新疆昌吉中风化泥岩地区锚杆基础承载试验研究

刘 卫，王洪涛，刘立军

(国网新疆电力公司经济技术研究院，新疆乌鲁木齐830013)

0 引 言

新疆地区作为国家“一带一路”经济建设核心区，基础建设发展迅速，高压输电线路逐步开始成为电力输送的主要方式，也是新疆地区经济建设的重要命脉。相比于传统形式的输电线路基础，锚杆基础能大量节省混凝土和钢材的用量，一定程度上降低了工程造价；在施工中基础开挖量小，减小了对环境的破坏；在承载力上充分利用了岩石强度高、变形小的特征，可承受较大的竖向拔力和水平力[1]。

目前，随高压输电线路的发展，各学者对锚杆技术在不同地区输电线路中应用进行了研究，用以指导输电工程的顺利实施。费香泽等[2]选取华北地区花岗岩、片岩和灰岩等3种典型岩石，研究了锚杆基础试验承载性状，分析了锚杆基础承载力的影响因素；吴聂斌[3]对福建地区常见的花岗岩和片麻岩这2种典型岩石，通过现场锚杆试验得到了岩石锚杆相关设计参数；郑卫锋等[4]在辽宁地区中风化硬质岩中进行了复合式锚杆基础现场试验，验证了该基础在输电线路中的可行性；冯炳[5]针对强风化凝灰岩进行了一系列单锚和群锚真型试验；中国电力工程顾问集团中南电力设计院[6]结合糯扎渡—广东、向家坝—上海、锦屏—苏南±800 kV直流输电线路工程，选择强风化泥质、强风化页岩、沉积砂岩和老粘土、砂岩进行了系统的单锚和群锚真型试验；张晨[7]采用现场试验获取了华中地区不同地质条件下的岩石锚杆基础承载力值。

虽然锚杆基础在我国输电线路工程中已开始逐步推广，但新疆地区尚未有成熟工程案例借鉴。基于此，本文选取新疆昌吉典型中风化泥岩，进行单锚和群锚现场真型试验，获取该地质条件下锚杆典型设计参数，并进行数值模拟试验验证，可为新疆地区输电电路基础设计提供参考。

1 试验概况

1.1 地层岩性

试验点位于新疆昌吉州，表层为碎石土，厚约20 cm，钻孔揭露下伏基岩为泥岩，红褐色，泥质结构，中风化，遇水极易软化，天然重度为22.5 kN/m3，内摩擦角为40°，粘聚力为30 kPa。该中风化泥岩广泛分布于新疆昌吉地区。中风化泥岩钻孔岩芯见图1。

通过表1的数据和理想数据的对比可以看出,BP神经网络基本能够诊断出三电平逆变器中两个晶体管损坏在交叉桥臂的故障具体位置,而且在实际操作中,这里所用的BP神经网络算法进行故障诊断时间短,速度快,准确率高,能够高效迅速的确定故障位置并进行排除。

图1 中风化泥岩钻孔岩芯

1.2 现场试验方案设计

为对该中风化岩石锚杆基础进行较全面系统的试验研究，分别进行了单锚和群锚在不同锚固深度下承载力特性研究。试验布置情况见表1。

基础锚杆孔径为90 mm，锚筋类型采用φ36螺纹钢，型号为Q235钢体。群锚试验承台尺寸为1.2 m×1.2 m×1.0 m，锚杆的间距取4倍锚杆直径，锚杆采用C30自密实混凝土进行灌注。

表1 锚杆基础试验布置

1.3 现场试验加载方案

教师要重视实验过程中新生成的探究问题。学生在实验过程中也许会发现一些新的问题，教师要提醒学生重视这一闪而过的新发现，鼓励他们深入探究下去，也许会有意想不到的收获。例如，在探究“红花檵木紫色叶片中的色素”时，某课题小组发现一个奇怪的现象：红花檵木紫红色的叶片，加无水乙醇后变绿色，提取液为浓的墨绿色，但是划到滤纸条上，等干燥后又变为红色，研磨用的器皿，残汁干了也恢复红色。此时，教师要鼓励他们查阅资料，寻找原因，并设计实验检验自己的猜测。这样一个逐步分析、设计实验寻找真相的过程更能促进学生科学探究能力的提升。

1.4 数值验证方案

根据提标改造的要求，大浦污水处理二厂出水提标改造后执行一级 A标准，即：COD≤50mg/l；BOD5≤10mg/l；SS≤10mg/l；NH3-N ≤5 （8）mg/l；TN ≤15mg/l；TP≤0.5mg/l。污染物去除率分别为 89%、95%、96%、86%、70%、90%。

图2 模型整体

2 现场试验成果

2.1 极限抗拔力

根据拉拔试验规定，取破坏阶段前一级荷载作为锚杆基础的极限荷载值。不同锚固深度的单锚基础拉拔极限承载力见表2。从表2可知，在锚深1～3 m时，基础极限承载力随锚深增加而增大，但锚深达3 m后基础极限承载力不再增大，故可取该区单锚抗拔极限承载力为450 kN。

图3 不同锚深单锚P-S曲线

通过现场试验，获取了拉拔试验下不同锚固深度的单锚基础荷载-位移(P-S)曲线，见图3。从图3可知，拉拔试验下，单锚基础位移量随拉拔荷载增加而增大，在试验破坏前锚杆位移增长较缓慢，而破坏段基础位移急剧增大，该破坏具瞬时性。

机械通气本身会造成肺脏的损伤，由此对机械通气患者提出了肺保护性通气概念。在满足机体氧合与气体交换的前提下，采取低吸入氧浓度、小潮气量(6～8 mL/kg理想体重)、个体化的呼气末正压(positive end expiratory pressure，PEEP)和必要时手法肺复张[28]。研究显示：对于全身麻醉下机械通气的患者，采用肺保护性通气策略会降低术后肺损伤和肺部感染的发生[29]。强调的是，在低吸入氧浓度基础上，3种措施联合应用方可产生有效的保护作用，减少术后肺部并发症、缩短住院时间[30]。

11○信息资源管理平台的安全管理。应用安全——基于电子密匙Ukey双因子认证；系统体系安全——系统技术架构，安全策略控制，安全日志；内容安全——流量统计，访问控制，页面静态处理。

为使试验结果更加方便应用于实际工程项目，本次单锚试验按CECS 22—2003《岩土锚杆(索)技术规程》执行。根据确定的最大加载，参考JGJ 106—2003《建筑基桩检测技术规程》执行。抗拔荷载按预估最大加载量的1/10进行分级，然后按单桩静载试验方法进行位移观测及稳定标准控制，稳定后记录钢筋计读数。在基础破坏后取上一级加载值作为基础极限抗拔承载力。

表2 单锚极限承载力成果

2.2 轴力变化规律

试验中，锚杆随拉拔荷载变化其轴力也不断变化，选取最具代表性的锚固深度6 m的基础为代表，研究其轴力变化规律。锚固深度6 m基础轴力变化见图4。从图4可知，拉拔作用下，锚杆轴力随锚固深度的增加而减小。在该地质条件下，锚深为1 m时，轴力值和拉拔荷载相差不大；锚深为2 m时，锚杆轴力值大小已不明显；锚深为3 m时，轴力值几乎为0。

图4 锚深6 m基础轴力变化

2.3 适宜锚固深度

锚深6 m的单锚抗拔极限承载力是450 kN，该群锚极限承载力是3 240 kN，故群锚效应系数η=P群/(P单×n)=3 240/(450×9)=0.8。

2.4 影响范围研究

为研究单锚拉拔试验下该区域的影响范围，试验时在距试验点0.5、1.0、1.5 m和2.0 m地面处分别布置2排位移传感器，对该区域的地面位移量进行实时监控，位移监测计精度0.01 m。根据监测结果，在拉拔试验下，单锚基础地面变形影响范围在1.5～2.0 m左右，故建议单锚基础试验保护范围为2.0 m。

2.5 群锚效应研究

极限荷载下，基础(以锚深6 m为例)位移分布见图7。从图7可知，极限荷载下基础并非仅锚杆破坏，而是以锚杆为中心形成破坏圆形区域，该区域位移皆在25 mm左右，破坏圆形区半径约0.58 m。

本文研究了在海洋环境影响下无人艇航向的控制问题。针对由于海洋环境扰动引起的不确定项使无人艇无法精确地跟踪设定航向的问题，提出一种动态面控制技术和神经网络相结合的高效航向控制算法。该算法利用RBF神经网络强大的逼近能力逼近系统的不确定向，并采用基于动态面控制技术设计了航向控制器。在仿真中，以蓝信号无人艇作为仿真对象验证了该方法的有效性，仿真结果证明该算法能够对无人艇进行精确的航向控制。

拉拔作用下，由单锚基础极限抗拔荷载值可知，锚固深度达到3 m后，锚固深度增加并不影响基础极限承载力。因此，从极限荷载值影响角度可得适宜锚固深度约为3 m。由轴力变化规律可知，基础轴力传递至地下3 m处轴力减为0，表明基础受力影响深度为3 m，从而说明适宜锚固深度为3 m。综合考虑，推荐新疆昌吉中风化泥岩地区单锚适宜锚固深度为3 m。

图5 群锚基础P-S曲线

3 数值试验验证

为验证现场试验所得规律合理性，本文采用数值试验方法对单锚基础现场试验成果进行验证与研究。

3.1 极限承载力

以位移量25 mm破坏准则研究单锚基础极限承载力。不同锚深基础数值模拟成果与3 m锚杆现场试验成果对比曲线见图6。从图6可知，数值模拟试验在该地质条件下锚杆基础极限抗拔力大多在450 kN左右，和现场试验成果较吻合，而锚深2 m基础明显承载力不足，仅为413 kN。

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图6 基础极限承载力

在输电线路中仅靠单锚无法满足上部荷载的要求，通常选用群锚来承受输电荷载。因此在单锚试验的基础上，进一步试验群锚基础承载性能，对输电线路锚杆基础设计具有较高的工程意义。群锚基础设置锚杆根数为9根，锚长6 m，锚杆间距取4倍锚杆直径。拉拔作用下，3处群锚基础荷载-位移(P-S)曲线见图5。从图5可知，3处群锚基础抗拔极限承载力分别为3 600、3 240 kN和3 240 kN。前8级加载过程中承台位移量都很小，到第10级荷载(群1为第11级)位移急剧增大，基础破坏具突发性，故建议中风化泥岩中该群锚基础抗拔极限承载力取值3 240 kN。

在现场试验的基础上，为进一步验证试验结果的合理可靠性，本文利用Midas GTS有限元软件进行单锚基础数值模拟验证试验，以此来验证现场试验成果。通过数值模拟分别研究中风化泥岩条件下单锚基础的极限承载力、适宜锚固深度和试验影响范围。本次模拟岩石基础模型尺寸长10 m、宽10 m、高15 m。岩石参数取自室内试验成果：弹性模量10 GPa、粘聚力30 kPa、内摩擦角40°、泊松比0.28。锚杆、砂浆、岩体间设置接触界面，根据DL/T 5219—2005《架空输电线路基础设计技术规程》，以位移量是否达25 mm为数值模拟基础破坏准则。模型整体见图2。

图7 基础位移分布

3.2 应力分布规律

以锚深6 m单锚基础为例，极限状态下基础应力分布见图8。从图8可知，基础应力分布呈圆环状，应力值约350 kPa，该环径约0.45 m，圆环外边界距圆心2.51 m。

图8 应力分布

将基础沿X轴面截开，其应力分布见图9。从图9可知，基础内部应力呈“U”形分布，应力最大值约为700 kPa，应力集中区水平距以模形应力圆环为界，竖向分布深度约6 m到锚杆顶端为止，而锚杆顶部应力值为0，说明该区域岩体已经脱离基础而遭到破坏，与位移圆形破坏区相符合。综合数值试验成果，锚深在1～10 m变化范围内，应力竖向传递范围在锚深为3～10 m时都为6 m左右。

图9 X轴截面应力分布

3.3 适宜锚固深度

不同锚深单锚基础极限承载力在450 kN左右，而在锚深3 m条件下基础极限承载力为450 kN左右，随着锚深的增加，极限承载力变化较小，说明适宜锚固深度在3 m左右。数值模拟试验锚固深度从1 m增加至10 m，应力影响最大水平距稳定在距锚杆中心2.6 m左右，应力集中于地下深度6 m以内，反映适宜锚固深度在3 m左右。综合考虑，取3 m为该地质条件下适宜锚固深度，与现场试验相吻合。

3.4 影响范围研究

数值试验成果表明，应力影响范围明显大于位移影响范围，故应取应力分布区域判断基础是否受试验扰动。综合3～10 m锚深应力水平距基本不变规律，取平均应力水平距为2.6 m，略大于现场试验影响范围2 m。

4 结 语

本文以新疆昌吉泥岩地区为研究对象，对典型中风化泥岩地区进行了锚杆基础现场试验，得出以下结论：

(1)新疆昌吉中风化泥岩地区单锚基础极限抗拔荷载为450 kN，9根群锚基础极限抗拔承载力为3 240 kN，群锚效应系数为0.8。

(2)锚杆轴力传递深度为3 m，应力分布距锚杆水平距为2.6 m左右，分布深度在地下6 m左右。综合考虑，建议锚杆适宜锚固深度为3 m。

(3)现场试验得到的单锚抗拔试验影响范围为2 m，数值试验得到的影响范围约2.6 m，略大于现场试验成果。综合考虑，建议基础保护范围为3 m。