山區輸電線路嵌巖樁基礎水平位移計算

謝 楓,鄭治祥,王錦濤

(中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我國是多山國家,隨著我國電網工程建設快速發展,越來越多輸電線路途徑山區,山區地形地貌、地質條件較平原地區更加復雜,使得山區巖石地基輸電線路基礎往往成為設計的難點,也是工程質量控制薄弱點[1-4]。

我國山區輸電線路工程中巖石地基主要可分為基巖直接出露或基巖上覆一定厚度土層的2種地層賦存形態,一般都采用巖石挖孔嵌巖樁基礎的“一腿一樁”方案滿足上部桿塔結構荷載要求。輸電線路嵌巖樁是指無覆蓋土層或者有覆蓋土層且樁端嵌入一定深度基巖的挖孔基礎,宜采用等直徑直柱型式且埋深一般較大。輸電線路嵌巖樁主要利用機械(人工)在天然原狀巖土體中鉆(挖)出基礎設計形狀的基坑,在基坑內設置鋼筋骨架、預埋地腳螺栓或他類型的連接件,以天然巖土體代模在基坑內直接澆筑混凝土,形成鋼筋混凝土基礎體。輸電線路嵌巖樁沒有支模、地基巖土體回填等作業工序,可有效避免施工過程的大開挖,因而具有工程施工進度、基礎材料省、工程造價低等優點,具有較好經濟和環境保護效益,屬于環保型基礎型式之一。

本文綜合不同行業嵌巖樁水平承載性能研究成果,結合山區輸電線路基礎特點,首先提出了輸電線路嵌巖單樁水平承載性能設計應滿足樁身嵌入基巖深度要求,在此基礎上,進一步給出了山區輸電線路工程無覆蓋土層和有覆蓋土層2種情況下的嵌巖樁水平位移計算模型和方法,分析了輸電線路嵌巖樁水平承載性能的影響因素,研究成果可為我國山區輸電線路嵌巖樁基礎設計計算提供借鑒。

1 輸電線路嵌巖樁最小嵌巖深度

根據我國港口、公路、鐵路等行業[6-8]的工程設計經驗,考慮到巖石地基塔位嵌巖樁基礎多處于山區斜坡地形,嵌巖樁基礎樁徑一般較大,埋深相對有限,塔位處巖體坡度以及樁側巖層構造、巖體風化程度及其節理裂隙發育情況都將對基礎抗水平承載性能產生影響,提出輸電線路最小嵌巖深度計算應滿足式(1)要求:

(1)

其中，H為嵌巖單樁基巖頂面處樁身截面水平力,kN;M為嵌巖單樁基巖頂面處樁身截面彎矩,kN·m;d為樁身直徑,m;φr為巖體抗壓強度折減系數,取0.5～1.0;φβ為嵌巖段樁身周圍巖體坡度修正系數,當坡度β≤10°時,取1.0;當坡度10°<β≤45°時,取0.67;當坡度β>45°時,取0.33;fucs為巖石天然狀態單軸抗壓強度,MPa

式(1)首先引入了嵌巖段樁側巖體豎向抗壓強換算為水平抗壓強度的折減系數φr以及嵌巖段巖體坡度修正系數φβ,以反映上述因素對基礎水平承載性能的不利影響。其次,巖石地基嵌巖單樁在水平力作用下的承載性能與樁身混凝土強度和基巖強度有關,樁身混凝土強度小于巖石強度時,其承載性能取決于樁身混凝土強度。受地形地貌和道路運輸條件限制,先進的機械化施工技術與裝備一般難以在山區輸電線路基礎工程建設中得到應用,基礎施工主要還是以人力為主,基礎混凝土設計強度等級以C25為主,現場基礎施工質量差異性較大。因此,按式(1)進行最小嵌巖深度計算時,若φrφβfucs大于樁身混凝土軸心抗壓強度標準值fck時,以樁身混凝土軸心抗壓強度標準值fck代換公式中的φrφβfucs進行計算。

2 嵌巖單樁水平位移計算

2.1 計算模型

對于無覆蓋土層或覆蓋土層厚度較薄的巖石地基,巖石地基抗壓強度較高,具有較好的水平抗力性能。按現有桿塔基礎水平力計算出來的附加與巖石地基的側向壓力一般均要小于巖石的抗壓強度。因此控制山區輸電線路基礎水平承載性能的主要是基頂的水平位移。

Carter和Kulhawy等人[9-10]對巖石地基中嵌巖樁水平承載性能的研究主要是基于巖土體介質的小孔擴張理論給出了嵌巖樁水平位移彈性解析結果,其計算模型如圖1所示。

圖1 嵌巖樁水平承載力計算模型[9-10]

對于存在較厚覆蓋土層的嵌巖樁基礎,我國港口、公路、鐵路等行業[6-8]嵌巖樁設計均假設水平力和彎矩由錨固段樁周側壁巖體承擔,并要求嵌巖段樁身嵌入基巖的深度大于計算最小嵌巖深度,將嵌巖樁的嵌巖端作固接考慮,從而計算嵌巖樁基礎立柱水平位移進行計算。

2.2 水平位移計算

(1)無覆蓋土層條件下的嵌巖單樁水平位移。如圖1(a)所示,根據嵌巖段樁的深徑比、樁徑、樁周巖體性質、樁身混凝土強度及其配筋情況,可無覆蓋土層的嵌巖單樁水平承載性能狀態可分為式(2)所示的三種情形[9-10]:

(2)

(3)

式中:(EI)p為嵌巖段樁身計算抗彎剛度,GN·m2。

根據如圖1(a)所示的無覆蓋土層嵌巖樁水平承載力計算模型,對柔性和剛性承載性能狀態的嵌巖樁基礎樁頂水平位移和轉角分別按照式(4)和式(5)進行計算:

(4)

(5)

式中:H為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂水平力值,kN;M為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂截面彎矩值,kN·m。

(2)有覆蓋土層嵌巖單樁水平位移。如圖1(b)所示,有覆蓋土層的嵌巖單樁在水平力和彎矩共同作用下,在土巖界面處等效為覆蓋土層中底端固定的懸臂梁和基巖中嵌巖樁2部分。此時,有覆蓋土層嵌巖單樁的樁頂水平位移由以下三部分共同組成:樁頂水平力和彎矩共同作用下,覆蓋土層中樁頂水平位移,土巖界面處樁身截面水平力和彎矩共同作用下基巖中嵌巖樁在土巖界面處水平位移,以及土巖界面處樁身截面轉角所引起覆蓋土層中樁頂水平位移。

(a)樁頂水平力和彎矩共同作用下,覆蓋土層中樁頂的水平位移按式(6)計算:

(6)

(b)土巖界面處樁身截面處水平力和彎矩分別按式(7)和式(8)進行計算:

(7)

(8)

式中:H0為樁頂水平力,kN;M0為樁頂彎矩,kN·m;H為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂水平力,kN;M為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂截面彎矩,kN·m;uAO為樁頂位移,m;hs為覆蓋土層厚度,m;d為樁身直徑,m;cu為覆蓋土層樁側土體不排水剪切試驗的黏聚強度,kPa;γs為覆蓋土層土體容重,kN/m3;Kp為覆蓋土層樁側土體的側向土壓力系數。

土巖界面處樁身截面水平力和彎矩共同作用下,基巖中嵌巖樁土巖界面處水平位移以及嵌巖部分樁身截面轉角,可按無覆蓋土層嵌巖單樁水平位移計算方法的式(1)～式(4)進行確定。

3 嵌巖樁水平承載性能影響因素分析

3.1 嵌巖單樁水平承載性能算例

依據某特高壓工程實際荷載條件,基礎荷載設計值如表1所示。

表1 基礎荷載設計值

假設塔位地形位平地條件,地層分布及巖土體設計參數如表2所示。

表2 塔位巖土體參數

嵌巖樁基礎樁身設計尺寸、基礎混凝土、基礎鋼筋及相關設計參數如表3所示。

表3 樁身混凝土及配筋參數

根據表1～表3所示的設計參數,并取水平承載性能計算中巖體節理裂隙計算參數φr=0.5,巖坡修正系數φβ=0.67。由此計算得到:最小嵌巖深度為2.48 m,實際嵌巖深度9.5 m,滿足樁身嵌巖深度要求。

按式(3)計算得樁體等效彈性模量Ee=26.7GPa,樁側巖石等效剪切模量G*=5.105 GPa,按公式(2)計算結果確定嵌巖單樁為柔性承載狀態。由此分別可計算得到下壓荷載工況和上拔荷載工況下樁頂水平位移分別為2.12 mm和1.8 mm,工程設計中規定輸電線路基礎水平位移限值為10 mm,因此算例基礎可滿足水平承載性能要求。

3.2 嵌巖單樁水平承載性能影響因素分析

為分析嵌巖單樁水平承載性能影響因素,可假設3.1節算例荷載條件、地層巖土體性質條件基本不變,從而改變覆蓋層厚度、基礎露頭高度和樁徑中某因素取值,得到相應影響因素對基礎水平位移影響規律,結果分別如圖2所示。

圖2 不同因素對最小嵌巖深度和水平位移影響規律

從圖2結果看,當基礎荷載條件、地層巖土體工程性質條件給定時,嵌巖樁計算最小嵌巖深度和樁頂水平位移均隨覆蓋層厚度和基礎露頭高度增加而增大。但是,樁徑對基礎柱頂水平位移影響較為為敏感,嵌巖樁計算最小嵌巖深度和樁頂水平位移均隨樁徑增大而迅速減小。此外,進一步計算發現,當嵌巖樁埋深大于計算所需最小嵌巖深度后,增加嵌巖埋深,對基礎頂部水平位移影響較小,甚至幾乎無影響。

4 結 論

(1)本文提出的嵌巖樁基礎水平位移算模型與方法,一方面可滿足嵌巖樁基礎最小嵌巖深度要求,同時也可根據塔位地層分布特征、地基巖土體性質、樁基混凝土及其配筋情況,進行嵌巖樁基礎立柱水平位移進行計算與驗算,可較好地滿足輸電線路基礎承載性能要求。

(2)基于本文提出的輸電線路嵌巖樁基礎水平位移計算方法,分析了輸電線路嵌巖樁水平位移影響因素。結果表明,樁徑對嵌巖樁水平位移影響最為敏感。當嵌巖樁埋深大于最小嵌巖深度后,繼續增加嵌巖樁埋深對基礎頂部水平位移的影響較小。