浅析新型直柱锚杆复合基础

王宇坤

（国网芜湖供电公司安徽芜湖241000）

摘要：山区输电线路塔位处地质中，往往常见上部为2m左右覆盖土层，下卧层为岩石的情况，采用掏挖基础则必然需在岩石层进行开凿施工，施工速度慢，工程投资大；若采用岩石锚杆基础，需全部剥离表层粘土，造成开挖量增大，不利于环境保护，不符合现行的输电线路建设的“资源节约型、环境友好型”的要求，因此提出直柱锚杆复合基础。

1.引言

杆塔基础的造价、工期和劳动消耗量在整个架空输电线路工程中占很大比重，基础工期约占整个工程工期的50％，运输量约占60％，费用约占本体造价的15～35％，在特殊地质条件下基础造价所占的比例还会更高。由此可见，为了减少输电线路工程杆塔基础施工对环境植被的破坏，缩短建设工期，降低工程造价，因地制宜地选用科学与合理的基础型式和施工工艺具有重要的经济和环保意义。

目前，我国山区输电线路虽然采取了长短腿结合高低立柱基础以及岩石锚杆基础等多种型式组合方案，但山区基础劳动强度大，基面降方量大，降方土石难以运走，造成对环境的破坏。塔位周围形成“黄色瀑布”的情况仍未得到根本改变。一方面加大了线路的投资，另一方面对环境造成极大破坏，随着我国环保意识的增强，各项法规的完善，常规的施工方法会愈来愈不适合线路的建设。

山区输电线路塔位处的地质中，往往常见上部为2m左右覆盖土层，下卧层为岩石的情况，且随着埋深的增加，岩石的风化程度也由强风化转为中风化或微风化，即为“上土下岩”地质。如果按过去的设计方法，该类型地质一般选用掏挖基础或岩石锚杆基础。若采用掏挖基础则必然需在岩石层进行开凿施工，施工速度慢，工程投资大；若采用岩石锚杆基础，需全部剥离表层粘土，造成开挖量增大，不利于环境保护，不符合现行的输电线路建设的“资源节约型、环境友好型”的要求。

2.直柱锚杆复合基础简介

线路中遇到“上土下岩”的地质条件，其表层土适宜采用原状土基础，下卧风化岩层适宜采用岩石锚杆基础。理想的基础型式是将原状土基础与岩石锚杆基础结合起来，直柱锚杆复合基础即为由上部刚性短桩基础与下部岩石锚杆基础联合承载的基础，如图2.1所示。该复合式基础能够充分利用上部覆土的侧摩阻力，结合锚杆基础与岩石的抗拔作用，显著减少基础埋深，减小基础材料耗量，降低基础工程造价。同时能够避免上部覆土的外运，降低环境破坏和避免塌方事故的发生[1]。

3.直柱锚杆复合基础的优势

直柱锚杆复合基础主要有以下三个优点

3.1工程力学性能良好

充分利用原状土地基承载力高、变形小的特点。杆塔基础总是埋置于不同土质条件和不同地质环境中，基础周围土体与基础间相互作用、共同承载。基础承载力特性不仅取决于基础本身，也取决于基础周围土体。由于杆塔及基础长期承受拉压等交变外力作用，且抗拔和抗倾覆稳定通常是设计控制条件。因此，充分利用原状土地基承载力高、变形小的良好工程力学性能，是确定基础型式的基本原则。直柱锚杆复合基础就是充分利用原状土力学性能，充分发挥这种基础型式优势。

3.2满足环境保护要求

架空输电线路杆塔基础工程需合理设计塔位基面，做到少开基面或不开基面，以减少弃土并保护边坡，进而保护环境植被。直柱锚杆复合基础完全可以采用不等高设计，并与杆塔全方位高低腿配合使用，基本做到不开基面或少开基面，从而达到环保目的。设计经验证明，该基础上部短桩完全可以延伸到自然地面，甚至高出自然地面。

3.3节约材料

刚性短桩与岩石锚杆相配合的复合型基础能充分利用原状土特性，提高基础的上拔承载力，减少基础尺寸，节约混凝土、钢材，减小现场施工工作量。

4.直柱锚杆复合基础计算理论

4.1工作机理

上部的刚性短桩基础，充分利用原状土自有的抗剪切能力强、变形小的特点，在施工过程中避免了大开挖，减少了对环境的破坏，避免了对原状土的过分扰动，使原状土内摩擦角和凝聚强度得以充分发挥，从而可有效利用原状土的自身特性。

下部的岩石锚杆基础，能充分利用岩石自身较高的承载特性，充分发挥岩石的抗压、抗拔、抗倾覆的能力，可满足特高压输电线路大荷载的要求。

上部原状土刚性短桩基础与下部岩石锚杆基础共同抵抗上拔荷载；置于岩层表面的刚性短桩基础与岩石锚杆基础共同作用能有效抵抗下压荷载；埋置于岩层中的岩石锚杆基础极大提高了复合型基础的抗倾覆承载力。

在实际工程应用中，设计人员、地质工代与施工技术人员要密切配合，要逐基逐腿进行勘察与设计，方可体现直柱锚杆复合基础的特点[2]。

4.2上拔承载力设计计算

目前，直柱锚杆复合基础上拔承载力设计的关键点与难点主要在于：直柱锚杆复合基础作为新型环保型基础，设计方法无规范可依，相关设计研究也较少，其受荷破坏机理和破坏状态不明确，设计参数取值范围大，在应用中需针对输电线路复合型基础开展理论与试验研究，为铁塔基础的设计提供合理的参数。

在直柱锚杆复合基础的上拔承载力设计过程中，关键要解决的是杆塔结构对基础的上拔荷载如何合理地分配到上部原状土刚性短桩基础与下部岩层岩石锚杆基础上的问题，即上部原状土刚性短桩基础的极限承载力与下部岩石基础的极限承载力能否全部充分发挥。

首先假定充分发挥刚性短桩基础的作用，将刚性短桩基础承受不了的“多余荷载”乘以安全系数k2后，由岩石锚杆基础基础承担。由于粘土层中的刚性短桩基础要发挥到极限承载状态需要较大的位移量，而岩层中锚杆基础的发挥只需要较小的位移量。根据位移协调理论，再假设上拔承载力首先由岩石锚杆基础充分发挥承担，在达到一定的位移量后再由刚性短桩基础承担，即两种假设迭代确定k1、k2，然后求得复合式基础的极限承载力T：

4.4岩石锚杆基础的上拔承载力计算

结合《架空输电线路基础设计技术规定》（DL/L5219-2014）与其他相关资料，输电线路工程中岩石锚杆的主要破坏形式如下：

（1）杆体自身被拉断

当锚杆锚固于硬质岩体时，锚固段灌浆体和岩体间的粘结强度以及钢筋和灌浆体之间的粘结强度足够大，且锚固段长度足够，锚杆的破坏主要由钢筋自身的屈服强度来决定。

（2）钢筋和灌浆体的结合面粘结破坏

当锚杆锚固于硬质岩体时，灌浆体和岩体的粘结强度可能比钢筋和灌浆体的粘结强度还要高，当钢筋和灌浆体的粘结强度不足以抵抗拉拔荷载，钢筋和灌浆体的结合面就会发生粘结破坏，导致钢筋杆体被拔出。

（3）灌浆体和岩体的结合面粘结破坏

当锚杆锚固段处于软岩中时，灌浆体和岩体之间的粘结强度可能比钢筋与灌浆体间的粘结强度要低的多，这使得灌浆体和岩体的粘结强度充分发挥，导致破坏首先发生在灌浆体和岩体的结合面上，整个锚固体被拔出[3]。

（4）岩体自身破坏

①单锚引起的岩土体破坏

锚固段底端有锚定板时锚杆内部岩土体的剪切或受压破坏：在锚杆底端有锚定板且锚固段长度较短情况下，杆体受荷相对较大时，该处灌浆体与岩土体界面间的剪应力较大，荷载增大到一定程度，就有可能导致内部岩土体产生受剪切破坏，甚至会出现近似于锥形破坏面的拔出岩体破坏，造成锚杆整体失效，当锚杆锚固段长度足够一般不会出现此种破坏。

②群锚效应引起的岩土体破坏

当锚杆布置较密时，岩土体受力区的重叠必然会引起应力叠加和锚杆位移的叠加，就可能造成岩土体的破坏。

上述几种破坏形式中，杆体自身被拉断可通过提高锚杆杆体钢筋的性质与钢筋直径来提高；在满足有效锚固长度的前提下，钢筋和灌浆体的结合面粘结破坏可通过提高锚杆杆体钢筋的性质与灌浆体的强度来得到改善；灌浆体和岩体的结合面粘结破坏主要由钻孔孔壁周围的抗剪强度决定,上述研究资料表明,孔壁周围的抗剪强度因岩体自身地质条件不同、锚杆埋置深度与钻孔直径、水泥砂浆的灌浆施工工艺不同等诸多因素的不同而存在很大的差异；岩体自身破坏主要与岩体自身力学性质有较大的关系。

岩石锚杆基础是由三种材料(钢筋、浆体、岩体)两个界面(钢筋-浆体界面、浆体-岩石界面)组成的系统，针对每种可能出现的破坏模式进行安全性评价，最后对岩石锚杆基础的整体稳定性做出评价；上述的破坏模式需满足“木桶理论”，即以最小承载力作为锚杆基础的极限抗拔承载力。

通过对岩石锚杆基础各种破坏模式的安全性评价，可以全面地了解基础的整体稳定性，也可以通过对安全指标的逐项控制，达到既安全可靠又经济实用的目的。

岩石锚杆基础在满足输电线路基础安全、稳定承载时，其设计验算包括锚筋的强度、锚筋与砂浆的粘结承载力、锚杆与孔壁胶结承载力、锚杆与围岩整体抗拔承载力等。

4.5极限强度发挥度的取值要求

直柱锚杆复合基础的上拔破坏机理如下：

①在加载初始阶段，刚性短桩部分与岩石群锚部分共同抵抗上拔荷载；

②在加载过程中，由于岩石锚杆部分达到极限承载状态的位移量较刚性短桩部分小，岩石锚杆部分应首先达到极限承载状态；

③随着上拔荷载的继续增加，岩石锚杆部分的抗拔性能软化，而刚性短桩基础的承载力则进一步发挥，刚性短桩部分承载力发挥速度大于岩石锚杆部分承载力衰减速度，当两者的消长量相当时，复合式基础达到极限承载状态，直至发生整体性拉拔破坏。

针对不同的地质条件与不同的基础设计尺寸，上部刚性短桩部分的极限强度发挥度与下部岩石锚杆部分的极限强度发挥度的具体取值需要进行理论分析与大量现场试验的验证，研究出以下内容：

①不同土质条件下、不同基础尺寸下的“刚性短桩-岩石锚杆”复合基础的上拔承载力设计计算方法；

②研究“刚性短桩-岩石锚杆”复合基础中的关键组合参数k1与k2的取值标准；

③完成“刚性短桩-岩石锚杆”复合基础的现场真型试验；

④与其他传统基础型式进行技术经济比较。

5.结论

山区和丘陵地形比较广泛地存在地表为2m左右厚度的粘性土覆盖层，土层以下为强风化岩层的地质条件。针对此类“上土下岩”的地质条件，理想的基础型式即为上部刚性短桩基础与下部岩石锚杆基础联合承载的直柱锚杆复合基础。本文对该新的基础型式进行了研究，得到以下结论：

（1）直柱锚杆复合基础能够显著减少基础埋深，减小基础材料耗量，降低基础工程造价，减小对环境的破坏，还提高了基础整体的承载力特性。

（2）直柱锚杆复合基础主要应用于上层有较厚（2m）的可塑或硬塑覆土，下部为强风化及以上等级岩石的山区或丘陵地形；

（3）直柱锚杆复合基础的工作机理为：上部原状土刚性短桩基础与下部岩石锚杆基础共同抵抗上拔荷载；置于岩层表面的刚性短桩基础与岩石锚杆基础共同作用能有效抵抗下压荷载；岩石锚杆提高了复合型基础的抗倾覆能力。

（4）直柱锚杆复合基础作为新型环保型基础，设计方法无规范可依，相关设计研究也较少，其受荷破坏机理和破坏状态不明确，设计参数取值范围大，在应用中需开展理论与试验研究，为铁塔基础的设计提供合理的参数。

参考文献

[1]丁士君,鲁先龙.输电线路岩石锚杆基础载荷试验[J].电力建设,2010,(11):1-5.

[2]叶必炎,李有生,陈万福.岩土锚杆基础受力性能与承载力的分析[J].东北电力学院学报,1997,(03):77-81.

[3]郑卫锋,鲁先龙,程永锋,冯自霞.输电线路岩石锚杆基础工程临界锚固长度的研究[J].电力建设,2009,(09):12-14.