輸電線路新型復合基礎的應用及其研究

萬新　楊建國　隋宏

（廣州電力設計院廣東廣州510610）

輸電線路新型復合基礎的應用及其研究

萬新楊建國隋宏

（廣州電力設計院廣東廣州510610）

針對廣州部分山區上部覆蓋層及風化層較淺下部為穩定巖層的特殊地質情況，提出了掏挖加巖石錨桿復合基礎和巖石嵌入加錨桿復合基礎應用的可行性，總結了該兩種復合基礎的優缺點，探討了其抗拔承載能力的計算公式。針對巖石嵌固加錨桿復合基礎此種新型的基礎型式，重點分析了其在設計應用中的幾個重點，為其更廣泛地應用于輸電線路工程提供依據。

掏挖基礎；巖石錨桿基礎；復合基礎

引言

近幾年來，南方電網公司對電力工程建設所涉及的環境保護問題非常重視，將環境保護工作提高到南方電網可持續發展的戰略高度。《南方電網3C綠色電網輸變電示范工程建設指導意見》（試行）中明確要求丘陵、山地應優先采用原狀土基礎，因地制宜選用人工挖孔樁、掏挖基礎、巖石基礎、螺旋錨等基礎類型，減少材料用量及開挖土方量，110kV線路原狀土基礎所占比例不宜低于90%，220kV及以上線路原狀土基礎所占比例不宜低于80%。

隨著廣州地區征地拆遷難度加大，現新建廣州地區架空線路絕大部分位于山區丘陵，地質情況基本為上部可塑粘性土，中部為硬塑粘性土，下部為全強風化巖石，針對此種地質情況，一般采取掏挖型基礎和人工挖孔樁型基礎。但是針對一些山上的特殊地質如上部覆蓋層及風化層較淺或巖石裸露，下部為穩定巖層，由于此種特殊地質上部巖石分化嚴重且裂隙較多，不具備直接做巖石錨桿基礎的條件；有時由于鐵塔上拔力較大，單純的巖石錨桿基礎不能滿足基礎的抗拔承載力要求，針對此種情況，可以采用新型的掏挖加巖石錨桿復合基礎和巖石嵌固加巖石錨桿復合基礎，此兩種復合基礎型式受力明確，且能節省基礎材料用量，滿足環境保護要求。

1　復合基礎的優缺點分析

1.1優點

1.1.1工程力學性能良好

復合基礎能充分利用原狀巖土地基承載力高、變形小的特點。桿塔基礎總是埋置于不同土質條件和不同地質環境中，基礎周圍巖土體與基礎間相互作用共同承載，基礎承載力特性不僅取決于基礎，也取決于基礎周圍巖土體。復合型基礎就是充分利用原狀巖土力學性能，充分發揮這種基礎型式優勢。

1.1.2滿足綠色環保要求

針對《南方電網3C綠色電網輸變電示范工程建設指導意見》（試行）中的要求，減少棄土并保護邊坡，進而保護環境植被。此種復合型基礎完全可以采用不等高設計，并與桿塔全方位高低腿配合使用，基本做到不開基面或少開基面，從而達到環保目的。

1.1.3節約材料

與一般掏挖基礎和巖石嵌固基礎相比，基礎混凝土和鋼材均可有效的節約。且復合型基礎還能進一步減少基礎埋深，減小土石方量，便于施工。

1.2缺點

巖石錨桿的施工質量難以控制。由于巖石錨桿的施工在掏挖基礎或巖石嵌固基礎的孔內，施工作業面有限，這就使得巖石錨桿基礎施工的鉆孔、注漿等施工難度加大，且對于重要的桿塔基礎若需要做現場錨桿抗拔試驗，試驗難度較大，且會加長基礎施工的工期。

2　復合基礎的承載能力計算方法

在復合基礎的設計過程中，關鍵問題是如何合理地分配桿塔結構對基礎上拔荷載。首先假定充分發揮掏挖（巖石嵌固）基礎的作用，將掏挖（巖石嵌固）基礎承受不了的“多余荷載”乘以安全系數kD后，由巖石錨桿基礎基礎承擔。

對于掏挖加巖石錨桿復合基礎，由于粘土層中的掏挖基礎要發揮到極限承載狀態需要較大的位移量，而巖層中錨桿基礎的發揮只需要較小的位移量。根據位移協調理論，再假設上拔承載力首先由巖石錨桿基礎充分發揮承擔，在達到一定的位移量后再由掏挖基礎承擔，即2種假設迭代確定kD、kQ后復合基礎極限抗拔承載力理論計算[1]如下：

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

同理，對于巖石嵌入加巖石錨桿復合基礎，根據位移協調理論，由于上部巖石嵌固基礎和下部巖石錨桿基礎同在巖石中，且一般上部巖石嵌固基礎深度不大，故此復合基礎變形位移協調基本一致，即上部巖石嵌固基礎承載能力與下部巖石錨桿基礎承載能力都能充分發揮。

3　復合基礎承載能力計算中關鍵點的研究

3.1關于巖石等代剪切強度τs的取值問題

巖石錨桿基礎的設計不但要求保證強度，而且在運行中不容許出現裂縫。為此，在取用巖石等代抗剪強度時，將裂縫和變形綜合加以考慮。由于硬質巖和軟質巖破壞機理不同，而且在“荷載-變位”曲線上出現的規律也不相同，因此硬質巖和軟質巖的等代剪切強度應分別對待。軟質巖石等代剪切強度確定：軟質巖石塑性大，裂縫開展早，隨荷載的遞增，變形也相應的發展較快。整個應力-應變曲線呈非線性平滑曲線狀。它在低于破壞強度時已出現塑性變形，因此巖石的極限剪切強度取徑向裂縫出現時的荷載，但對軟質巖石錨樁，其值取30%的極限荷載，以保證運行中不出現裂縫。硬質巖石等代剪切強度確定：硬質巖石隨外力的增加變形變緩，其應力-應變曲線呈線性，當荷載超過屈服荷載時，變形的發展比荷載增長的速度快的多，破壞時具有明顯脆性破壞的特點，巖石的極限剪切強度亦取徑向裂縫出現時的荷載，但對硬質巖石錨桿，其值取80%的極限荷載，以保證運行中不出現裂縫[2]。

如果巖體含有二組或二組以上結構面，巖體強度的確定方法是分步運用單結構面理論，分別繪出每一組結構面單獨存在時的強度包絡線和應力莫爾圓。巖體到底沿哪組結構面破壞，由最大主應力σ1與各組結構面的夾角決定，當沿著強度最小的那組結構面破壞時，巖體強度取得最小抗壓強度，此時，沿強度最小的那組結構面破壞。

巖體強度的估算方法主要有：準巖體強度法和Hoek-Brown經驗方程法[3]。準巖體強度法實質是用某種簡單的試驗指標來修正巖塊強度，做為巖體強度的估算值。Hoek和Brown根據巖體性質的理論與實踐經驗，用試驗法導出了巖塊和巖體破壞時主應力之間的關系為

式中：σ1-破壞時的最大主應力；σ3-作用在巖石試樣上的最小主應力；σc-巖塊的單軸抗壓強度；m，s-與巖性及結構面情況有關的常數。

由（4）式，令σ3=0，可得巖體的單軸抗壓強度σmc：

對于完整巖石，s=1，則σmc=σc，即為巖塊抗壓強度；對于裂隙巖石，s<1。

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

由（6）式的剪應力表達式為：

3.2關于剪切角度的取值探討

3.3巖石錨桿基礎錨桿錨固長度的研究

《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》給出了錨固深度在不同風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的穩定性，設計人員往往無節制地增加錨桿的錨固長度，而相關資料表明，當錨桿長度足夠長時，錨桿軸力隨深度而衰減，當軸力衰減到一定深度后，超出部分可以近似認為不承受荷載作用，此時的錨固長度稱為臨界錨固長度。《建筑邊坡工程技術規范》在對邊坡巖石錨桿設計時限定了最大錨固長度。張潔[6]運用荷載傳遞法探討了錨桿極限承載力與錨桿長度的關系，給出了計算工程臨界錨固長度的兩種方法。鄭衛鋒[7]專門針對輸電線路的巖石錨桿基礎做了相關現場真型試驗和理論推導，建議在輸電線路巖石錨桿基礎設計時，以工程臨界錨固長度為錨桿的最佳設計長度。

4　結論

通過對掏挖加巖石錨桿復合基礎和巖石嵌入加錨桿復合基礎的優缺點及抗拔計算公式的分析，表明此二種復合基礎型式可充分發揮上部掏挖（巖石嵌固）基礎和下部巖石錨桿基礎的抗拉承載能力，在設計計算時，可取二者的承載能力之和。同時在進行復合基礎設計時，巖石等代剪切強度τs、剪切角度和巖石錨桿基礎錨桿錨固長度的取值應按照巖石的軟硬和風化程度進行重點研究。

[1]丁士君，魯先龍，鄭衛鋒.輸電線路新型復合式基礎試驗研究[J].電網與清潔能源，2011，27（1）：20～24.

[2]張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2003：531～533.

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

[4]鄭衛鋒，魯先龍，程永鋒.輸電線路巖石嵌固式基礎抗拔試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28（1）：152～157.

[5]張金舉，王習武.輸電線路工程中的巖石基礎設計與分析[J].紅水河，2010，29（3）：104～106.

[6]張潔，尚岳全，葉彬.錨桿臨界錨固長度解析計算[J].巖石力學與工程學報，2005，24（7）：1134～1136.

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

TM751

A

1673-0038（2015）16-0179-02

2015-2-26

萬新，男，工程師，一級注冊結構工程師，主要從事變電站及輸電線路的設計及其抗震性能的研究工作。