岩石扩底锚桩基础试验及应用

任宗栋，秦玮，默增禄，刘泉

(国核电力规划设计研究院，北京市，100032)

0 引言

500 kV栖霞—文登送电工程是山东省内第1条同塔双回路的山区线路，采用4×LGJ－400/35导线，最大设计风速为30 m/s，最大设计覆冰厚度为10 mm。线路全长119.7 km，山区段长36 km。山区段线路沿线的地质沿线上覆地层主要为粘性土、强风化花岗岩等，下伏基岩主要为闪长岩、花岗岩等。

线路沿线山区上层岩石风化程度严重，多数呈块状，岩石裂隙较为明显，普通的岩石锚桩基础不适用于此种地质条件［1－5］。针对这种情况，设计岩石扩底锚桩基础并进行了真型试验。将扩底锚桩应用于工程中，取得了良好的效果。

1 岩石锚桩基础的不足及改进措施

1.1 岩石锚桩基础的不足

在山区，岩石锚桩基础具有较大的技术优势，但在实际应用过程中也存在一些问题:对于上层风化严重的强风化岩石地区，普通锚桩基础因受制于锚桩顶部的位移过大而不能应用;普通岩石锚桩基础极限承载力裕度较小，并有蠕变等特性，易降低基础承载力［6－11］。

1.2 改进措施

针对普通岩石锚桩基础存在的问题，设计了岩石扩底锚桩基础，它具有如下技术优势:充分发挥了原状岩体的力学性能，具有良好的抗拔能力;有效降低工程量，减少施工运输量，综合造价低;提高施工机械化程度，降低劳动强度，缩短施工工期;减小开方、保护环境，有利于线路长期安全运行。

2 岩石扩底锚桩基础的受力分析

岩石扩底锚桩基础的外形见图1。从图1中可以看出，岩石扩底锚桩基础是普通岩石锚桩基础与直柱掏挖基础形式的组合型基础，该型基础与常规岩石锚桩基础的不同之处在于基础下部进行了扩底。

2.1 基础承受上拔荷载时的传力路径

岩石扩底锚桩基础在承受上拔荷载时，其上拔力的传递路径如图2、3所示。

2.2 提高承载力的措施

分析图3可知，采取如下措施有利于提高基础的承载力:(1)选用材质良好的地脚螺栓、增大其截面积;(2)扩大锚筋的直径、适当增大锚入长度;(3)改善混凝土与岩石间的受力条件;(4)增大锚桩的扩底直径。

3 荷载试验

3.1 试验方案

图1 岩石扩底锚桩的外形Fig.1 Figuration of belled rock-anchor pile foundation

图2 岩石扩底锚桩基础的传力路径Fig.2 Loading path of belled rock-anchor pile foundation

图3 岩石扩底锚桩受力简图Fig.3 Force diagram of rock-anchor pile foundation

试验分别针对上部缠绕锚杆技术和扩底锚桩基础型式进行，各项试验依据DL/T 5219—2005《架空送电线路基础设计技术规定》的附录I进行，主要进行了基础的上拔静载试验。试验场地为低山丘陵地形，地质情况为强风化的石灰岩。为了便于结果的对比分析，在同一地质区域分别按照锚固深度2，3 m各进行3组试验。试验采用的材料规格:锚杆为Q235级M60;锚孔直径φ110 mm;细石混凝土强度等级为C20。按照标准条件养护后，对岩石扩底锚桩基础进行破坏性试验，首先加载为设计最大上拔荷载的50%，之后按每级10%的加载量分段加载，每2级加载之间停10 min，进行数据测量、读取。加载至试件出现下列情况之一时，即判定锚杆基础已达到破坏荷载:(1)锚杆基础产生突发性位移或持续位移;(2)加载设备已达到最大量程;(3)基础或地面有明显破坏特征(如裂缝、隆起等);(4)锚杆发生滑移、拔出、拉断等情况。

3.2 锚固长度为2 m的试验

表1为锚孔深度取2 m进行的3组试验数据，试验组1～3的试验参数分别为:上部锚孔直径为110 mm;下部锚孔直径 130，130，110 mm;上部缠绕长度 0.5，0，0 m;非缠绕锚杆长度 1.5，2，2 m。图 4为3组试验的极限荷载－位移曲线。

表1 岩石锚孔深度为2 m时的试验结果Tab.1 Test results for rock hole depth being 2 m

图4 极限荷载－位移曲线(1～3组)Fig.4 Relationship between ultimate loading and displacement(1～3 sets)

从表1及图4中可以看出，对于同样深度的岩石锚杆基础，试验组2与试验组3相比增加了下部的扩底部分，其承载力较试验组3提高了50%，在极限荷载条件下锚杆顶部的位移仅增加了8.1%;试验组1与试验组2相比增加了上部缠绕锚杆技术，其承载力提高了33%，但是其锚杆顶部的位移仅增加了2.7%;在极限荷载条件下，锚杆试验组1与试验组3相比，增加了下部的扩底部分及上部的缠绕锚杆技术，其承载力提高了100%，其位移仅增加了11%。从上面的分析可以得出，岩孔采用下部扩底及锚杆上部采用缠绕技术后，其承载力较直孔有了较大幅度的提高，但是锚桩的顶部的位移增加较小。

3.3 锚固长度为3 m的试验

表2为锚孔深度取3 m进行的3组试验数据，试验组4～6的试验参数分别为:上部锚孔直径110 mm;下部锚孔直径 130，130，110 mm;上部缠绕长度1，0，1 m;非缠绕锚杆长度 2，3，2 m。图 5 为此3组试验的极限荷载位移曲线。

表2 岩石锚孔深度为3 m时的试验结果Tab.2 Test results for rock hole depth being 3 m

图5 极限荷载－位移曲线(4～6组)Fig.5 Relationship between ultimate loading and displacement(4～6 sets)

从表2及图5中可以看出，对于同样深度的岩石锚杆基础，试验组4与试验组5相比，增加了上部缠绕锚杆部分，承载力提高了10%，但试验组5的锚杆顶部的位移比试验组4增加了47%，这就表明上部采用缠绕技术后，在相同荷载条件下位移减小12%，并且可以提高基础的承载力;试验组4与试验组6相比，增加了下部的扩底部分，其承载力提高了20%，相同荷载条件下位移减少约6%。从上面的分析可以得出，岩石锚桩基础单纯采用下部扩底的技术仅能有效提高基础的承载力并不能有效控制锚桩的顶面位移。只有同时采用下部扩底技术及上部缠绕锚桩技术才能达到完美组合，既能提高基础的整体承载力，又能很好地控制锚桩的顶面位移。

采用岩石扩底锚桩和上部缠绕锚杆技术后，基础的极限承载力和设计承载力都有了约30%的提升，并且基础的竖向位移较普通锚桩基础减少较多，有效减小岩石锚桩的蠕变特性。

4 工程应用

4.1 应用情况

岩石扩底锚桩基础在500 kV栖霞—文登输电线路中3基塔位进行了试用。为了确保工程基础的安全，在每基基础附近按照相同技术条件设置1个试验锚桩，并进行原位试验。试验结果表明:岩石扩底锚桩不仅承载力满足设计要求，并且锚桩的柱顶位移小于计算值，满足基础正常使用的要求。

4.2 经济性分析

将山区基础常用的3种基础形式(直柱板式基础、直柱掏挖基础以及岩石扩底锚桩基础)的材料用量及土方量列表进行比较，如表3所示。

表3 岩石扩底锚桩基础与直柱板式、直柱掏挖基础对比表(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，与其他2种基础比较，岩石扩底锚桩基础可节省混凝土70% ～80%，节省钢筋量30%～90%，且采用岩石基础开方量约为直柱板式基础的1/60、直柱掏挖基础的1/10。因此，在强风化岩石条件下应优先选用岩石扩底锚桩基础并采用上部缠绕锚杆技术，这样不仅可以有效降低工程的本体造价，而且可以大大降低山区运输的工作量，将线路建设对环境的破坏降到最低。

5 结论

(1)岩石扩底锚桩基础在强风化岩石地区的适用性较普通的岩石锚桩基础更好，能够提高承载力30%以上。

(2)岩石扩底锚桩基础配合上部缠绕锚杆技术后，能够有效减小锚桩顶部的位移，减缓岩石裂缝受力后的继续发展。

(3)采用岩石扩底锚桩基础不仅满足设计要求，而且能降低基础本体造价70%以上。

(4)采用扩底锚桩基础可提高施工的机械化程度，降低劳动强度，缩短施工工期，有效降低土石方量，保护线路沿线环境，有助于建设“两型三新”线路。

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