巖石擴底錨樁基礎試驗及應用

任宗棟，秦瑋，默增祿，劉泉

(國核電力規劃設計研究院，北京市，100032)

0 引言

500 kV棲霞—文登送電工程是山東省內第1條同塔雙回路的山區線路，采用4×LGJ－400/35導線，最大設計風速為30 m/s，最大設計覆冰厚度為10 mm。線路全長119.7 km，山區段長36 km。山區段線路沿線的地質沿線上覆地層主要為粘性土、強風化花崗巖等，下伏基巖主要為閃長巖、花崗巖等。

線路沿線山區上層巖石風化程度嚴重，多數呈塊狀，巖石裂隙較為明顯，普通的巖石錨樁基礎不適用于此種地質條件［1－5］。針對這種情況，設計巖石擴底錨樁基礎并進行了真型試驗。將擴底錨樁應用于工程中，取得了良好的效果。

1 巖石錨樁基礎的不足及改進措施

1.1 巖石錨樁基礎的不足

在山區，巖石錨樁基礎具有較大的技術優勢，但在實際應用過程中也存在一些問題:對于上層風化嚴重的強風化巖石地區，普通錨樁基礎因受制于錨樁頂部的位移過大而不能應用;普通巖石錨樁基礎極限承載力裕度較小，并有蠕變等特性，易降低基礎承載力［6－11］。

1.2 改進措施

針對普通巖石錨樁基礎存在的問題，設計了巖石擴底錨樁基礎，它具有如下技術優勢:充分發揮了原狀巖體的力學性能，具有良好的抗拔能力;有效降低工程量，減少施工運輸量，綜合造價低;提高施工機械化程度，降低勞動強度，縮短施工工期;減小開方、保護環境，有利于線路長期安全運行。

2 巖石擴底錨樁基礎的受力分析

巖石擴底錨樁基礎的外形見圖1。從圖1中可以看出，巖石擴底錨樁基礎是普通巖石錨樁基礎與直柱掏挖基礎形式的組合型基礎，該型基礎與常規巖石錨樁基礎的不同之處在于基礎下部進行了擴底。

2.1 基礎承受上拔荷載時的傳力路徑

巖石擴底錨樁基礎在承受上拔荷載時，其上拔力的傳遞路徑如圖2、3所示。

2.2 提高承載力的措施

分析圖3可知，采取如下措施有利于提高基礎的承載力:(1)選用材質良好的地腳螺栓、增大其截面積;(2)擴大錨筋的直徑、適當增大錨入長度;(3)改善混凝土與巖石間的受力條件;(4)增大錨樁的擴底直徑。

3 荷載試驗

3.1 試驗方案

圖1 巖石擴底錨樁的外形Fig.1 Figuration of belled rock-anchor pile foundation

圖2 巖石擴底錨樁基礎的傳力路徑Fig.2 Loading path of belled rock-anchor pile foundation

圖3 巖石擴底錨樁受力簡圖Fig.3 Force diagram of rock-anchor pile foundation

試驗分別針對上部纏繞錨桿技術和擴底錨樁基礎型式進行，各項試驗依據DL/T 5219—2005《架空送電線路基礎設計技術規定》的附錄I進行，主要進行了基礎的上拔靜載試驗。試驗場地為低山丘陵地形，地質情況為強風化的石灰巖。為了便于結果的對比分析，在同一地質區域分別按照錨固深度2，3 m各進行3組試驗。試驗采用的材料規格:錨桿為Q235級M60;錨孔直徑φ110 mm;細石混凝土強度等級為C20。按照標準條件養護后，對巖石擴底錨樁基礎進行破壞性試驗，首先加載為設計最大上拔荷載的50%，之后按每級10%的加載量分段加載，每2級加載之間停10 min，進行數據測量、讀取。加載至試件出現下列情況之一時，即判定錨桿基礎已達到破壞荷載:(1)錨桿基礎產生突發性位移或持續位移;(2)加載設備已達到最大量程;(3)基礎或地面有明顯破壞特征(如裂縫、隆起等);(4)錨桿發生滑移、拔出、拉斷等情況。

3.2 錨固長度為2 m的試驗

表1為錨孔深度取2 m進行的3組試驗數據，試驗組1～3的試驗參數分別為:上部錨孔直徑為110 mm;下部錨孔直徑 130，130，110 mm;上部纏繞長度 0.5，0，0 m;非纏繞錨桿長度 1.5，2，2 m。圖 4為3組試驗的極限荷載－位移曲線。

表1 巖石錨孔深度為2 m時的試驗結果Tab.1 Test results for rock hole depth being 2 m

圖4 極限荷載－位移曲線(1～3組)Fig.4 Relationship between ultimate loading and displacement(1～3 sets)

從表1及圖4中可以看出，對于同樣深度的巖石錨桿基礎，試驗組2與試驗組3相比增加了下部的擴底部分，其承載力較試驗組3提高了50%，在極限荷載條件下錨桿頂部的位移僅增加了8.1%;試驗組1與試驗組2相比增加了上部纏繞錨桿技術，其承載力提高了33%，但是其錨桿頂部的位移僅增加了2.7%;在極限荷載條件下，錨桿試驗組1與試驗組3相比，增加了下部的擴底部分及上部的纏繞錨桿技術，其承載力提高了100%，其位移僅增加了11%。從上面的分析可以得出，巖孔采用下部擴底及錨桿上部采用纏繞技術后，其承載力較直孔有了較大幅度的提高，但是錨樁的頂部的位移增加較小。

3.3 錨固長度為3 m的試驗

表2為錨孔深度取3 m進行的3組試驗數據，試驗組4～6的試驗參數分別為:上部錨孔直徑110 mm;下部錨孔直徑 130，130，110 mm;上部纏繞長度1，0，1 m;非纏繞錨桿長度 2，3，2 m。圖 5 為此3組試驗的極限荷載位移曲線。

表2 巖石錨孔深度為3 m時的試驗結果Tab.2 Test results for rock hole depth being 3 m

圖5 極限荷載－位移曲線(4～6組)Fig.5 Relationship between ultimate loading and displacement(4～6 sets)

從表2及圖5中可以看出，對于同樣深度的巖石錨桿基礎，試驗組4與試驗組5相比，增加了上部纏繞錨桿部分，承載力提高了10%，但試驗組5的錨桿頂部的位移比試驗組4增加了47%，這就表明上部采用纏繞技術后，在相同荷載條件下位移減小12%，并且可以提高基礎的承載力;試驗組4與試驗組6相比，增加了下部的擴底部分，其承載力提高了20%，相同荷載條件下位移減少約6%。從上面的分析可以得出，巖石錨樁基礎單純采用下部擴底的技術僅能有效提高基礎的承載力并不能有效控制錨樁的頂面位移。只有同時采用下部擴底技術及上部纏繞錨樁技術才能達到完美組合，既能提高基礎的整體承載力，又能很好地控制錨樁的頂面位移。

采用巖石擴底錨樁和上部纏繞錨桿技術后，基礎的極限承載力和設計承載力都有了約30%的提升，并且基礎的豎向位移較普通錨樁基礎減少較多，有效減小巖石錨樁的蠕變特性。

4 工程應用

4.1 應用情況

巖石擴底錨樁基礎在500 kV棲霞—文登輸電線路中3基塔位進行了試用。為了確保工程基礎的安全，在每基基礎附近按照相同技術條件設置1個試驗錨樁，并進行原位試驗。試驗結果表明:巖石擴底錨樁不僅承載力滿足設計要求，并且錨樁的柱頂位移小于計算值，滿足基礎正常使用的要求。

4.2 經濟性分析

將山區基礎常用的3種基礎形式(直柱板式基礎、直柱掏挖基礎以及巖石擴底錨樁基礎)的材料用量及土方量列表進行比較，如表3所示。

表3 巖石擴底錨樁基礎與直柱板式、直柱掏挖基礎對比表(5D-SZC2塔型)Tab.3 Comparison of belled rock-anchor pile foundation，pad-chimney foundation and undisturbed soil foundation(5D-SZC2 tower)

由表3可看出，與其他2種基礎比較，巖石擴底錨樁基礎可節省混凝土70% ～80%，節省鋼筋量30%～90%，且采用巖石基礎開方量約為直柱板式基礎的1/60、直柱掏挖基礎的1/10。因此，在強風化巖石條件下應優先選用巖石擴底錨樁基礎并采用上部纏繞錨桿技術，這樣不僅可以有效降低工程的本體造價，而且可以大大降低山區運輸的工作量，將線路建設對環境的破壞降到最低。

5 結論

(1)巖石擴底錨樁基礎在強風化巖石地區的適用性較普通的巖石錨樁基礎更好，能夠提高承載力30%以上。

(2)巖石擴底錨樁基礎配合上部纏繞錨桿技術后，能夠有效減小錨樁頂部的位移，減緩巖石裂縫受力后的繼續發展。

(3)采用巖石擴底錨樁基礎不僅滿足設計要求，而且能降低基礎本體造價70%以上。

(4)采用擴底錨樁基礎可提高施工的機械化程度，降低勞動強度，縮短施工工期，有效降低土石方量，保護線路沿線環境，有助于建設“兩型三新”線路。

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