贵州某输电线路岩石锚杆施工及抗拔力试验

易贤龙 刘 永 董 鹏 杨建华 甘小迎

（中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

0 引 言

近年来随着特高压输电线路的快速发展，传统基础形式对于岩土体自身承载能力的发挥利用存在较大局限性，且对于传统基础形式，岩土体的挖填对生态环境造成的破坏较大，不符合绿色施工的原则，特别对于运输困难的山区，选择经济合理的基础形式以充分利用岩土体自身承载特性，从经济投入上可节约大笔资金。区别于传统桩基础，岩石锚杆基础主要采用机械成孔的方式，锚杆的一端直接锚固于其上部的承台中，下部依靠带肋螺纹钢筋通过水泥砂浆与岩体作用，形成锚固体来承受抗拔或抗拉。

目前单根锚桩常见的破坏形式主要存在三种模式，一种为锚杆的直接拉裂破坏；第二种为当锚杆与砂浆之间的强度不能满足工程要求时，锚杆直接从锚固体中拔出，而锚固体并未破坏；另外一种破坏模式为锚固体的整体破坏，其表现形式为地表的隆起或锚固体整体被拔出等，此时锚杆仍被水泥砂浆形成的混凝土包裹，并未破坏，其主要原因在于水泥砂浆与锚固体之间的摩阻力较小，不能满足上拔荷载的要求。

国内岩石锚杆技术主要源于20世纪50年代，河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等单位创造性地将岩石锚杆支护技术应用于矿上巷道上，之后该技术在铁路隧道及边坡支护中被大量采用，70年代以后，岩石锚杆技术与理论在诸多领域被逐渐发展并完善。

对于山区输电线路，覆盖层均较薄，电线杆和铁塔的传统基础多采用人工挖孔灌注桩基础，施工周期长，如采用岩石锚杆基础，可大大节约施工周期。同时对于承受抗拔荷载的塔腿基础，在满足上拔荷载的要求下，且下伏岩体能完全满足设计要求时，岩石锚杆基础能在很大程度上节约钢筋水泥材料。整体而言，采用岩石锚杆基础既经济又节约，且能适应现如今施工周期短的特点。

输电线路岩石锚杆技术有别于其它锚固技术，其目的在于给予输电线路提供抗拔力，防止输电线路电线杆和铁塔在风荷载及冰荷载等载荷作用下发生倾倒破坏[1-2]。目前输电线路岩石锚杆技术主要集中以下几方面的研究：

（1）单根锚杆基础的上拔破坏模式与抗拔承载性能之间的关联性。

（2）单根锚筋的应力分布规律及应力有效传递范围。

（3）群锚基础在水平力+上拔力联合作用下的承载性能。

（4）岩石锚杆基础的选型和设计参数的优化。

（5）岩石锚杆基础的施工工艺优化。

为研究输电线路岩石锚杆在不同岩体、不同钻孔直径、不同锚固深度对抗拔力的影响，本文通过对贵州某输电线路单根锚杆进行现场拉拔试验，研究岩石锚杆基础不同破坏形态下各自的主要影响因素，为今后岩石锚杆基础在工程中的实际应用提供借鉴和参考依据。

1 输电线路岩石锚杆施工要求

1.1 岩石锚杆适用范围

目前国内输电线路对采用岩石锚杆技术并未形成统一的规定，行业内普遍默认的几点要求如下：

（1）岩性条件：对于极软岩不适宜，软岩、较软岩、较坚硬岩及坚硬岩中可采用；对于全风化岩应慎用，其它风化程度均可采用；对于极破碎岩不可采用，其它完整性程度均可采用。

（2）地表覆盖层厚度要求：不宜超过2m。

（3）地下水条件：钻孔范围无稳定地下水位且地表水不发育。

1.2 岩石锚杆基础材料选取

（1）锚杆直径不宜大于40mm，且锚杆优先采用带肋的高强螺纹钢（HRB400）；

（2）灌注用的细石混凝土等级不低于C30；

（3）锚杆孔深度不宜小于3m；

（4）锚杆孔的直径宜取2～3倍锚杆直径；

（5）灌注时应采用一定措施对锚杆进行定位与锚固；

（6）岩石锚杆基础设计中可增加锚筋直径、减少锚杆数量、优化锚孔间距，减小锚桩承台尺寸[3]。

1.3 岩石锚杆基础施工注意事项

（1）施工前，应对施工区域内地表覆盖层及全风化岩层进行清表处理；

（2）锚杆孔钻进过程中应尽量保证岩体完整性；

（3）钻进完成后，应及时对锚杆孔进行清孔处理，孔内不允许残留石粉、浮土及孔壁松散活石等；

（4）在灌注细砂混凝土前应再次进行清孔处理，同时对孔壁进行湿润处理，并应保证开孔与灌注之间时间间隔；

（5）细石混凝土中宜加入3%～6%的膨胀剂或减水剂，细石粒径宜选取5～8mm，并采用中砂；

（6）浇筑时每一层厚度宜控制在0.3～0.5m之间，且每一层应振捣密实。

2 试验过程

2.1 试验参数

本次试验依托于贵州省某输电线路GN58和GN59铁塔进行。采用海创HC-50锚杆拉拔仪（一体式）及XH-75/0.01mm位移计对试验锚杆（索）施加轴向拉力进行检测。

锚固体岩性为砂质泥岩，呈棕红色或紫红色，泥质结构或粉砂泥质细晶结构，薄层～中厚层状构造。节理裂隙发育，裂面被褐黑色的铁锰质浸染，局部陡倾裂隙发育。该岩石遇水易软化，暴晒易崩解、开裂。试验参数如表1。

表1 试验参数

2.2 试验方法

试验按照《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）有关永久性锚杆验收试验的规定进行。

锚杆抗拔验收试验加、卸荷，并应符合下列规定：

前三级荷载可按试验荷载值的20%施加，以后每级按10%荷载施加；达到检验荷载后观测10min，在10min持荷时间内锚杆的位移量应小于1.00mm。当不能满足时持荷至60min时，锚杆位移量应小于2.00mm。卸荷到试验荷载的0.10倍并测出锚头位移。

当满足以下条件时，可定为试验锚杆合格：

（1）变形稳定发生在试验加载到设计最大值时；

（2）锚杆试验整体弹性位移大于等于锚杆自由段变形量的80%，且小于等于锚固段一半长度与自由段长度之和的理论弹性伸长值。

锚杆满足设计要求后按照预计最大加载值的0.1倍增量继续进行试验，直至锚杆出现以下情况：

（1）锚头位移不收敛，锚固体整体从岩土体中被拔出，或者锚杆从锚固体中拔出；

（2）锚杆整体拉断破坏；

（3）锚杆锚头总位移量超过设计允许值；

（4）锚头位移增量大于等于前一级荷载位移增量的2倍；

（5）岩石锚杆在3h内其锚头位移未达到相对稳定标准值。

当出现以上情况时取前一级荷载值为锚杆的最大拉拔力。

根据下列公式计算杆体自由段长度理论弹性伸长值和杆体自由段与1/2杆体粘结段长度之和的理论弹性伸长值[4]。

式中：

ΔL1——杆体自由段长度理论弹性伸长值，mm；

Qmax——最大试验荷载，kN；

Q0——初始试验荷载，kN；

L1f——杆体自由段长度，m；

E——杆体弹性模量，MPa；

As——杆体横截面积，m2。

式中：

ΔL2——杆体自由段与1/2杆体粘结段长度之和的理论弹性伸长值，mm；

Qmax——最大试验荷载，kN；

Q0——初始试验荷载，kN；

L1f——杆体自由段长度，m；

Ltb——杆体粘结段长度，m；

E——杆体弹性模量，MPa

As——杆体横截面积，m2。

3 试验结果

3.1 破坏模式

输电线路岩石锚杆单锚基础主要存在以下几种破坏模式：

（1）锚杆拉断，当锚杆的抗拉强度设计值小于其所受的上拔荷载时，锚杆直接被拉断。

（2）锚杆与锚固体粘结破坏，即当锚杆与细石混凝土之间粘结强度设计值不能满足上拔荷载时，锚杆直接从锚固体中被拔出。

（3）锚固体与岩体粘结破坏，即当锚固体与岩体之间粘结强度设计值不能满足上拔荷载时，锚固体直接从岩体中被拔出。

（4）岩体剪切破坏，当上拔荷载较大时，且锚固体与岩体之间粘结强度、锚杆与锚固体之间粘结强度均能满足上拔荷载要求，岩体的完整性和强度将作为主要控制因素，会在锚杆周围岩体中形成倒锥形的剪切破坏面，锚杆连同岩体一起被拔出[5]。

（5）群锚岩体整体剪切破坏，对于群锚基础由于锚杆之间受力体之间的应力叠加，会加大岩体受力面上的剪切荷载，易造成群锚岩体的整体剪切破坏[6]。

本次试验主要破坏模式为锚杆杆体从灌浆体内被拔出，如图1所示。

图1 锚杆破坏模式

3.2 破坏荷载确定

通过对其中一组岩石锚杆加载荷载及位移曲线进行统计，得到如图2所示力-位移曲线。

图2 力-位移曲线

通过对上述力-位移曲线进行分析可知，曲线呈缓变形，锚杆在120kN时的锚头位移增量大于110kN时增量的2倍，锚杆发生破坏，取110kN为该锚杆的最大抗拔承载力[7]。

4 结束语

本次试验依托贵州省某输电线路，采用锚杆拉拔仪及位移计对试验锚杆（索）施加轴向拉力进行检测。测定锚杆在试验加载过程中力-位移曲线，确定破坏荷载，取110kN为该锚杆的最大抗拔承载力；验证了岩石锚杆基础主要破坏模式为锚杆杆体从灌浆体内被拔出。

综上所述，岩石锚杆基础的主要破坏模式为锚杆从锚固体中拔出，锚杆与细砂混凝土之间的摩阻力决定了该岩石锚杆的主要抗拔力荷载，锚固体与岩体之间摩阻力并非主要控制因素。