考虑施工缺陷的输电线路承台式岩石锚杆基础承载力研究

许维忠 苟明 张力广 陈忠 陈焰发 阎晓铭

摘 要：基于考虑粘结-滑移的界面本构关系，研究在典型施工质量缺陷条件下承台式岩石锚杆基础在上拔荷载作用下的界面破坏过程及抗拔承载力的变化规律。研究表明：考虑施工缺陷情况下，此类基础与单根锚杆的破坏形式存在差异，且与锚固长度、缺陷部位等因素有关。建议工程中增加锚杆检测数量，以确保基础安全可靠。

关键词：承台式；岩石锚杆基础；抗拔承载力；质量缺陷

中图分类号：TU472

文献标志码：A

文章编号：1001-5922（2023）07-0155-04

Study on bearing capacity of transmission line rock bolt foundation with pile-cap platform considering construction defects

XU Weizhong1，GOU Ming1， ZHANG Liguang1，CHEN Zhong1，CHEN Yanfa1，YAN Xiaoming2

（1.Yichang Electric Power Survey & Design Institute Co.，Ltd.，Yichang  443000，Hubei China; 2.College of Electrical Engineering & New Energy，China Three Gorges University，Yichang  443000，Hubei China

）

Abstract：

Based on the bond-slip interface constitutive relation，the interface failure process and the change law of the pulling capacity of such foundation under the uplift load are studied under the condition of typical construction quality defects.The research shows that the failure form of such foundation is different from that of single anchor bolt when considering construction defects，and it is related to anchoring length，defect location and other factors.It is recommended to increase the number of bolt detection in the project to ensure the safety and reliability of the foundation.

Key words：pile-cap platform;rock bolt foundation;pulling capacity;quality defects

承臺式岩石锚杆基础是山区输电线路工程中常见的上拔基础形式。

根据文献［1］工程锚杆检测宜采用单锚抗拔验收试验，试验数量不小于锚杆总数的5%，且每基塔应不少于3根。由于受到现场施工和地质条件的影响，可能出现个别锚杆因灌浆不密实等施工缺陷导致该锚杆抗拔承载力不足，从而影响同一承台下的基础整体抗拔承载力。目前现有的研究成果大多集中于研究单根锚杆的抗拔承载力［2-3］，对于承台式锚杆基础，其可能存在的施工缺陷对整个基础的抗拔承载力影响规律需要进行专门研究。

为了解决以上问题，采用通用有限元软件ABAQUS建立数值分析模型，模型由锚杆基础及周围的岩体组成，除主柱内箍筋、底板内钢筋网采用嵌入式布筋外，其余构件均采用实体单元。模型中考虑以下接触情况：①锚筋与锚固体间（第一界面）的切向粘结接触；②锚固体与岩体间（第二界面）的切向粘结接触；③底板底面与岩体间的硬接触（受拉即脱开）［4-5］。分析过程如下：

（1）结合真实试验数据对仿真参数进行反演，确定不同岩质、不同界面的粘结-滑移本构关系，并进行验证；

（2）以四锚杆承台式锚杆基础为例，假设当该基础［6］下个别锚杆因施工缺陷存在脱粘的情况，通过数值仿真，研究以上存在缺陷的锚杆基础的破坏过程及抗拔承载力规律，为工程提供参考。

1 界面粘结-滑移关系的确定

锚杆的工作原理是通过杆体与锚固体（如细石混凝土）以及锚固体与岩石之间的黏结力将外荷载传递到岩土中，利用锚固段首尾两端的不均匀的拉伸变形，带动周围岩土的变形，以抵抗上部传来的拉力。本文分析过程中采用考虑残余剪切强度影响的粘结-滑移剪切模型反映界面上的剪切本构关系［7-8］。

结合程序中的粘结接触模型对各接触面的本构关系进行定义。可用于描述第一界面，也可以将锚筋和锚固体视为整体，用于描述第二界面。

2 界面粘结滑移关系的验证

验证分析基于文献［8］中的试验数据进行。该试验为单根锚杆，锚筋为直径28 mm 的HRB400级螺纹钢筋。锚杆全部锚固于中风化花岗岩中，岩石饱和单轴抗压强度为32.5 MPa。锚杆孔直径为110 mm，钻孔深度为3.5 m，灌注M30水泥砂浆。随着荷载的施加，直至最终破坏。

仿真模型模型除了考虑土体及基础的自重外，在锚筋上施加沿Z轴方向的上拔力。按实际施工顺序进行加载。第一和第二界面的粘结参数参照前文反演结果进行定义。各相邻接触界面间设置粘结接触。

模型最终破坏形式为锚固体被拔出，即发生第二界面破坏，极限抗拔极限承载力为259 kN。试验得到的抗拔极限承载力为250 kN，表现为压力加不上，锚头位移持续上升，锚头锚固体周围约15 cm范围内开裂，锚固体和围岩有滑移的痕迹。从图1仿真与试验得到的荷载-位移曲线相比，极限承载力及位移发展趋势基本吻合，本构关系及计算方法得到验证。

3 单锚式岩石锚杆基础抗拔承载力研究

假定锚筋直径28 mm，锚杆直径为90 mm，锚杆锚固所在岩层为强风化软岩，锚筋和锚固体材料分别采用HRB400钢筋、C30细石混凝土。锚杆与岩层间极限粘结强度τbu、锚筋与锚固体间的极限粘结强度τau和岩石等代極限剪切强度标准值τs分别取为200 kPa、3 MPa和20 kPa［10-11］。

锚杆锚固长度为3～6 m，分析中通过剔除缺陷范围内的灌浆体单元，近似模拟局部灌浆不密实等原因引起的施工缺陷。锚杆全长分为4个区段，每段缺陷范围的灌浆体高度为750～1 500 mm，研究锚杆整体抗拔承载力的变化情况，结果如图2所示。

以上各情况最终均为锚固体拔出的第二界面破坏，可以看出：当缺陷范围位于锚固段中部时，其抗拔承载力下降最多，缺陷范围越位于锚杆两端，影响程度越小；随着锚固长度的提高，同样的缺陷范围下，缺陷锚杆抗拔承载力降低越少。原因是当缺陷范围位于锚杆中部时，灌浆体被分为上下两段，两段锚固体变形独立，其整体抗拔承载力远低于完好锚杆。当锚杆长度达到一定值后，锚固段全长界面剪应力并未充分发挥，当锚杆存在缺陷时，剩余锚固部分也基本能够充分发挥界面粘结强度，影响较小。

4 承台式岩石锚杆抗拔基础承载力分析

输电线路工程中承台式岩石锚杆应用广泛，以常见的四根锚杆承台［6］为基础，研究施工缺陷对其整体抗拔承载力的影响规律。

根据上部铁塔荷载，主柱截面为800 mm圆柱，锚筋直径28 mm，锚固体直径为90 mm，间距为660 mm，锚固长度为3～6 m，承台尺寸为1 200×1 200×400 mm。在锚杆间距大于规范要求条件下，可不考虑群锚效应，按照单根锚杆承载力之和考虑［12］。主柱和承台分别按照偏心受力及受弯构件分别进行设计和配筋。在满足承台嵌岩深度条件下，基础水平力考虑由承台承担，锚杆仅承受上拔力。

4.1 单根锚杆存在缺陷

假定承台下某一根锚杆因施工缺陷导致抗拔承载力未达到要求，改变缺陷范围所在区段进行分析，锚杆基础均呈现第二界面滑移破坏特征，整体抗拔承载力变化如图3所示。锚固长度为3～4 m，缺陷位于锚杆底部时，出现最低承载力；锚固长度为5～6 m，缺陷位于锚杆中部时，出现最低承载力。

选取锚固长度等于3、5 m两种情况进行研究，缺陷分别发生在第二、四段。提取该承台下缺陷锚杆及完好锚杆分别沿着锚杆长度方向第二界面剪应力分布，如图4、图5所示。

锚固长度3 m条件下，当缺陷发生在锚杆中部时，达到极限抗拔承载力Pu后，缺陷范围以下的锚杆，界面剪应力继续向下延伸，而正常锚杆已开始整体下降（图4（a））；当缺陷发生在锚杆底部时，缺陷锚杆的锚固长度变短，当基础达到极限抗拔承载力Pu时，缺陷锚杆界面剪应力已开始整体下降（图4（b））。由于承台的变形协调作用，完好锚杆的剪应力峰值出现位置更靠近锚杆顶部，此时基础极限抗拔承载力Pu更低。

锚固长度5 m条件下，当缺陷部位发生在锚杆中部时，达到极限抗拔承载力Pu时，锚杆上半段界面剪应力已开始整体下降，缺陷锚杆尤为明显（图5（a））；当缺陷发生在锚杆底部时，由于有效锚固长度变短，第二界面剪应力发挥更为充分，当达到极限抗拔承载力Pu时，锚杆上半段界面剪应力虽有所下降，但比发生在锚杆中部时降低更少，此时基础极限抗拔承载力Pu更高（图5（b））。

4.2 两根锚杆存在缺陷

当其它条件不变，承台下存在两根不合格锚杆时，基础破坏情况与单根缺陷锚杆类似。锚固长度3～6 m时，最低抗拔承载力约为完好基础的81%～83%。

原因是缺陷锚杆越多，其轴向变形越大。受到承台的变形协调作用，完好锚杆更早达到界面剪应力峰值并进入下降阶段，导致整体抗拔承载力进一步降低。

4.3 锚杆缺陷对第一界面破坏的影响

当基础整体发生第一界面破坏时，取锚筋直径为32 mm，锚固体直径为110 mm，岩层为中风化层，锚杆与岩层间极限粘结强度τbu、锚筋与锚固体间的极限粘结强度τbu和岩石等代极限剪切强度标准值τs分别取为400 kPa、3 MPa和40 kPa。锚固长度仍为3～6 m。

当承台下存在一根不合格锚杆时，最低抗拔承载力均发生在缺陷位于锚杆顶部情况下，数值为完好基础的88%～92%，锚固长度越短，承载力降低越多。

锚固长度3 m，缺陷位于锚杆顶部时（图6），缺陷范围以下第一界面剪应力发挥的范围较为集中。原因是缺陷范围锚筋变形相对更大，缺陷范围以下第一界面剪应力更快达到峰值，并迅速进入下降段；缺陷位于锚杆底部（图7），对锚杆第一界面剪应力发挥影响不大，缺陷锚杆与完好锚杆第一界面剪应力分布基本接近。

当承台下存在两根不合格锚杆时，发生第一界面破坏时，基础整体最低抗拔承载力数值为完好基础的77%～86%，其规律均与单根锚杆类似。

5 结语

（1）本文基于粘结-滑移模型，对岩石锚杆基础第一、第二界面破坏进行了仿真分析，通过试验数据进行了验证。在此基础上，得到了含缺陷锚杆的承台式基础抗拔承载力的变化规律；

（2）在承台的变形协调作用下，施工缺陷对承台式岩石锚杆基础抗拔承载力的影响随着缺陷所在位置的不同而变化。对于第二界面破坏情况，锚固长度较短时，缺陷位于锚杆底部影响较大，锚固长度较长时，缺陷位于锚杆中部影响较大，对于第一界面破坏情况，缺陷位于锚杆顶部影响较大，位于底部则基本无影响；

（3）不同锚固长度下，发生第二界面粘结破坏时，带单根和双根缺陷锚杆的基础整体抗拔承载力分别约为无缺陷基础的88%～90%和81%～83%；发生第一界面粘结破坏时，带单根和双根缺陷锚杆的基础整体抗拔承载力分别约为无缺陷基础的88%～92%和77%～86%；

（4）外部环境以及施工工艺条件对锚杆基础承载力影响较大。因此建议在施工中注意锚杆灌浆密实，同时在条件允许的情况下，增加锚杆的检测数量，每个塔腿至少保证检测1～2根锚杆，以确保基础安全可靠。

【参考文献】

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