何蘭寬 徐明鳴 杜海強(qiáng) 陳 路

（中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410000）

山區(qū)輸電線路工程基礎(chǔ)開挖一般采用人工作業(yè)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輸電線路基礎(chǔ)開挖機(jī)械化作業(yè)的需求進(jìn)一步提升。受限于輸電線路工程“長距”及“點(diǎn)性施工”的特性，施工機(jī)械以小型機(jī)械為主，包括錨桿鉆機(jī)、小型旋挖鉆機(jī)等；相應(yīng)的基礎(chǔ)包括巖石錨桿、小型樁、變截面樁、樁錨基礎(chǔ)等。本文對巖石錨桿基礎(chǔ)與小型樁基礎(chǔ)計(jì)算模型進(jìn)行分析，以粉砂巖為圍巖邊界條件，通過對巖石錨桿基礎(chǔ)與小型群樁基礎(chǔ)的計(jì)算進(jìn)行對比，定量獲得巖石錨桿基礎(chǔ)與小型樁基礎(chǔ)在粉砂巖層中應(yīng)用邊界，對拓寬巖石錨桿應(yīng)用范圍，提高輸電線路基礎(chǔ)機(jī)械化施工程度具有積極意義。

1 概述

錨桿基礎(chǔ)是一種可用于直接建造在基巖上的柱基以及承受拉力或水平力較大的建筑物基礎(chǔ)，通過水泥砂漿或細(xì)石混凝土在巖孔內(nèi)的膠結(jié)，使錨筋與巖體結(jié)成整體[1]。錨桿形成的支護(hù)體系廣泛應(yīng)用于巖石巷道支護(hù)[2]，基坑支護(hù)以及邊坡支護(hù)等[3-4]。輸電線路工程中錨桿直徑一般不大于150 mm，適用于風(fēng)化程度較低的完整巖石。

小型樁指樁徑為200～400 mm，采用鉆孔、強(qiáng)配筋和壓力注漿施工工藝的灌注樁[5]，頂部通常設(shè)置混凝土承臺及承臺柱，形成剛接體系，與小型群樁共同承擔(dān)上部荷載。小型樁適用于無地下水的硬塑、或強(qiáng)、全風(fēng)化巖石地基。

對于巖石完整性較好的中風(fēng)化巖石地基，上覆土層較薄時(shí)選用巖石錨桿基礎(chǔ)；巖石完整性較差、巖石風(fēng)化程度高或上覆土層較厚時(shí)選用小型樁基礎(chǔ)。該選型原則主要基于基坑成孔的難易程度，機(jī)械掘進(jìn)設(shè)備功率高低以及對地基巖性的定性判斷。以此原則作為基礎(chǔ)選型的判斷依據(jù)，設(shè)計(jì)可操作性強(qiáng)，但精細(xì)化程度不高。

巖石的完整性或巖石的風(fēng)化程度，其最終對應(yīng)的巖石屬性可以用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度或彈性模量進(jìn)行表征。錨桿是一種柔性結(jié)構(gòu)，在巖石地基中不承擔(dān)水平抗力，從剛度分配的原則方面定義，所有水平抗力均由錨桿上端承臺提供。巖石錨桿的應(yīng)用范圍限定于較硬巖石，通過圍巖條件為基礎(chǔ)提供有效的水平抗力。從實(shí)際施工工藝及巖石錨桿抗拔破壞形式分析，錨桿注漿后錨筋與周邊巖體形成“樁-巖”體系，理論上錨桿體也應(yīng)提供相應(yīng)的水平抗力。

對小型群樁，其抗拔力、抗壓力及水平抗力均由樁體及樁土體系共同提供，上端承臺提供剛性連接。由于群樁的構(gòu)造要求，在相同地基條件下小型群樁基礎(chǔ)工程量遠(yuǎn)大于巖石錨桿基礎(chǔ)工程量。通過分析巖石錨桿基礎(chǔ)與小型樁基礎(chǔ)計(jì)算模型，結(jié)合特定基巖條件（粉砂巖）進(jìn)行計(jì)算對比，對提高輸電線路工程巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用范圍具有較高的參考價(jià)值。

2 巖石錨桿基礎(chǔ)計(jì)算模型

輸電線路基礎(chǔ)上部荷載主要包括上拔荷載、下壓荷載及水平荷載，受鐵塔的受力特性影響，上拔荷載通常為控制荷載，根據(jù)現(xiàn)行巖石錨桿設(shè)計(jì)規(guī)程[6]。巖石錨桿基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)包括錨筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)、錨筋與錨固劑間的黏結(jié)承載力設(shè)計(jì)，錨桿與巖土層間的極限黏結(jié)承載力設(shè)計(jì)以及巖體抗剪極限承載力設(shè)計(jì)。錨桿桿體不參與基礎(chǔ)下壓承載力計(jì)算。群錨基礎(chǔ)承臺有效嵌巖深度不小于0.5～0.8 m時(shí)，可不考慮水平力對錨群的影響。

3 小型樁基礎(chǔ)計(jì)算模型

輸電線路小型樁基計(jì)算模型與大直徑灌注樁計(jì)算模型基本一致，與大直徑灌注樁尺寸效應(yīng)差異，小型樁抗拔系數(shù)取值有所不同。

考慮與輸電線路樁基應(yīng)用的一致性，本文暫不考慮后注漿工藝對樁基計(jì)算的影響。根據(jù)現(xiàn)行輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程[1]，小型樁承載力設(shè)計(jì)主要包括樁頂效應(yīng)計(jì)算、下壓承載力設(shè)計(jì)及上拔承載力設(shè)計(jì)。

4 粉砂巖地基特性

粉砂巖主要由粉砂碎屑組成，屬于沉積巖，粉砂粒徑為0.062 5～0.003 9 mm，粉砂含量一般大于50%，該類巖石分布極為廣泛，因其地質(zhì)沉積年代遠(yuǎn)近或風(fēng)化程度的高低，其物理硬度涵蓋范圍包括極度軟至堅(jiān)硬。

在同等中風(fēng)化條件下，泥質(zhì)粉砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般小于30 MPa，鈣質(zhì)粉砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般介于30～60 MPa，鐵錳質(zhì)粉砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度或可大于60 MPa。采用粉砂巖地基作為巖石錨桿與小型群樁的分析邊界，其適用范圍廣、代表性強(qiáng)，是一種相對理想的巖石地基。根據(jù)資料及經(jīng)驗(yàn)，均質(zhì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量呈線性關(guān)系[7]，線性常數(shù)為350。

巖石錨桿基礎(chǔ)與小型群樁基礎(chǔ)均采用C30級混凝土，對不同單軸抗壓強(qiáng)度粉砂巖參數(shù)取值如表1所示。

表1 典型粉砂巖地層物理參數(shù)

5 計(jì)算分析

5.1 計(jì)算邊界條件

一般工程中巖石錨桿桿體直徑范圍為90～140 mm，取120 mm為典型計(jì)算錨徑，小型樁基樁徑200 mm。在上拔荷載下，錨桿的主要破壞形態(tài)為巖體剪切破壞，樁的主要破壞形態(tài)為樁土界面滑移破壞。故本次計(jì)算分析關(guān)注點(diǎn)主要為樁、錨的計(jì)算長度以及無承臺約束條件下錨頂位移的變化。

5.2 極限狀態(tài)下單樁與單錨計(jì)算長度分析

根據(jù)上述邊界條件，計(jì)算不同單軸抗壓條件下粉砂巖中單錨及單樁計(jì)算長度，如圖1所示。

圖1 單錨與單樁計(jì)算長度

由圖1可知，因計(jì)算模型差異，小樁計(jì)算長度顯著大于錨桿計(jì)算長度。隨著巖石硬度增加樁長與錨長比值逐漸加大，ftk=20 MPa時(shí)，兩者比值出現(xiàn)峰值，逐步降低至1.84左右。這是因?yàn)椋S著ftk增加（巖石風(fēng)化程度減弱），錨桿最小構(gòu)造長度發(fā)生變化。

5.3 位移分析

已知粉砂巖體彈性模量與其單軸抗壓強(qiáng)度呈一定線性關(guān)系，故可假定水平荷載在一定區(qū)間內(nèi)錨桿為彈性體，與樁體一致，可采用水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m確定錨頂水平荷載與位移的關(guān)系。按輸電線路荷載特點(diǎn)，取水平荷載分析范圍為10～120 kN，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 水平荷載下錨頂位移

目前輸電線路中樁基位移限值一般取6 mm。由圖2可知，在不同荷載下，隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度增加，錨頂位移由19 mm遞減至1 mm左右。在6 mm位移限值附近，巖石最小單軸抗壓強(qiáng)度為13 MPa，對應(yīng)荷載10 kN；巖石最大單軸抗壓強(qiáng)度為48 kPa，對應(yīng)荷載120 kN。

由此可推測，當(dāng)錨桿剛度一定的情況下，小負(fù)荷對應(yīng)軟基巖、大負(fù)荷對應(yīng)硬基巖，錨桿與巖體聯(lián)合體存在一個(gè)區(qū)間，從計(jì)算上滿足規(guī)程對樁頂位移限值的要求[1]。

6 結(jié)語

（1）巖石錨桿基礎(chǔ)計(jì)算模型可充分發(fā)揮巖體與錨桿的承載力優(yōu)勢，在不考慮錨桿頂部水平荷載情況下，從極軟巖至堅(jiān)硬巖石，錨桿計(jì)算埋深、直徑乃至混凝土用量都顯著優(yōu)于小樁基礎(chǔ)。輸電線路工程中的永久拉線基礎(chǔ)，樁頂拉線基礎(chǔ)等不考慮水平力的巖石基礎(chǔ)，均可采用錨桿，優(yōu)化工程量。

（2）假定在一定荷載區(qū)間內(nèi)，錨桿與巖石共同組成彈性體，在錨頂位移限值一定的情況下，可求解出不同水平荷載下巖石對應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度限值。由計(jì)算分析推測，在輸電線路工程中，若基礎(chǔ)上部水平荷載較小，錨桿一定程度可以承擔(dān)部分水平荷載，群錨承臺嵌入強(qiáng)風(fēng)化巖層，即可滿足水平位移限值要求，提高巖石錨桿應(yīng)用范圍用以替代小型樁基礎(chǔ)。該結(jié)論尚需通過原位試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。