考慮施工缺陷的輸電線路承臺(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)承載力研究

許維忠 茍明 張力廣 陳忠 陳焰發(fā) 閻曉銘

摘 要：基于考慮粘結(jié)-滑移的界面本構(gòu)關(guān)系，研究在典型施工質(zhì)量缺陷條件下承臺(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)在上拔荷載作用下的界面破壞過程及抗拔承載力的變化規(guī)律。研究表明：考慮施工缺陷情況下，此類基礎(chǔ)與單根錨桿的破壞形式存在差異，且與錨固長(zhǎng)度、缺陷部位等因素有關(guān)。建議工程中增加錨桿檢測(cè)數(shù)量，以確?；A(chǔ)安全可靠。

關(guān)鍵詞：承臺(tái)式；巖石錨桿基礎(chǔ)；抗拔承載力；質(zhì)量缺陷

中圖分類號(hào)：TU472

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)是山區(qū)輸電線路工程中常見的上拔基礎(chǔ)形式。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］工程錨桿檢測(cè)宜采用單錨抗拔驗(yàn)收試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量不小于錨桿總數(shù)的5%，且每基塔應(yīng)不少于3根。由于受到現(xiàn)場(chǎng)施工和地質(zhì)條件的影響，可能出現(xiàn)個(gè)別錨桿因灌漿不密實(shí)等施工缺陷導(dǎo)致該錨桿抗拔承載力不足，從而影響同一承臺(tái)下的基礎(chǔ)整體抗拔承載力。目前現(xiàn)有的研究成果大多集中于研究單根錨桿的抗拔承載力［2-3］，對(duì)于承臺(tái)式錨桿基礎(chǔ)，其可能存在的施工缺陷對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)的抗拔承載力影響規(guī)律需要進(jìn)行專門研究。

為了解決以上問題，采用通用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值分析模型，模型由錨桿基礎(chǔ)及周圍的巖體組成，除主柱內(nèi)箍筋、底板內(nèi)鋼筋網(wǎng)采用嵌入式布筋外，其余構(gòu)件均采用實(shí)體單元。模型中考慮以下接觸情況：①錨筋與錨固體間（第一界面）的切向粘結(jié)接觸；②錨固體與巖體間（第二界面）的切向粘結(jié)接觸；③底板底面與巖體間的硬接觸（受拉即脫開）［4-5］。分析過程如下：

（1）結(jié)合真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行反演，確定不同巖質(zhì)、不同界面的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，并進(jìn)行驗(yàn)證；

（2）以四錨桿承臺(tái)式錨桿基礎(chǔ)為例，假設(shè)當(dāng)該基礎(chǔ)［6］下個(gè)別錨桿因施工缺陷存在脫粘的情況，通過數(shù)值仿真，研究以上存在缺陷的錨桿基礎(chǔ)的破壞過程及抗拔承載力規(guī)律，為工程提供參考。

1 界面粘結(jié)-滑移關(guān)系的確定

錨桿的工作原理是通過桿體與錨固體（如細(xì)石混凝土）以及錨固體與巖石之間的黏結(jié)力將外荷載傳遞到巖土中，利用錨固段首尾兩端的不均勻的拉伸變形，帶動(dòng)周圍巖土的變形，以抵抗上部傳來的拉力。本文分析過程中采用考慮殘余剪切強(qiáng)度影響的粘結(jié)-滑移剪切模型反映界面上的剪切本構(gòu)關(guān)系［7-8］。

結(jié)合程序中的粘結(jié)接觸模型對(duì)各接觸面的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行定義。可用于描述第一界面，也可以將錨筋和錨固體視為整體，用于描述第二界面。

2 界面粘結(jié)滑移關(guān)系的驗(yàn)證

驗(yàn)證分析基于文獻(xiàn)［8］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行。該試驗(yàn)為單根錨桿，錨筋為直徑28 mm 的HRB400級(jí)螺紋鋼筋。錨桿全部錨固于中風(fēng)化花崗巖中，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為32.5 MPa。錨桿孔直徑為110 mm，鉆孔深度為3.5 m，灌注M30水泥砂漿。隨著荷載的施加，直至最終破壞。

仿真模型模型除了考慮土體及基礎(chǔ)的自重外，在錨筋上施加沿Z軸方向的上拔力。按實(shí)際施工順序進(jìn)行加載。第一和第二界面的粘結(jié)參數(shù)參照前文反演結(jié)果進(jìn)行定義。各相鄰接觸界面間設(shè)置粘結(jié)接觸。

模型最終破壞形式為錨固體被拔出，即發(fā)生第二界面破壞，極限抗拔極限承載力為259 kN。試驗(yàn)得到的抗拔極限承載力為250 kN，表現(xiàn)為壓力加不上，錨頭位移持續(xù)上升，錨頭錨固體周圍約15 cm范圍內(nèi)開裂，錨固體和圍巖有滑移的痕跡。從圖1仿真與試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線相比，極限承載力及位移發(fā)展趨勢(shì)基本吻合，本構(gòu)關(guān)系及計(jì)算方法得到驗(yàn)證。

3 單錨式巖石錨桿基礎(chǔ)抗拔承載力研究

假定錨筋直徑28 mm，錨桿直徑為90 mm，錨桿錨固所在巖層為強(qiáng)風(fēng)化軟巖，錨筋和錨固體材料分別采用HRB400鋼筋、C30細(xì)石混凝土。錨桿與巖層間極限粘結(jié)強(qiáng)度τbu、錨筋與錨固體間的極限粘結(jié)強(qiáng)度τau和巖石等代極限剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τs分別取為200 kPa、3 MPa和20 kPa［10-11］。

錨桿錨固長(zhǎng)度為3～6 m，分析中通過剔除缺陷范圍內(nèi)的灌漿體單元，近似模擬局部灌漿不密實(shí)等原因引起的施工缺陷。錨桿全長(zhǎng)分為4個(gè)區(qū)段，每段缺陷范圍的灌漿體高度為750～1 500 mm，研究錨桿整體抗拔承載力的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

以上各情況最終均為錨固體拔出的第二界面破壞，可以看出：當(dāng)缺陷范圍位于錨固段中部時(shí)，其抗拔承載力下降最多，缺陷范圍越位于錨桿兩端，影響程度越?。浑S著錨固長(zhǎng)度的提高，同樣的缺陷范圍下，缺陷錨桿抗拔承載力降低越少。原因是當(dāng)缺陷范圍位于錨桿中部時(shí)，灌漿體被分為上下兩段，兩段錨固體變形獨(dú)立，其整體抗拔承載力遠(yuǎn)低于完好錨桿。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，錨固段全長(zhǎng)界面剪應(yīng)力并未充分發(fā)揮，當(dāng)錨桿存在缺陷時(shí)，剩余錨固部分也基本能夠充分發(fā)揮界面粘結(jié)強(qiáng)度，影響較小。

4 承臺(tái)式巖石錨桿抗拔基礎(chǔ)承載力分析

輸電線路工程中承臺(tái)式巖石錨桿應(yīng)用廣泛，以常見的四根錨桿承臺(tái)［6］為基礎(chǔ)，研究施工缺陷對(duì)其整體抗拔承載力的影響規(guī)律。

根據(jù)上部鐵塔荷載，主柱截面為800 mm圓柱，錨筋直徑28 mm，錨固體直徑為90 mm，間距為660 mm，錨固長(zhǎng)度為3～6 m，承臺(tái)尺寸為1 200×1 200×400 mm。在錨桿間距大于規(guī)范要求條件下，可不考慮群錨效應(yīng)，按照單根錨桿承載力之和考慮［12］。主柱和承臺(tái)分別按照偏心受力及受彎構(gòu)件分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和配筋。在滿足承臺(tái)嵌巖深度條件下，基礎(chǔ)水平力考慮由承臺(tái)承擔(dān)，錨桿僅承受上拔力。

4.1 單根錨桿存在缺陷

假定承臺(tái)下某一根錨桿因施工缺陷導(dǎo)致抗拔承載力未達(dá)到要求，改變?nèi)毕莘秶趨^(qū)段進(jìn)行分析，錨桿基礎(chǔ)均呈現(xiàn)第二界面滑移破壞特征，整體抗拔承載力變化如圖3所示。錨固長(zhǎng)度為3～4 m，缺陷位于錨桿底部時(shí)，出現(xiàn)最低承載力；錨固長(zhǎng)度為5～6 m，缺陷位于錨桿中部時(shí)，出現(xiàn)最低承載力。

選取錨固長(zhǎng)度等于3、5 m兩種情況進(jìn)行研究，缺陷分別發(fā)生在第二、四段。提取該承臺(tái)下缺陷錨桿及完好錨桿分別沿著錨桿長(zhǎng)度方向第二界面剪應(yīng)力分布，如圖4、圖5所示。

錨固長(zhǎng)度3 m條件下，當(dāng)缺陷發(fā)生在錨桿中部時(shí)，達(dá)到極限抗拔承載力Pu后，缺陷范圍以下的錨桿，界面剪應(yīng)力繼續(xù)向下延伸，而正常錨桿已開始整體下降（圖4（a））；當(dāng)缺陷發(fā)生在錨桿底部時(shí)，缺陷錨桿的錨固長(zhǎng)度變短，當(dāng)基礎(chǔ)達(dá)到極限抗拔承載力Pu時(shí)，缺陷錨桿界面剪應(yīng)力已開始整體下降（圖4（b））。由于承臺(tái)的變形協(xié)調(diào)作用，完好錨桿的剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置更靠近錨桿頂部，此時(shí)基礎(chǔ)極限抗拔承載力Pu更低。

錨固長(zhǎng)度5 m條件下，當(dāng)缺陷部位發(fā)生在錨桿中部時(shí)，達(dá)到極限抗拔承載力Pu時(shí)，錨桿上半段界面剪應(yīng)力已開始整體下降，缺陷錨桿尤為明顯（圖5（a））；當(dāng)缺陷發(fā)生在錨桿底部時(shí)，由于有效錨固長(zhǎng)度變短，第二界面剪應(yīng)力發(fā)揮更為充分，當(dāng)達(dá)到極限抗拔承載力Pu時(shí)，錨桿上半段界面剪應(yīng)力雖有所下降，但比發(fā)生在錨桿中部時(shí)降低更少，此時(shí)基礎(chǔ)極限抗拔承載力Pu更高（圖5（b））。

4.2 兩根錨桿存在缺陷

當(dāng)其它條件不變，承臺(tái)下存在兩根不合格錨桿時(shí)，基礎(chǔ)破壞情況與單根缺陷錨桿類似。錨固長(zhǎng)度3～6 m時(shí)，最低抗拔承載力約為完好基礎(chǔ)的81%～83%。

原因是缺陷錨桿越多，其軸向變形越大。受到承臺(tái)的變形協(xié)調(diào)作用，完好錨桿更早達(dá)到界面剪應(yīng)力峰值并進(jìn)入下降階段，導(dǎo)致整體抗拔承載力進(jìn)一步降低。

4.3 錨桿缺陷對(duì)第一界面破壞的影響

當(dāng)基礎(chǔ)整體發(fā)生第一界面破壞時(shí)，取錨筋直徑為32 mm，錨固體直徑為110 mm，巖層為中風(fēng)化層，錨桿與巖層間極限粘結(jié)強(qiáng)度τbu、錨筋與錨固體間的極限粘結(jié)強(qiáng)度τbu和巖石等代極限剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τs分別取為400 kPa、3 MPa和40 kPa。錨固長(zhǎng)度仍為3～6 m。

當(dāng)承臺(tái)下存在一根不合格錨桿時(shí)，最低抗拔承載力均發(fā)生在缺陷位于錨桿頂部情況下，數(shù)值為完好基礎(chǔ)的88%～92%，錨固長(zhǎng)度越短，承載力降低越多。

錨固長(zhǎng)度3 m，缺陷位于錨桿頂部時(shí)（圖6），缺陷范圍以下第一界面剪應(yīng)力發(fā)揮的范圍較為集中。原因是缺陷范圍錨筋變形相對(duì)更大，缺陷范圍以下第一界面剪應(yīng)力更快達(dá)到峰值，并迅速進(jìn)入下降段；缺陷位于錨桿底部（圖7），對(duì)錨桿第一界面剪應(yīng)力發(fā)揮影響不大，缺陷錨桿與完好錨桿第一界面剪應(yīng)力分布基本接近。

當(dāng)承臺(tái)下存在兩根不合格錨桿時(shí)，發(fā)生第一界面破壞時(shí)，基礎(chǔ)整體最低抗拔承載力數(shù)值為完好基礎(chǔ)的77%～86%，其規(guī)律均與單根錨桿類似。

5 結(jié)語

（1）本文基于粘結(jié)-滑移模型，對(duì)巖石錨桿基礎(chǔ)第一、第二界面破壞進(jìn)行了仿真分析，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，得到了含缺陷錨桿的承臺(tái)式基礎(chǔ)抗拔承載力的變化規(guī)律；

（2）在承臺(tái)的變形協(xié)調(diào)作用下，施工缺陷對(duì)承臺(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)抗拔承載力的影響隨著缺陷所在位置的不同而變化。對(duì)于第二界面破壞情況，錨固長(zhǎng)度較短時(shí)，缺陷位于錨桿底部影響較大，錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，缺陷位于錨桿中部影響較大，對(duì)于第一界面破壞情況，缺陷位于錨桿頂部影響較大，位于底部則基本無影響；

（3）不同錨固長(zhǎng)度下，發(fā)生第二界面粘結(jié)破壞時(shí)，帶單根和雙根缺陷錨桿的基礎(chǔ)整體抗拔承載力分別約為無缺陷基礎(chǔ)的88%～90%和81%～83%；發(fā)生第一界面粘結(jié)破壞時(shí)，帶單根和雙根缺陷錨桿的基礎(chǔ)整體抗拔承載力分別約為無缺陷基礎(chǔ)的88%～92%和77%～86%；

（4）外部環(huán)境以及施工工藝條件對(duì)錨桿基礎(chǔ)承載力影響較大。因此建議在施工中注意錨桿灌漿密實(shí)，同時(shí)在條件允許的情況下，增加錨桿的檢測(cè)數(shù)量，每個(gè)塔腿至少保證檢測(cè)1～2根錨桿，以確?；A(chǔ)安全可靠。

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