锚杆基础在特高压线路工程中应用的几点建议

曾二贤，冯 衡，包永忠，李 强

(中南电力设计院，湖北 武汉 430072)

锚杆基础在以往220kV～750kV的线路工程中有较多运用，但特高压输电工程中鲜见应用。2008年，在向家坝－上海±800kV特高压直流输电工程(以下简称“向上线”)锚杆基础的应用尚属首例，随后在±800kV锦屏－苏南(以下简称“锦苏线””)、±800kV糯扎渡送电广东(以下简称“糯广线”)等特高压直流工程中得到了陆续应用。可见，锚杆基础在特高压直流线路工程中已从试用阶段逐渐迈入推广应用的阶段。

本文基于±800kV向上线、锦苏线、糯广线等特高压直流工程中锚杆基础应用的情况，对锚杆基础的技术和经济优势展开分析，并结合已有成果对锚杆基础的工程应用实践提几点建议。

1 锚杆基础的效益分析

如表1～表3分别给出了±800kV向上线、锦苏线、糯广线特高压直流工程采用锚杆基础的技术经济比较。

表1 ±800kV向上线应用锚杆基础的比较

表2 ±800kV锦苏线应用锚杆基础的比较

表3 ±800kV糯广线应用锚杆基础的比较

可见，采用锚杆基础单基混凝土材料较常规岩石基础节约28%～53%，在材料上有了很大减少。但其施工费用上比岩石基础稍多一些，总体费用有所减少，本体造价节省约2%～6%，工程实践表明锚杆基础具有较好的经济效益。

从图1可以明显看出，相比传统基础型式，锚杆基础所需施工场地小，施工土方量减少约60%，对山区原始地貌及植被破坏甚小，环境效益是相当可观的。

在线路工程中采用锚杆基础，具如下优点：

图1 3个特高压直流工程应用锚杆的基坑土方量

(1)采用机械化施工，避免人工深基坑的掏挖和爆破作业，提高了施工安全性。

(2)避免硬质岩放炮作业，减少对周边建筑物的影响，减少塔基基础施工过程中与周边的民事纠纷。

2 锚固长度的确定

锚杆锚固长度的取值是输电线路铁塔岩石锚杆基础设计的一项关键内容。锚杆选择过短，杆体抗拔能力不足，容易拔出；锚杆过长，底部零剪应力区太长，造成不必要的浪费。下面对锚固长度的规定展开讨论，以供设计参考。

2.1 基础规范GB50007－2011

《建筑地基基础设计规范》GB50007－2011(以下简称“基础规范GB50007”)第6.8.6条规定：岩石锚杆锚固段抗拔承载力的确定，当锚杆锚固段嵌入岩层中长度hr超过13倍锚杆直径时，按13倍直径计算。

2.2 电力行标DL/T5219－2005

《架空送电线路基础设计技术规定》DL/T5219－2005(以下简称“行标DL/T5219”)第10.3.3条规定锚筋或地脚螺栓的有效锚固深度l0为25d～45d，当l0小于有效锚固深度时，取锚固实长；大于时，取有效锚固深度。

2.3 确定锚杆设计长度依据

根据锚杆应力分布和破坏过程确定锚杆设计长度。文献[3]结合国内外一些锚杆试验，假设最终破坏形式只有浆体破坏和钢筋拉断两种，破坏准则见图2。

图2 锚杆破坏准则示意图

根据改破坏准则，锚杆的锚固总长度应由弹性工作段L0、破裂段L1和保证段(安全储备)L2组成。各段长度可按下列公式确定：

弹性工作段：

破裂段：

保证段：

其中：

式中：r、r0为锚杆及砂浆的半径；E、μ为锚杆弹性模量、泊松比；Er、μc为围岩的弹性模量、泊松比；Ec、μc为砂浆弹性模量、泊松比；s为破坏阶段平均剪应力；S为锚杆有效截面；τs为砂浆体开始破裂时的粘结强度。

可以看出，弹性段长度仅与杆体的几何特征和力学特性有关，对于确定的锚杆而言是一个客观量。按照φ32的III级钢筋计算，最大强度为290kN，推算出其锚固长度约为2.6m。

以上分析只是基于锚杆体与岩石之间粘结不破坏的前提，实际工程中岩石条件以强风化软、硬质岩为主，抗拔力应该取决与锚固体与围岩的粘结力。

2.4 基于荷载传递机理确定理论锚固深度

笔者基于荷载传递机理，推导了输电铁塔锚杆基础充分考虑岩体特性时锚固深度的理论计算公式，给出如下建议取值：

(1)坚硬岩体中，锚杆与砂浆界面之间应力分布趋于指数形式，锚固理论深度约为3.0m。

(2)中等坚硬岩体中，锚固理论深度约为5.0m。

(3)软弱岩体中，锚杆中应力随着岩体软弱而趋于线性分布，荷载传递范围几乎遍于杆体全长，设计中需考虑承载力要求加以综合确定。

2.5 中南院线路锚杆课题研究和试验

锚杆应力测量表明应力随施加外荷载增大而增大，随深度增大而减小，应力向深部发展，超过DL/T5219中规定的25d～45d范围，锚桩单锚部分测点上拔力逐渐向5.6m深度发展。

土层锚杆则更深，上海太平洋大饭店锚深35m，天津商厦项目为10m～15m，同济大学对北京东风市场项目试验的锚深为17m～20m。这些深度有些过大，但对于细长锚杆，当浅层减小粘结力时，下部锚杆应有足够长度发挥粘结承载力。

根据文献[4]，埋深6m的锚杆承载力比埋深3m的锚杆承载力增加不是很明显。但是，工程实际应用锚杆时，建议适当加大埋深，有利于岩石地基的抗风化和提高水平承载力。

2.6 小 结

通过上述分析，可见岩石锚杆基础锚固长度的确定是一个相当复杂的技术问题，与众多因素有关。如表4给出了向上线、锦苏线、糯广线采用锚杆基础的关键技术参数，可供其他类似工程参考。

表4 3个特高压工程中锚杆基础的关键参数

考虑特高压工程的重要性，结合岩石完整性及风化程度等特征，建议单个锚杆在原状基岩中的锚固长度不应小于4m，不宜大于8m。

3 粘结参数的取值

锚杆基础的设计中，主要涉及到钢筋与砂浆(或细石混凝土)、砂浆与岩石、岩石内部自身3个破坏截面强度问题，现行行业标准 DL/T5219给出相对应的 τa、τb及 τs3个设计参数均为较大的取值区间，如何确定是设计的关键。

3.1 钢筋与细石混凝土间的粘结强度τa

行标DL/T5219和文献[9]分别给出了钢筋与细石混凝土间的粘结强度τa值，见表5。

表5 钢筋与细石混凝土间的粘结强度(τa /kPa)

试验表明，锚筋与砂浆粘结力τa其取值变化范围较大，试验结果中除个别外，一般都大于DL/T5154中的规定值，究其原因可能不单是粘结剂强度等级决定，还和围岩性质和锚筋光滑程度有关。当围岩坚硬，围压较大时，砂浆不易变形破坏，τa越大，反之则越小，建议展开进一步研究确定其合理取值。

3.2 细石混凝土与岩石间的粘结强度τb

基础规范GB50007给出了细石混凝土与岩石间的粘结强度特征值f，见表6。

表6 砂浆与岩石间的粘结强度特征值

行标DL/T5219给出了细石混凝土与岩石间的粘结强度τb，见表7。

表7 细石混凝土与岩石间的粘结强度

试验结果显示，锚桩(砂浆柱)与岩石粘结力τb在微、中风化岩石中稍微大于DL/T5219规定值，设计中采用DL/T5219取值可靠合适。对强风化硬质岩石中则取值偏大，建议下限值适当降低。

美国标准IEEE Std 691－2001《输电结构基础设计及试验导则》针对灌浆岩石锚中岩石砂浆之间的粘结力，吸纳了Adams(1976) 、Horvath(1979)等人的研究成果，主要结论如下：

(1)岩石和灌浆之间的极限粘结强度，是灌浆或岩石的相对剪切强度(以较小者为准)的函数。

(2)给出了最脆弱的粘结材料(岩石或灌浆)的侧阻力和无侧限抗压强度fw' 之间的关系，见图3和图4，也可采用公式(1)、(2)确定。

①大直径(D > 406 mm)

②小直径(D <406 mm)

图3给出了岩石的相对粘结强度(即岩石侧阻力与无侧限抗压强度之比)和无侧限抗压强度之间的关系，图4反映了锚杆直径是如何影响侧阻力作用的。

图3 相对粘结强度与无侧限抗压强度fw'之间的关系

图4 相对粘结强度与锚杆直径的关系

IEEE Std 691－2001总结了几种典型岩石的灌浆岩石粘结侧阻力Sr常见取值，见表8。

表8 文献[14]的岩石类型和强度特性(MPa)

3.3 岩石极限剪切强度

行标DL/T5219和文献[9]分别给出了岩石极限剪切强度τs值，见表9和表10。

表9 行标DL/T5219给出的岩石极限剪切强度τs (kPa)

表10 文献[9]中岩石极限剪切强度τs推荐值 (kPa)

试验表明：DL/T51219中规定τs取值，在微风化、中风化硬质岩中较合适，强风化岩石中τs偏大；坚硬完整岩石中τs取值偏小，建议可适当提高。另外，强风化岩石地基的锚杆基础一般不易形成45°倒锥体破坏面，较多地沿着锚筋混凝土握裹体与岩石结合面产生破坏。

4 水平承载力的验算

铁塔基础所承受竖向荷载与较大水平荷载共同作用。目前，线路工程中锚杆水平试验的资料并不多见，主要原因是：①同时施加竖向和水平荷载试验难度大；②施加竖向荷载的同时会影响水平承载力，试验结果会失真。但对于群锚基础，承台底部与锚杆接触平面处是其抗水平承载的薄弱环节。建议采用第四强度理论对锚杆拉剪组合应力进行单独验算，表达式如下：

式中：σi、τi为第i根锚筋承受的正应力和剪应力；fy为锚筋的抗拉强度设计值。

实际上，对于群锚基础，因承台的作用，一般属于嵌固端，其抗弯刚度明显提高，杆身弯矩减小，杆顶弯矩加大，最大弯矩点和位移零点的位置均下移，岩土体塑性区向深层发展，能充分发挥岩土体抗力，从而提高水平承载力，减小水平位移。

5 锚杆基础的施工及检测

5.1 锚杆基础的施工

锚杆施工机械应配备多种钻进机具，以适应不同的地层。锚杆基础的施工有先挖承台法(见图5)及后挖承台法(见图6(a)和6(b) )两种典型的施工工艺。

图5 先挖承台法

图6 后挖承台施工法

线路工程成孔方式的选择，应根据实际地质条件而定。对于地层为泥岩、泥质砂岩等软质岩的塔位不得使用水钻方式，对于硬质岩可采用水钻方式。

5.2 锚杆基础的检测

锚杆基础的加载装置见图7。荷载与沉降的量测仪表通过高压油泵联动加载，采用连接于千斤顶的高精度油压表测定油压。根据千斤顶率定曲线换算荷载，荷载量由精密压力表控制。

图7 锚杆验收试验加载装置示意图

5.2.1 试验分级

(1) 验收试验采用分级加载，初始荷载宜取锚杆轴向拉力设计值的0.1倍，分级加载值宜取轴向拉力设计值的0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.2倍、1.33倍、1.5倍。

(2) 试验中，每级荷载均应稳定5min ～10min，并记录位移增量。最后一级试验荷载应维持10min。如在1min ～10min内锚头位移增量超过1.0 mm，则该级荷载应再维持50min，并在 15min、20min、25min、30min、45min和60 min时记录锚头位移增量。

(3) 试验采用2次循环加载。当首次逐渐加荷至最大试验荷载并观测10min，待位移稳定后即卸荷至0.1Nt(Nt为承载力设计值)，然后加荷至锁定荷载(锁定荷载为1.0Nt)锁定。绘制荷载－位移(P－S)曲线。

5.2.2 锚杆合格标准

(1) 拉力型锚杆在最大试验荷载下所测得的弹性位移量，应超过该荷载下杆体自由段理论弹性伸长值的80%，且小于杆体自由段与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长值。

(2) 在最后一级荷载作用下1min～10min，锚杆蠕变量不大于1mm，如超过，则6min～60min内锚杆蠕变量不大于2.0 mm。

5.2.3 试验终止条件

(1) 上拔量持续增加，在最后一级荷载作用下1min～10min，锚索蠕变量大于1mm，在6min～60min内锚杆蠕变量大于2.0mm。

(2) 新增加的荷载无法施加，或者施加后无法使荷载保持稳定。

(3) 锚杆破坏或拔出。

锚杆基础的检测，具体亦可参见文献[15]执行。

6 结语

特高压直流工程中杆铁塔采用锚杆基础，可降低工程造价，减少材料用量和施工弃土，其经济、社会和环境效益良好，符合“资源节约、环境友好”之政策。

对于岩石锚杆基础在输电线路工程中的具体应用，文中提出如下的建议和结论可作为设计参考。

(1)通过已建3个特高压直流采用锚杆基础的统计，相比岩石基础其在材料上有大幅减少，施工费用稍高，总体费用减少约2%～6%，施工土方量减少约60%。

(2)结合锚桩应力在围岩中的传递机理，建议单个锚桩在原状基岩石中的最小长度不应小于4m，不宜大于8m。

(3)锚筋与砂浆粘结力τa不仅受粘结剂强度等级决定，还和围岩性质和锚筋光滑程度有关。当围岩坚硬，围压较大时，τa越大。

(4)建议对锚杆拉剪组合应力进行验算。

鉴于输电线路铁塔基础承受荷载的复杂性以及目前线路工程的施工现状，建议在保证安全、降低造价的前提下，支持鼓励设计、施工企业采用锚杆新技术，在实践中逐步提高线路工程中锚杆技术整体水平。

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