萬(wàn)新　楊建國(guó)　隋宏

（廣州電力設(shè)計(jì)院廣東廣州510610）

輸電線路新型復(fù)合基礎(chǔ)的應(yīng)用及其研究

萬(wàn)新楊建國(guó)隋宏

（廣州電力設(shè)計(jì)院廣東廣州510610）

針對(duì)廣州部分山區(qū)上部覆蓋層及風(fēng)化層較淺下部為穩(wěn)定巖層的特殊地質(zhì)情況，提出了掏挖加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)和巖石嵌入加錨桿復(fù)合基礎(chǔ)應(yīng)用的可行性，總結(jié)了該兩種復(fù)合基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了其抗拔承載能力的計(jì)算公式。針對(duì)巖石嵌固加錨桿復(fù)合基礎(chǔ)此種新型的基礎(chǔ)型式，重點(diǎn)分析了其在設(shè)計(jì)應(yīng)用中的幾個(gè)重點(diǎn)，為其更廣泛地應(yīng)用于輸電線路工程提供依據(jù)。

掏挖基礎(chǔ)；巖石錨桿基礎(chǔ)；復(fù)合基礎(chǔ)

引言

近幾年來(lái)，南方電網(wǎng)公司對(duì)電力工程建設(shè)所涉及的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題非常重視，將環(huán)境保護(hù)工作提高到南方電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度?！赌戏诫娋W(wǎng)3C綠色電網(wǎng)輸變電示范工程建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》（試行）中明確要求丘陵、山地應(yīng)優(yōu)先采用原狀土基礎(chǔ)，因地制宜選用人工挖孔樁、掏挖基礎(chǔ)、巖石基礎(chǔ)、螺旋錨等基礎(chǔ)類型，減少材料用量及開(kāi)挖土方量，110kV線路原狀土基礎(chǔ)所占比例不宜低于90%，220kV及以上線路原狀土基礎(chǔ)所占比例不宜低于80%。

隨著廣州地區(qū)征地拆遷難度加大，現(xiàn)新建廣州地區(qū)架空線路絕大部分位于山區(qū)丘陵，地質(zhì)情況基本為上部可塑粘性土，中部為硬塑粘性土，下部為全強(qiáng)風(fēng)化巖石，針對(duì)此種地質(zhì)情況，一般采取掏挖型基礎(chǔ)和人工挖孔樁型基礎(chǔ)。但是針對(duì)一些山上的特殊地質(zhì)如上部覆蓋層及風(fēng)化層較淺或巖石裸露，下部為穩(wěn)定巖層，由于此種特殊地質(zhì)上部巖石分化嚴(yán)重且裂隙較多，不具備直接做巖石錨桿基礎(chǔ)的條件；有時(shí)由于鐵塔上拔力較大，單純的巖石錨桿基礎(chǔ)不能滿足基礎(chǔ)的抗拔承載力要求，針對(duì)此種情況，可以采用新型的掏挖加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)和巖石嵌固加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)，此兩種復(fù)合基礎(chǔ)型式受力明確，且能節(jié)省基礎(chǔ)材料用量，滿足環(huán)境保護(hù)要求。

1　復(fù)合基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1優(yōu)點(diǎn)

1.1.1工程力學(xué)性能良好

復(fù)合基礎(chǔ)能充分利用原狀巖土地基承載力高、變形小的特點(diǎn)。桿塔基礎(chǔ)總是埋置于不同土質(zhì)條件和不同地質(zhì)環(huán)境中，基礎(chǔ)周圍巖土體與基礎(chǔ)間相互作用共同承載，基礎(chǔ)承載力特性不僅取決于基礎(chǔ)，也取決于基礎(chǔ)周圍巖土體。復(fù)合型基礎(chǔ)就是充分利用原狀巖土力學(xué)性能，充分發(fā)揮這種基礎(chǔ)型式優(yōu)勢(shì)。

1.1.2滿足綠色環(huán)保要求

針對(duì)《南方電網(wǎng)3C綠色電網(wǎng)輸變電示范工程建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》（試行）中的要求，減少棄土并保護(hù)邊坡，進(jìn)而保護(hù)環(huán)境植被。此種復(fù)合型基礎(chǔ)完全可以采用不等高設(shè)計(jì)，并與桿塔全方位高低腿配合使用，基本做到不開(kāi)基面或少開(kāi)基面，從而達(dá)到環(huán)保目的。

1.1.3節(jié)約材料

與一般掏挖基礎(chǔ)和巖石嵌固基礎(chǔ)相比，基礎(chǔ)混凝土和鋼材均可有效的節(jié)約。且復(fù)合型基礎(chǔ)還能進(jìn)一步減少基礎(chǔ)埋深，減小土石方量，便于施工。

1.2缺點(diǎn)

巖石錨桿的施工質(zhì)量難以控制。由于巖石錨桿的施工在掏挖基礎(chǔ)或巖石嵌固基礎(chǔ)的孔內(nèi)，施工作業(yè)面有限，這就使得巖石錨桿基礎(chǔ)施工的鉆孔、注漿等施工難度加大，且對(duì)于重要的桿塔基礎(chǔ)若需要做現(xiàn)場(chǎng)錨桿抗拔試驗(yàn)，試驗(yàn)難度較大，且會(huì)加長(zhǎng)基礎(chǔ)施工的工期。

2　復(fù)合基礎(chǔ)的承載能力計(jì)算方法

在復(fù)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)鍵問(wèn)題是如何合理地分配桿塔結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)上拔荷載。首先假定充分發(fā)揮掏挖（巖石嵌固）基礎(chǔ)的作用，將掏挖（巖石嵌固）基礎(chǔ)承受不了的“多余荷載”乘以安全系數(shù)kD后，由巖石錨桿基礎(chǔ)基礎(chǔ)承擔(dān)。

對(duì)于掏挖加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)，由于粘土層中的掏挖基礎(chǔ)要發(fā)揮到極限承載狀態(tài)需要較大的位移量，而巖層中錨桿基礎(chǔ)的發(fā)揮只需要較小的位移量。根據(jù)位移協(xié)調(diào)理論，再假設(shè)上拔承載力首先由巖石錨桿基礎(chǔ)充分發(fā)揮承擔(dān)，在達(dá)到一定的位移量后再由掏挖基礎(chǔ)承擔(dān)，即2種假設(shè)迭代確定kD、kQ后復(fù)合基礎(chǔ)極限抗拔承載力理論計(jì)算[1]如下：

式中：Tu、Tu1和Tu2分別為復(fù)合基礎(chǔ)、掏挖（巖石嵌固）基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)的極限抗拔承載能力；kD和kQ分別為掏挖（巖石嵌固）基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)的抗拔發(fā)揮程度系數(shù)；Qf為基礎(chǔ)自重；τs為巖土體等代剪切強(qiáng)度；D0為嵌固基礎(chǔ)構(gòu)件基底直徑；h和h0分別為嵌固和掏挖構(gòu)件抗拔承載力計(jì)算深度。文[1]通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究表明，掏挖基礎(chǔ)與巖石嵌固式基礎(chǔ)能較好的協(xié)同工作。故掏挖加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)可充分發(fā)揮原狀土基礎(chǔ)和巖石基礎(chǔ)的承載能力，即在上拔承載力計(jì)算分析時(shí)，可取掏挖基礎(chǔ)與巖石錨桿基礎(chǔ)承載力之和。

同理，對(duì)于巖石嵌入加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)，根據(jù)位移協(xié)調(diào)理論，由于上部巖石嵌固基礎(chǔ)和下部巖石錨桿基礎(chǔ)同在巖石中，且一般上部巖石嵌固基礎(chǔ)深度不大，故此復(fù)合基礎(chǔ)變形位移協(xié)調(diào)基本一致，即上部巖石嵌固基礎(chǔ)承載能力與下部巖石錨桿基礎(chǔ)承載能力都能充分發(fā)揮。

3　復(fù)合基礎(chǔ)承載能力計(jì)算中關(guān)鍵點(diǎn)的研究

3.1關(guān)于巖石等代剪切強(qiáng)度τs的取值問(wèn)題

巖石錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)不但要求保證強(qiáng)度，而且在運(yùn)行中不容許出現(xiàn)裂縫。為此，在取用巖石等代抗剪強(qiáng)度時(shí)，將裂縫和變形綜合加以考慮。由于硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖破壞機(jī)理不同，而且在“荷載-變位”曲線上出現(xiàn)的規(guī)律也不相同，因此硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖的等代剪切強(qiáng)度應(yīng)分別對(duì)待。軟質(zhì)巖石等代剪切強(qiáng)度確定：軟質(zhì)巖石塑性大，裂縫開(kāi)展早，隨荷載的遞增，變形也相應(yīng)的發(fā)展較快。整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性平滑曲線狀。它在低于破壞強(qiáng)度時(shí)已出現(xiàn)塑性變形，因此巖石的極限剪切強(qiáng)度取徑向裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載，但對(duì)軟質(zhì)巖石錨樁，其值取30%的極限荷載，以保證運(yùn)行中不出現(xiàn)裂縫。硬質(zhì)巖石等代剪切強(qiáng)度確定：硬質(zhì)巖石隨外力的增加變形變緩，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性，當(dāng)荷載超過(guò)屈服荷載時(shí)，變形的發(fā)展比荷載增長(zhǎng)的速度快的多，破壞時(shí)具有明顯脆性破壞的特點(diǎn)，巖石的極限剪切強(qiáng)度亦取徑向裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載，但對(duì)硬質(zhì)巖石錨桿，其值取80%的極限荷載，以保證運(yùn)行中不出現(xiàn)裂縫[2]。

如果巖體含有二組或二組以上結(jié)構(gòu)面，巖體強(qiáng)度的確定方法是分步運(yùn)用單結(jié)構(gòu)面理論，分別繪出每一組結(jié)構(gòu)面單獨(dú)存在時(shí)的強(qiáng)度包絡(luò)線和應(yīng)力莫爾圓。巖體到底沿哪組結(jié)構(gòu)面破壞，由最大主應(yīng)力σ1與各組結(jié)構(gòu)面的夾角決定，當(dāng)沿著強(qiáng)度最小的那組結(jié)構(gòu)面破壞時(shí)，巖體強(qiáng)度取得最小抗壓強(qiáng)度，此時(shí)，沿強(qiáng)度最小的那組結(jié)構(gòu)面破壞。

巖體強(qiáng)度的估算方法主要有：準(zhǔn)巖體強(qiáng)度法和Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)方程法[3]。準(zhǔn)巖體強(qiáng)度法實(shí)質(zhì)是用某種簡(jiǎn)單的試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)修正巖塊強(qiáng)度，做為巖體強(qiáng)度的估算值。Hoek和Brown根據(jù)巖體性質(zhì)的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用試驗(yàn)法導(dǎo)出了巖塊和巖體破壞時(shí)主應(yīng)力之間的關(guān)系為

式中：σ1-破壞時(shí)的最大主應(yīng)力；σ3-作用在巖石試樣上的最小主應(yīng)力；σc-巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；m，s-與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù)。

由（4）式，令σ3=0，可得巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σmc：

對(duì)于完整巖石，s=1，則σmc=σc，即為巖塊抗壓強(qiáng)度；對(duì)于裂隙巖石，s<1。

將σ1=0代入方程（4）中，并對(duì)σ3求解所得的二次方程，可解得巖體的單軸抗拉強(qiáng)度為：

由（6）式的剪應(yīng)力表達(dá)式為：

3.2關(guān)于剪切角度的取值探討

3.3巖石錨桿基礎(chǔ)錨桿錨固長(zhǎng)度的研究

《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》給出了錨固深度在不同風(fēng)化程度巖石中的最小值，并未給出最大值，這樣就使得為了保證輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員往往無(wú)節(jié)制地增加錨桿的錨固長(zhǎng)度，而相關(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)軸力衰減到一定深度后，超出部分可以近似認(rèn)為不承受荷載作用，此時(shí)的錨固長(zhǎng)度稱為臨界錨固長(zhǎng)度?！督ㄖ吰鹿こ碳夹g(shù)規(guī)范》在對(duì)邊坡巖石錨桿設(shè)計(jì)時(shí)限定了最大錨固長(zhǎng)度。張潔[6]運(yùn)用荷載傳遞法探討了錨桿極限承載力與錨桿長(zhǎng)度的關(guān)系，給出了計(jì)算工程臨界錨固長(zhǎng)度的兩種方法。鄭衛(wèi)鋒[7]專門針對(duì)輸電線路的巖石錨桿基礎(chǔ)做了相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，建議在輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，以工程臨界錨固長(zhǎng)度為錨桿的最佳設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)掏挖加巖石錨桿復(fù)合基礎(chǔ)和巖石嵌入加錨桿復(fù)合基礎(chǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)及抗拔計(jì)算公式的分析，表明此二種復(fù)合基礎(chǔ)型式可充分發(fā)揮上部掏挖（巖石嵌固）基礎(chǔ)和下部巖石錨桿基礎(chǔ)的抗拉承載能力，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可取二者的承載能力之和。同時(shí)在進(jìn)行復(fù)合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，巖石等代剪切強(qiáng)度τs、剪切角度和巖石錨桿基礎(chǔ)錨桿錨固長(zhǎng)度的取值應(yīng)按照巖石的軟硬和風(fēng)化程度進(jìn)行重點(diǎn)研究。

[1]丁士君，魯先龍，鄭衛(wèi)鋒.輸電線路新型復(fù)合式基礎(chǔ)試驗(yàn)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（1）：20～24.

[2]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003：531～533.

[3]蔡美峰.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2002：108～112.

[4]鄭衛(wèi)鋒，魯先龍，程永鋒.輸電線路巖石嵌固式基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（1）：152～157.

[5]張金舉，王習(xí)武.輸電線路工程中的巖石基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與分析[J].紅水河，2010，29（3）：104～106.

[6]張潔，尚岳全，葉彬.錨桿臨界錨固長(zhǎng)度解析計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（7）：1134～1136.

[7]鄭衛(wèi)鋒，魯先龍，程永鋒.輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)工程臨界錨固長(zhǎng)度的研究[J].電力建設(shè)，2009，30（9）：12～14.

TM751

A

1673-0038（2015）16-0179-02

2015-2-26

萬(wàn)新，男，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主要從事變電站及輸電線路的設(shè)計(jì)及其抗震性能的研究工作。