福建湄洲灣輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)與分析

翁蘭溪，趙金飛

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州 福建 350003)

福建湄洲灣輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)與分析

翁蘭溪，趙金飛

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福州 福建 350003)

對福建地區(qū)在強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下的錨桿基礎(chǔ)進(jìn)行單錨、群錨抗拔承載力試驗(yàn)，研究錨桿基礎(chǔ)的破壞模式和承載特性，通過對試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行比較，探討適合該地質(zhì)條件的巖石地質(zhì)物理參數(shù)取值。擴(kuò)展巖石錨桿基礎(chǔ)在山區(qū)線路工程中的應(yīng)用范圍，為強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

巖石錨桿；試驗(yàn)研究；承載力。

1 概述

福建500kV湄洲灣輸電線路跨海段，#18塔位使用大跨越塔SZK100，塔高128.5m，基礎(chǔ)上拔力達(dá)10705kN。#18塔位的跨越塔所處地質(zhì)條件：表層2.0m殘積土，2.0m以下為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)，呈褐黃色，散體狀構(gòu)造，中粗粒結(jié)構(gòu)，原巖結(jié)構(gòu)較清晰，礦物主要成分為長石、石英，見圖1。為充分利用巖土自身的強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，該塔位基礎(chǔ)擬采用斜柱巖石錨樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 試驗(yàn)場地位置

福建地區(qū)輸電線路工程缺乏強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下錨桿設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了研究強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下合理的地質(zhì)參數(shù)取值，在#18跨越塔基礎(chǔ)現(xiàn)場附近對單錨和群錨基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)場地位置見圖2。

圖2 試驗(yàn)場地位置

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

#18跨越塔錨桿基礎(chǔ)的錨樁孔數(shù)為66根，錨樁間距為0.9m，錨固深度為3.5m，錨樁直徑為150mm，錨筋直徑為36mm。為得到不同埋深巖石錨桿基礎(chǔ)的承載特性，單錨埋深分別取為3m、4m與5m。群錨基礎(chǔ)取實(shí)際工程中的兩根錨桿為研究單元，并按每根錨桿所分擔(dān)面積設(shè)計(jì)試驗(yàn)承臺大小。所有混凝土均為C30級，在承臺中布置上下兩層構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。所進(jìn)行的巖石錨桿試驗(yàn)基礎(chǔ)型式、數(shù)量與編號等見表1，巖石地質(zhì)物理參數(shù)取值擬按《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 DL/T 5219-2005》1(以下簡稱《技術(shù)規(guī)定》)選用，錨樁砼采用C30級。錨筋材質(zhì)HRB400，錨筋直徑36mm，開槽后有效面積約600mm2，錨孔直徑100mm。

2.1 應(yīng)變、位移采集

應(yīng)變片布置：本試驗(yàn)在錨筋中埋設(shè)應(yīng)變片，以測定錨筋在試驗(yàn)加載過程中應(yīng)變的變化情況，通過加載過程中應(yīng)變片數(shù)據(jù)的變化來研究分析基礎(chǔ)承載性質(zhì)。基礎(chǔ)應(yīng)變片的布置根據(jù)試驗(yàn)錨桿的設(shè)計(jì)情況和試驗(yàn)研究目的確定，詳見圖3。

試驗(yàn)中各水平與上拔位移通過位移傳感器測得。針對巖石錨桿基礎(chǔ)可能的破壞型式：錨筋拉斷破壞、錨筋從砂漿或細(xì)石混凝土中被拔出而破壞、錨桿沿著與巖石的結(jié)合面被拔出而破壞、上拔荷載超過巖體的抗拔能力而破壞，本試驗(yàn)分別在錨桿混凝土頂部、錨筋附近與周圍地表布置位移測點(diǎn)。

2.2 加載裝置

豎向加載裝置和反力類型：豎向加載反力系統(tǒng)利用反力支座和反力梁系提供，其中反力梁為6根加固工字鋼梁。豎向加載系統(tǒng)示意圖與實(shí)景圖見圖4。反力梁支承點(diǎn)在巖石假想破裂面之外，以保證錨桿在可能出現(xiàn)的第四種破壞時抵抗力由全部的巖體破裂面剪切應(yīng)力垂直分量提供。水平加載系統(tǒng)：本次試驗(yàn)水平荷載采用手拉葫蘆，并通過滑輪組和鋼絲繩組合施加，由拉力傳感器顯示荷載值，從而實(shí)現(xiàn)對施加荷載大小的顯示與控制。水平加載系統(tǒng)示意圖與實(shí)景圖見圖5。

2.3 試驗(yàn)加卸載方案

根據(jù)《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5219-2005)附錄I關(guān)于送電線路基礎(chǔ)上拔靜載試驗(yàn)要點(diǎn)的規(guī)定，結(jié)合試驗(yàn)要求，試驗(yàn)采用維持荷載法進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞模式

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，群錨基礎(chǔ)均為單根錨筋拔斷破壞，破壞型式明確，見圖6。

對于單錨基礎(chǔ)，現(xiàn)場試驗(yàn)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：錨桿混凝土表面出現(xiàn)較大上拔變形、錨筋拔斷，見圖7。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，可以確定沒有發(fā)生錨筋從細(xì)石混凝土中被拔出破壞與巖體中出現(xiàn)倒錐型破裂面破壞。所以單錨基礎(chǔ)存在兩種可能的破壞型式：①錨桿整體拔出破壞；②錨筋拔斷破壞。現(xiàn)場試驗(yàn)過程中為了明確其破壞型式，在錨桿混凝土表面出現(xiàn)較大上拔位移后繼續(xù)加載，在繼續(xù)加載過程中沒有出現(xiàn)錨桿唯一持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象，而趨于穩(wěn)定，并在繼續(xù)加載過程中錨筋拔斷。通過錨筋應(yīng)力-深度曲線的分析，試驗(yàn)中錨桿與周圍巖壁粘結(jié)結(jié)構(gòu)未發(fā)生整體破壞，見下文3.3節(jié)。綜合分析，單錨基礎(chǔ)破壞型式為錨筋拔斷破壞。試驗(yàn)基礎(chǔ)破壞狀態(tài)、極限荷載、破壞型式見表1。

圖6 群錨單根錨筋拔斷

圖7 單錨錨筋拔斷

表1 試驗(yàn)基礎(chǔ)破壞、極限荷載與位移

3.2 荷載—位移曲線

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果顯示：錨桿基礎(chǔ)周圍地表位移測點(diǎn)數(shù)據(jù)相對很小(一般不足1mm)，且隨著荷載的增大，無明顯規(guī)律性變化，故可認(rèn)為錨桿基礎(chǔ)周圍巖體在試驗(yàn)過程中未發(fā)生變形；在錨桿混凝土表面所設(shè)位移測點(diǎn)測試結(jié)果良好，規(guī)律性明顯，作為主要分析依據(jù)；在錨筋上設(shè)置的應(yīng)變測點(diǎn)的測試結(jié)果受錨筋自身受拉變形影響較大，作為輔助分析依據(jù)。將錨桿混凝土表面的位移測點(diǎn)作為主要分析對象，得出荷載－位移曲線,見圖8(僅列舉部分曲線)。

由圖8說明，本次試驗(yàn)的巖石錨桿基礎(chǔ)荷載－位移曲線均正常，容易判斷極限荷載。單錨基礎(chǔ)與Q5-B、Q5-C基礎(chǔ)在小荷載作用下位移隨荷載逐步增大，接近極限荷載時出現(xiàn)位移的突變性增大，Q5-A與Q5-D基礎(chǔ)在破壞前荷載－位移曲線均較平緩。

圖9 錨筋應(yīng)力－深度曲線

3.3 錨桿應(yīng)力—深度曲線

基礎(chǔ)錨筋在加載過程中不同深度的應(yīng)力見圖9。圖例中荷載值表示實(shí)際所施加豎向上拔荷載大小，“深度”表示應(yīng)變測點(diǎn)的埋深(僅列舉部分曲線)。

由不同錨筋的應(yīng)力曲線可以得出以下規(guī)律：①隨著荷載的增大，錨筋應(yīng)力整體增大；②同一錨筋在加載過程中，應(yīng)力隨深度減小；單錨基礎(chǔ)錨筋在埋深范圍內(nèi)受力，至錨固深度底部受力消減至接近零；群錨基礎(chǔ)錨筋(埋深

5m)在4m范圍內(nèi)有較大受力，至4m左右消減為零。③在荷載達(dá)到極限與破壞荷載狀態(tài)時，錨筋應(yīng)力的受力特性并沒有發(fā)生錨桿整體拔出時會出現(xiàn)的的錨筋應(yīng)力消減的現(xiàn)象，由此也可以判斷，試驗(yàn)中錨桿與周圍巖壁粘結(jié)結(jié)構(gòu)未發(fā)生整體破壞。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 錨筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度τa推導(dǎo)

依據(jù)《技術(shù)規(guī)定》10.2.2條，在錨筋強(qiáng)度足夠時，錨筋與細(xì)石混凝土的粘結(jié)承載力以及錨桿與巖石間的粘結(jié)承載力成為巖石錨桿基礎(chǔ)的承載力主要控制因素。

錨筋與細(xì)石混凝土的粘結(jié)承載力計(jì)算方法：

按照《技術(shù)規(guī)定》10.3.3條確定有效錨固深度為l0=45d=45×0.036＝1.62(m)

故錨筋與細(xì)石混凝土的粘結(jié)承載力：

經(jīng)計(jì)算得出，本次試驗(yàn)的錨筋與細(xì)石混凝土的粘結(jié)承載力為549kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本次試驗(yàn)所得的極限承載力值，故錨筋與細(xì)石混凝土的粘結(jié)承載力不是本次試驗(yàn)極限承載力的控制因素。故工程設(shè)計(jì)中C30級細(xì)石混凝土τa可按《技術(shù)規(guī)定》10.2.2條取3000kPa。

3.4.2 錨固體與巖石之間的粘結(jié)強(qiáng)度τb推導(dǎo)

根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》10.2.3條，錨桿與巖石間的粘結(jié)承載力計(jì)算方法：γfTE≤πDh0τb

由本次試驗(yàn)情況看來，未發(fā)生錨固體整體拔出破壞，即錨桿與巖石之間的粘結(jié)承載力滿足抗拔要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，單根錨桿與巖石間的粘結(jié)承載力可以認(rèn)為約200kN，故：

計(jì)算表明，本次試驗(yàn)巖石錨桿基礎(chǔ)在強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下，τb大于393kPa，位于《技術(shù)規(guī)定》表10.2.3 τb推薦取值區(qū)間，故工程τb取值可以按照《技術(shù)規(guī)定》表10.2.3取400kPa。

3.4.3 巖石等代極強(qiáng)剪切強(qiáng)度τs推導(dǎo)

根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》10.2.4條，巖石抗剪承載力計(jì)算公式為：

本次試驗(yàn)中未發(fā)生巖石剪切破壞，故可根據(jù)此計(jì)算方法得出本試驗(yàn)場地巖石的等代極限剪切應(yīng)力τs最小值，

計(jì)算結(jié)果表明，對于本次試驗(yàn)巖石錨桿基礎(chǔ)與強(qiáng)風(fēng)化地址條件，τs大于22.9，位于《技術(shù)規(guī)定》τs推薦取值區(qū)間，故工程 τs取值可以按照《技術(shù)規(guī)定》表10.2.4取22kPa。

4 結(jié)論

通過巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)在該場地地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)情況下，巖石錨桿基礎(chǔ)破壞狀態(tài)為錨筋拔斷，錨筋與細(xì)石混凝土的粘結(jié)承載力、錨桿與巖石之間的粘結(jié)強(qiáng)度、不是本次試驗(yàn)極限承載力的控制因素。荷載－位移曲線正常，錨筋應(yīng)力曲線規(guī)律性明顯且正常。

(2)福建地區(qū)此類強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下錨桿設(shè)計(jì)，地質(zhì)參數(shù)取值可以參考《技術(shù)規(guī)定》的取值范圍。通過計(jì)算反推錨筋與細(xì)石混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度τa、錨桿與巖石之間的粘結(jié)強(qiáng)度τb、巖石等代極強(qiáng)剪切強(qiáng)度τs，以上參數(shù)均在《技術(shù)規(guī)定》強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件取值范圍內(nèi)，即該類強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下，參數(shù)取值可以按照《技術(shù)規(guī)定》。

(3)本試驗(yàn)單純從現(xiàn)象判斷單錨基礎(chǔ)的破壞型式有困難，可以通過錨筋應(yīng)力-深度曲線、現(xiàn)場試驗(yàn)分析綜合其他數(shù)據(jù)來判斷。

[1]DL/T 5219-2005，架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[2]馮自霞，鄭衛(wèi)鋒．程永鋒輸電線路裂隙巖體地基錨桿抗拔模型試驗(yàn)研究[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(10)．

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

[4]鄭衛(wèi)鋒，魯先龍 程永鋒．馮自霞輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)研究[J]．工程勘察，2010，(1)．

Experiment Analysis on Anchor-shaft Rock Foundation in Transmission Line of Fujian Meizhou Lay

WENG Lan-xi, ZHAO Jin-fei
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China)

The experiments of single and vertical anchor - shaft foundations for geologic conditions of strong weathering were carried out in Fujian province. And the failure mode and load bearing capability of rock anchor foundation was analyzed. Comparison between the experimental results and the code, the suitable geological parameter for the geologic conditions of strong weathering was discussed. The results showed that the applications and design of rock anchor – shaft foundations can extend to the mountain area in Fujian.

rock anchor-shaft; experimental study; load bearing capability.

TU4

B

1671-9913(2011)03-0068-05

2011-03-07

翁蘭溪(1980- )，男，福建省莆田人，工程師。