砂巖地基巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)性能研究★

王 輝,楊 超,馬 艷,侯鵬翔

(1.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021; 2.寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院有限公司,寧夏 銀川 750016)

0 引言

目前錨桿支護(hù)已用到煤礦巖石巷道[1]、地下基坑支護(hù)、隧道邊坡支護(hù)、建構(gòu)筑物抗浮等眾多領(lǐng)域[2-3],但是輸電線路塔基中還沒有廣泛應(yīng)用這種技術(shù)。在輸電線路工程中,特別是特高壓輸電線路工程,以往的基礎(chǔ)施工具有難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、對(duì)環(huán)境破壞大等缺點(diǎn)。而巖石錨桿基礎(chǔ)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和較大的環(huán)境效益,施工時(shí)安全能夠得到保障。國內(nèi)一些學(xué)者[4-7]主要研究了在華北、華中、東北、福建等地區(qū)的巖石錨桿基礎(chǔ)。但對(duì)西北地區(qū)使用巖石錨桿基礎(chǔ)研究較少。基于此,在西北地區(qū)輸電線路工程中大力推進(jìn)巖石錨桿基礎(chǔ)這種新型基礎(chǔ)型式勢(shì)在必行。

本文基于西北地區(qū)某特高壓直流輸電線路工程強(qiáng)風(fēng)化砂巖的地質(zhì)條件和工程建設(shè)條件,依托相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展的巖石錨桿基礎(chǔ)原位承載力試驗(yàn)研究,提出群錨基礎(chǔ)在上拔+水平聯(lián)合工況下的承載性能,強(qiáng)風(fēng)化砂巖地基巖石錨桿基礎(chǔ)選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 工程背景

某特高壓直流線路工程地表覆蓋層為粉細(xì)砂層,厚0.5 m～1.5 m、其下為厚層砂巖,呈灰綠色,碎屑結(jié)構(gòu),水平層理,節(jié)理裂隙較發(fā)育,全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化,層厚大于10 m。結(jié)合此處的地質(zhì)條件,對(duì)強(qiáng)風(fēng)化砂巖地基開展巖石錨桿基礎(chǔ)研究,分析其承載特性和設(shè)計(jì)參數(shù),為其在實(shí)際工程應(yīng)用中提供設(shè)計(jì)參考,對(duì)于促進(jìn)該類地區(qū)輸電線路工程建設(shè)的科學(xué)發(fā)展具有突出的理論與實(shí)踐意義,并可以實(shí)現(xiàn)顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

2 巖石錨桿基礎(chǔ)承載力分析

輸電線路基礎(chǔ)承受的作用主要為上部桿塔傳來的上拔力、下壓力、水平力,本階段主要研究巖石錨桿基礎(chǔ)受上拔力作用時(shí)的破壞形態(tài),根據(jù)DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[8]第10.2節(jié),巖石錨桿基礎(chǔ)受上拔力作用時(shí)有以下4種破壞工況(見圖1)。

工況1:錨筋受拉破壞。

TE>fyAn

(1)

工況2:錨筋與漿黏結(jié)破壞。

γfTE>πdl0τa

(2)

工況3:錨樁石黏結(jié)破壞。

γfTE>πDh0τb

(3)

工況4:巖石剪切破壞。

γfTE>πh0τs(D+h0)

(4)

根據(jù)式(1)～式(4)可以看出,當(dāng)錨樁直徑、錨筋等級(jí)、砂漿或細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及τa,τb和τs值為已知條件時(shí),工況1、工況2的控制變量為錨筋直徑,工況3、工況4的控制變量為錨樁錨深。根據(jù)DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定第10.2節(jié)、10.3節(jié),當(dāng)混凝土取C30時(shí),可以很清楚地得到工況1承載力、工況2承載力兩者之間的大小關(guān)系。

(5)

強(qiáng)風(fēng)化巖石:

(6)

當(dāng)錨筋的有效錨固長(zhǎng)度l0不受錨樁有效錨固長(zhǎng)度h0控制時(shí),強(qiáng)風(fēng)化巖石的工況1承載力恒小于工況2承載力,工況1可能為控制條件,而工況2不可能成為控制條件。

根據(jù)DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定第10.2節(jié),以錨樁直徑D為100 mm和DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定給定的τa,τb和τs值為已知條件時(shí),錨深h0、工況3承載力及工況4承載力是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,可得工況3承載力和工況4承載力相等時(shí)的錨樁臨界有效錨固深度表達(dá)式:

(7)

當(dāng)錨樁錨固深度小于臨界錨固深度時(shí),工況3承載力大于工況4承載力,工況4可能為控制條件,工況3不可能為控制條件;當(dāng)錨樁錨固深度大于臨界錨固深度時(shí),工況3承載力小于工況4承載力,工況3可能為控制條件,工況4承載力不可能為控制條件。

3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)論

為充分了解強(qiáng)風(fēng)化砂巖地區(qū)巖石基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方法和思路,根據(jù)《某特高壓直流輸電線路工程巖石錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)方案》,結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w材料采購和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,開展了單錨和群錨基礎(chǔ)研究,制定了方案1、方案2：?jiǎn)五^基礎(chǔ)，方案3：2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)；方案4：8樁承臺(tái)式群錨基礎(chǔ),見表1～表3。

表1 單錨基礎(chǔ)

表2 2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)

表3 8樁承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)

3.1 單錨基礎(chǔ)的計(jì)算分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

普通單錨基礎(chǔ)上拔破壞模式見圖2。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知,錨固深度為0.5 m 的普通單錨基礎(chǔ)的上拔破壞模式為錨桿被拔出破壞,見圖2a);錨固深度不小于1.0 m的普通單錨基礎(chǔ)的上拔破壞模式均為錨筋被拉斷破壞,見圖2b)。

上述的4種方案,方案1和方案2均是單錨基礎(chǔ),方案1錨固深度較深時(shí),強(qiáng)風(fēng)化砂巖的τb和τs按規(guī)范分別取下限和上限,在計(jì)算得到的臨界直徑時(shí),臨界巖石等代極限剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的巖石等代極限剪切強(qiáng)度,說明巖石不發(fā)生剪切破壞,這與實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是一樣的。方案2錨固深度較淺,均小于按規(guī)范對(duì)τb和τs分別取下限和上限時(shí)計(jì)算所得強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石的臨界錨深1.567 m,0.5 m錨深的試驗(yàn)結(jié)果為:采用漲殼式錨固的一組錨桿被拔出,發(fā)生巖基整體剪切破壞,見圖3;其他兩組普通錨固的錨筋被拉斷;而1.0 m,1.5 m錨深的試驗(yàn)結(jié)果均是錨筋被拉斷。

對(duì)于方案1和方案2,從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出(見圖4),錨固深度分別為3.0 m，4.5 m和6.0 m的普通單錨基礎(chǔ)的極限抗拔承載力基本一致,因?yàn)榫l(fā)生錨筋拉斷破壞,基礎(chǔ)的抗拔承載力由錨筋本身強(qiáng)度決定。普通單錨基礎(chǔ)的極限抗拔承載力與錨固深度呈線性遞增關(guān)系,但當(dāng)錨固深度大于1.0 m后,單錨基礎(chǔ)的破壞模式均為錨筋被拉斷,鋼筋自身強(qiáng)度決定了極限抗拔承載力的大小,故其極限抗拔承載力沒有顯著變化;而漲殼式單錨基礎(chǔ)的端部加強(qiáng)了錨固作用,故極限抗拔承載力隨錨固深度變化也不明顯。

綜觀上面單錨基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)試驗(yàn),錨筋承載特性是巖石錨桿基礎(chǔ)內(nèi)部承載特性的最直接體現(xiàn),如何確定錨筋的有效錨固長(zhǎng)度,使錨筋的承載力達(dá)到最大,是單錨基礎(chǔ)的主要設(shè)計(jì)思路。假設(shè)錨筋在上拔荷載作用下處于彈性工作狀態(tài),依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值并按照式(8)計(jì)算錨筋的內(nèi)力值。

F=σA=Eεπd2/4

(8)

其中，F(xiàn)為錨筋內(nèi)力，kN;E為錨筋彈性模量,取E=2.0×105MPa;ε為錨筋實(shí)測(cè)應(yīng)變值;d為錨筋直徑，mm。

通過分析錨固深度分別為3.0 m，4.5 m和6.0 m的普通單錨基礎(chǔ)的錨筋內(nèi)力在試驗(yàn)加載過程中的典型變化規(guī)律,可以看出以下的主要變化趨勢(shì):1)不同錨固深度的錨筋內(nèi)力均隨荷載的增大而增大;2)不同錨固深度的錨筋內(nèi)力均隨埋深的增加而減小,當(dāng)埋深大于2.5 m時(shí),錨筋的內(nèi)力均小于本級(jí)荷載的1/10。

3.2 群錨基礎(chǔ)的計(jì)算分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)論

方案3和方案4均是群錨基礎(chǔ),2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)考慮豎向上拔工況,8樁承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)考慮豎向上拔+水平工況,下面分別從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以分析。

根據(jù)規(guī)范的規(guī)定,按強(qiáng)風(fēng)化硬巖計(jì)算,2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)在錨筋被拔出時(shí)所能承受的承載力及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4，表5所示。

表4 2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)承載力

表5 2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表4和表5對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)埋深為0.5 m時(shí),嵌巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比按規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果增大了595 kN,提高118%;埋深為1.5 m時(shí),嵌巖后的承載力比未嵌巖的承載力增大了1 060 kN,提高60%,未嵌巖的抗拔承載力和計(jì)算理論是相吻合的;可以看出,2×2承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)在單一上拔荷載的作用下,當(dāng)實(shí)際錨固深度比有效錨固深度小時(shí),適當(dāng)加大錨固深度可以有效提高基礎(chǔ)的極限抗拔承載力,同時(shí),承臺(tái)混凝土與巖石之間還存在側(cè)摩阻力,這就使得承臺(tái)嵌巖深度增加也能夠大幅度提高基礎(chǔ)的極限抗拔承載力,由于考慮到承臺(tái)與巖石黏結(jié)使上拔承載力提高的具體效果不確定,而且?guī)r石還承受水平力,因此實(shí)際設(shè)計(jì)中一般不考慮上拔承載力的提高。

同理,按規(guī)范中的規(guī)定,8樁承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)各工況下的計(jì)算承載力及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6，表7所示。

表6 8樁承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)承載力

表7 8樁承臺(tái)式群錨基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表6和表7的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):由于計(jì)算錨筋拉斷承載力時(shí)取錨筋的承載力設(shè)計(jì)值360 kPa,而錨筋的極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為540 kPa,為設(shè)計(jì)值的1.5倍,再由于嵌巖黏結(jié)力,所以試驗(yàn)極限抗拔承載力大于計(jì)算所得錨筋拉斷承載力1 810 kN。

4 巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)取值分析

前面已經(jīng)闡述了巖石錨桿基礎(chǔ)承載力4種控制工況,巖石基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量充分發(fā)揮巖石自身的特性。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是否合理經(jīng)濟(jì)主要與錨筋的有效錨固長(zhǎng)度(l0),錨筋與細(xì)石混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度(τa),細(xì)石混凝土與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度(τb),巖石等代極限剪切強(qiáng)度(τs)這幾個(gè)參數(shù)的取值有關(guān),下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)和理論計(jì)算,簡(jiǎn)要論述各個(gè)參數(shù)的取值。

4.1 錨筋的有效錨固長(zhǎng)度

錨筋的有效錨固長(zhǎng)度是輸電線路工程巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)之一,根據(jù)規(guī)范中規(guī)定強(qiáng)風(fēng)化巖石的錨固深度不得小于45倍錨筋直徑,直徑為36 mm的錨固長(zhǎng)度為1.62 m;試驗(yàn)表明不同錨固深度的錨筋內(nèi)力均隨埋深的增加而減小,集中在2 m埋深處內(nèi)力變化存在拐點(diǎn),且埋深超2.5 m范圍的錨筋內(nèi)力均小于本級(jí)荷載的10%,說明2 m以上的錨筋承受大部分軸力,大于規(guī)范取值23%,考慮安全余度后較合理。

4.2 錨筋與細(xì)石混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度

普通單錨基礎(chǔ)試驗(yàn)的上拔破壞模式為錨樁被拔出破壞或錨筋拉斷破壞,因此可根據(jù)普通單錨基礎(chǔ)的抗拔極限承載力TE反推求得錨筋與細(xì)石混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度τa值,計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 τa試驗(yàn)值

由表8可知,錨筋與細(xì)石混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度值大于3 981 kPa。實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)可參照DL/T 5219—2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行巖石錨桿基礎(chǔ)的錨筋與細(xì)石混凝土間的黏結(jié)承載力設(shè)計(jì)。標(biāo)號(hào)為C30的細(xì)石混凝土可取3 000 kPa。

4.3 錨樁與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度

單錨基礎(chǔ)上拔試驗(yàn)研究中,埋深為0.5 m的普通單錨基礎(chǔ)發(fā)生了錨樁被拔出破壞,可以根據(jù)其極限抗拔承載力求得錨樁與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度τb值,見表9。

表9 τb試驗(yàn)值

由表9可知,試驗(yàn)值1 528 kPa遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石的τb上限值500 kPa。

4.4 巖石等代極限剪切強(qiáng)度

單錨基礎(chǔ)上拔試驗(yàn)中,埋深為0.5 m漲殼式單錨基礎(chǔ)的一組發(fā)生基巖整體剪切破壞,由極限抗拔力可求得巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs為477 kPa,遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定強(qiáng)風(fēng)化硬質(zhì)巖石的τs上限值80 kPa。

5 結(jié)語

巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論還不成熟,設(shè)計(jì)方法還不完善,設(shè)計(jì)參數(shù)的取值存在困難,在具體的工程中可以按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),建議特高壓輸電線路工程中采用巖石錨桿基礎(chǔ)宜進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究及有限元計(jì)算,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行巖石錨桿基礎(chǔ)的相關(guān)設(shè)計(jì),以保證其技術(shù)安全和經(jīng)濟(jì)合理。