了錨桿直徑是如何影響側(cè)阻力作用的。

圖3 相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fw'之間的關(guān)系

圖4 相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度與錨桿直徑的關(guān)系

IEEE Std 691－2001總結(jié)了幾種典型巖石的灌漿巖石粘結(jié)側(cè)阻力Sr常見取值，見表8。

表8 文獻(xiàn)[14]的巖石類型和強(qiáng)度特性(MPa)

3.3 巖石極限剪切強(qiáng)度

行標(biāo)DL/T5219和文獻(xiàn)[9]分別給出了巖石極限剪切強(qiáng)度τs值，見表9和表10。

表9 行標(biāo)DL/T5219給出的巖石極限剪切強(qiáng)度τs (kPa)

表10 文獻(xiàn)[9]中巖石極限剪切強(qiáng)度τs推薦值 (kPa)

試驗(yàn)表明：DL/T51219中規(guī)定τs取值，在微風(fēng)化、中風(fēng)化硬質(zhì)巖中較合適，強(qiáng)風(fēng)化巖石中τs偏大；堅(jiān)硬完整巖石中τs取值偏小，建議可適當(dāng)提高。另外，強(qiáng)風(fēng)化巖石地基的錨桿基礎(chǔ)一般不易形成45°倒錐體破壞面，較多地沿著錨筋混凝土握裹體與巖石結(jié)合面產(chǎn)生破壞。

4 水平承載力的驗(yàn)算

鐵塔基礎(chǔ)所承受豎向荷載與較大水平荷載共同作用。目前，線路工程中錨桿水平試驗(yàn)的資料并不多見，主要原因是：①同時(shí)施加豎向和水平荷載試驗(yàn)難度大；②施加豎向荷載的同時(shí)會(huì)影響水平承載力，試驗(yàn)結(jié)果會(huì)失真。但對(duì)于群錨基礎(chǔ)，承臺(tái)底部與錨桿接觸平面處是其抗水平承載的薄弱環(huán)節(jié)。建議采用第四強(qiáng)度理論對(duì)錨桿拉剪組合應(yīng)力進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)算，表達(dá)式如下：

式中：σi、τi為第i根錨筋承受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；fy為錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

實(shí)際上，對(duì)于群錨基礎(chǔ)，因承臺(tái)的作用，一般屬于嵌固端，其抗彎剛度明顯提高，桿身彎矩減小，桿頂彎矩加大，最大彎矩點(diǎn)和位移零點(diǎn)的位置均下移，巖土體塑性區(qū)向深層發(fā)展，能充分發(fā)揮巖土體抗力，從而提高水平承載力，減小水平位移。

5 錨桿基礎(chǔ)的施工及檢測

5.1 錨桿基礎(chǔ)的施工

錨桿施工機(jī)械應(yīng)配備多種鉆進(jìn)機(jī)具，以適應(yīng)不同的地層。錨桿基礎(chǔ)的施工有先挖承臺(tái)法(見圖5)及后挖承臺(tái)法(見圖6(a)和6(b) )兩種典型的施工工藝。

圖5 先挖承臺(tái)法

圖6 后挖承臺(tái)施工法

線路工程成孔方式的選擇，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件而定。對(duì)于地層為泥巖、泥質(zhì)砂巖等軟質(zhì)巖的塔位不得使用水鉆方式，對(duì)于硬質(zhì)巖可采用水鉆方式。

5.2 錨桿基礎(chǔ)的檢測

錨桿基礎(chǔ)的加載裝置見圖7。荷載與沉降的量測儀表通過高壓油泵聯(lián)動(dòng)加載，采用連接于千斤頂?shù)母呔扔蛪罕頊y定油壓。根據(jù)千斤頂率定曲線換算荷載，荷載量由精密壓力表控制。

圖7 錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)加載裝置示意圖

5.2.1 試驗(yàn)分級(jí)

(1) 驗(yàn)收試驗(yàn)采用分級(jí)加載，初始荷載宜取錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值的0.1倍，分級(jí)加載值宜取軸向拉力設(shè)計(jì)值的0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.2倍、1.33倍、1.5倍。

(2) 試驗(yàn)中，每級(jí)荷載均應(yīng)穩(wěn)定5min ～10min，并記錄位移增量。最后一級(jí)試驗(yàn)荷載應(yīng)維持10min。如在1min ～10min內(nèi)錨頭位移增量超過1.0 mm，則該級(jí)荷載應(yīng)再維持50min，并在 15min、20min、25min、30min、45min和60 min時(shí)記錄錨頭位移增量。

(3) 試驗(yàn)采用2次循環(huán)加載。當(dāng)首次逐漸加荷至最大試驗(yàn)荷載并觀測10min，待位移穩(wěn)定后即卸荷至0.1Nt(Nt為承載力設(shè)計(jì)值)，然后加荷至鎖定荷載(鎖定荷載為1.0Nt)鎖定。繪制荷載－位移(P－S)曲線。

5.2.2 錨桿合格標(biāo)準(zhǔn)

(1) 拉力型錨桿在最大試驗(yàn)荷載下所測得的彈性位移量，應(yīng)超過該荷載下桿體自由段理論彈性伸長值的80%，且小于桿體自由段與1/2錨固段長度之和的理論彈性伸長值。

(2) 在最后一級(jí)荷載作用下1min～10min，錨桿蠕變量不大于1mm，如超過，則6min～60min內(nèi)錨桿蠕變量不大于2.0 mm。

5.2.3 試驗(yàn)終止條件

(1) 上拔量持續(xù)增加，在最后一級(jí)荷載作用下1min～10min，錨索蠕變量大于1mm，在6min～60min內(nèi)錨桿蠕變量大于2.0mm。

(2) 新增加的荷載無法施加，或者施加后無法使荷載保持穩(wěn)定。

(3) 錨桿破壞或拔出。

錨桿基礎(chǔ)的檢測，具體亦可參見文獻(xiàn)[15]執(zhí)行。

6 結(jié)語

特高壓直流工程中桿鐵塔采用錨桿基礎(chǔ)，可降低工程造價(jià)，減少材料用量和施工棄土，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益良好，符合“資源節(jié)約、環(huán)境友好”之政策。

對(duì)于巖石錨桿基礎(chǔ)在輸電線路工程中的具體應(yīng)用，文中提出如下的建議和結(jié)論可作為設(shè)計(jì)參考。

(1)通過已建3個(gè)特高壓直流采用錨桿基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)，相比巖石基礎(chǔ)其在材料上有大幅減少，施工費(fèi)用稍高，總體費(fèi)用減少約2%～6%，施工土方量減少約60%。

(2)結(jié)合錨樁應(yīng)力在圍巖中的傳遞機(jī)理，建議單個(gè)錨樁在原狀基巖石中的最小長度不應(yīng)小于4m，不宜大于8m。

(3)錨筋與砂漿粘結(jié)力τa不僅受粘結(jié)劑強(qiáng)度等級(jí)決定，還和圍巖性質(zhì)和錨筋光滑程度有關(guān)。當(dāng)圍巖堅(jiān)硬，圍壓較大時(shí)，τa越大。

(4)建議對(duì)錨桿拉剪組合應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

鑒于輸電線路鐵塔基礎(chǔ)承受荷載的復(fù)雜性以及目前線路工程的施工現(xiàn)狀，建議在保證安全、降低造價(jià)的前提下，支持鼓勵(lì)設(shè)計(jì)、施工企業(yè)采用錨桿新技術(shù)，在實(shí)踐中逐步提高線路工程中錨桿技術(shù)整體水平。

[1]程良奎，等．巖土錨固[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

[2]DL/T5219－2005，架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[3]費(fèi)香澤，等．華北地區(qū)輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)研究 [J]．電力建設(shè)，2007，28(1)．

[4]中南電力設(shè)計(jì)院．錨桿技術(shù)在送電線路工程中的應(yīng)用研究[R]．武漢：中南電力設(shè)計(jì)院，2007．

[5]李強(qiáng)，徐志軍，曾德森．巖石錨桿基礎(chǔ)在特高壓單回路直流工程中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2013，(7)．

[6]曾二賢，馮衡，任建法．輸電鐵塔巖石錨桿基礎(chǔ)錨固深度的理論計(jì)算及探討[J]．電力勘測設(shè)計(jì)，2010，(2) ．

[7]GB50007－2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[8]渠時(shí)勤，黃中木．錨桿錨固段合理設(shè)計(jì)長度分析[J]．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，19(3)．

[9]中國電力科學(xué)研究院．特高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)深化研究專題系列報(bào)告(3)[R]．北京：中國電力科學(xué)研究院，2011．

[10]任宗棟，等．巖石擴(kuò)底錨樁基礎(chǔ)試驗(yàn)及應(yīng)用[J]．電力建設(shè)，2011，32(10)．

[11]程永峰，等．輸電線路工程巖石錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用[J]．電力建設(shè)，2012，33(5)．

[12]Adams，J. I．，Radhakrishna，H. S.，and Klyn，T.W．．The uplift capacity of anchors in transmission tower design[C]//IEEE/PES Winter Meeting and Tesla Symposium，New York：IEEE，1976．

[13]Horvath，R.G.，and T. C. Kenney，Shaft Resistance of Rock-Socketed Drilled Piers[C]//ASCE Conference Paper．Atlanta：1979．

[14]IEEE Std 691-2001，IEEE Guide for Transmission Structure Foundation Design and Testing[S]

[15]CECS 22：2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S]．