山區(qū)輸電線路嵌巖樁水平位移計(jì)算及其影響因素

謝 楓，鄭治祥，王錦濤

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

巖石地基作為山區(qū)工程建設(shè)面臨的主要地質(zhì)條件，通常呈無覆蓋土層和有覆蓋土層(上覆土層、下臥基巖)2種地層分布形態(tài)。隨著電網(wǎng)工程建設(shè)快速發(fā)展，越來越多輸電線路途徑山區(qū)，嵌巖樁已經(jīng)成為山區(qū)輸電線路最常用基礎(chǔ)型式[1-4]。在風(fēng)、冰荷載等作用下，山區(qū)輸電線路嵌巖樁基礎(chǔ)需同時(shí)承受下壓力、上拔力和水平力組合作用，且水平力一般為下壓力的1/8～1/7。為適應(yīng)山區(qū)斜坡地形需要，山區(qū)輸電線路嵌巖樁基礎(chǔ)露出地面高度一般較大，由于巖石地基嵌巖樁基礎(chǔ)豎向下壓、上拔承載性能較好，而水平位移大小往往成為山區(qū)輸電線路嵌巖樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制條件。

本文根據(jù)不同行業(yè)嵌巖樁水平承載性能研究成果，基于山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)工程特點(diǎn)，首先提出輸電線路嵌巖單樁水平承載性能設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足樁身嵌入基巖深度要求，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了山區(qū)輸電線路工程無覆蓋土層和有覆蓋土層2種情況下的嵌巖樁水平位移計(jì)算模型和方法，分析了輸電線路嵌巖樁水平位移的影響因素。

1 輸電線路嵌巖樁的最小嵌巖深度

根據(jù)我國港口、公路、鐵路等行業(yè)[5-7]的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到巖石地基塔位嵌巖樁基礎(chǔ)多處于山區(qū)斜坡地形，嵌巖樁基礎(chǔ)樁徑一般較大，埋深相對有限，塔位處巖體坡度以及樁側(cè)巖層構(gòu)造、巖體風(fēng)化程度及其節(jié)理裂隙發(fā)育情況都將對基礎(chǔ)抗水平承載性能產(chǎn)生影響，提出輸電線路最小嵌巖深度計(jì)算應(yīng)滿足式(1)要求。

式中：H為嵌巖單樁基巖頂面處樁身截面水平力，kN；M為嵌巖單樁基巖頂面處樁身截面彎矩，kN·m；d為樁身直徑，m；φr為巖體抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.5～1.0；φβ為嵌巖段樁身周圍巖體坡度修正系數(shù)，當(dāng)坡度β≤10°時(shí)，取1.0；當(dāng)坡度10°＜β≤45°時(shí)，取0.67；當(dāng)坡度β＞45°時(shí)，取0.33；fucs為巖石天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度，kPa。

考慮到山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)工程特點(diǎn)，式(1)首先引入了嵌巖段樁側(cè)巖體豎向抗壓強(qiáng)換算為水平抗壓強(qiáng)度的折減系數(shù)φr以及嵌巖段巖體坡度修正系數(shù)φβ，以反映上述因素對基礎(chǔ)水平承載性能的不利影響。其次，巖石地基嵌巖單樁在水平力作用下的承載性能與樁身混凝土強(qiáng)度和基巖強(qiáng)度有關(guān)，樁身混凝土強(qiáng)度小于巖石強(qiáng)度時(shí)，其承載性能取決于樁身混凝土強(qiáng)度。受地形地貌和道路運(yùn)輸條件限制，先進(jìn)的機(jī)械化施工技術(shù)與裝備一般難以在山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)工程建設(shè)中得到應(yīng)用，基礎(chǔ)施工主要還是以人力為主，基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)以C25為主，現(xiàn)場基礎(chǔ)施工質(zhì)量差異性較大。因此，按式(1)進(jìn)行最小嵌巖深度計(jì)算時(shí)，若φrφβfucs大于樁身混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck時(shí)，以樁身混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck代換公式中的φrφβfucs進(jìn)行計(jì)算。

2 嵌巖單樁水平位移計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

對于無覆蓋土層或覆蓋土層厚度較薄的巖石地基，巖石地基抗壓強(qiáng)度較高，具有較好的水平抗力性能。按現(xiàn)有桿塔基礎(chǔ)水平力計(jì)算出來的附加與巖石地基的側(cè)向壓力一般均要小于巖石的抗壓強(qiáng)度。因此控制山區(qū)輸電線路基礎(chǔ)水平承載性能的主要是基頂?shù)乃轿灰啤?/p>

Carter和Kulhawy等[8]對巖石地基中嵌巖樁水平承載性能的研究主要是基于巖土體介質(zhì)的小孔擴(kuò)張理論給出了嵌巖樁水平位移彈性解析結(jié)果，其計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 嵌巖樁水平承載力計(jì)算模型[9-10]

對于存在較厚覆蓋土層的嵌巖樁基礎(chǔ)，我國港口、公路、鐵路等行業(yè)[6-8]嵌巖樁設(shè)計(jì)均假設(shè)水平力和彎矩由錨固段樁周側(cè)壁巖體承擔(dān)，并要求嵌巖段樁身嵌入基巖的深度大于計(jì)算最小嵌巖深度，將嵌巖樁的嵌巖端作固接考慮，從而計(jì)算嵌巖樁基礎(chǔ)立柱水平位移進(jìn)行計(jì)算。

2.2 水平位移計(jì)算方法

1)無覆蓋土層條件下的嵌巖單樁水平位移

如圖1(a)所示，根據(jù)嵌巖段樁的深徑比、樁徑、樁周巖體性質(zhì)、樁身混凝土強(qiáng)度及其配筋情況，無覆蓋土層的嵌巖單樁水平承載性能狀態(tài)可分為式(2)式(3)所示的情形[9-10]：

式中：(EI)p為嵌巖段樁身計(jì)算抗彎剛度，GN·m2。

根據(jù)如圖1(a)所示的無覆蓋土層嵌巖樁水平承載力計(jì)算模型，對柔性和剛性承載性能狀態(tài)的嵌巖樁基礎(chǔ)樁頂水平位移和轉(zhuǎn)角分別按照式(5)和式(6)進(jìn)行計(jì)算：

式中：H為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂水平力值，kN；M為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂截面彎矩值，kN·m。

2)有覆蓋土層嵌巖單樁水平位移

如圖1(b)所示，有覆蓋土層的嵌巖單樁在水平力和彎矩共同作用下，在土巖界面處等效為覆蓋土層中底端固定的懸臂梁和基巖中嵌巖樁兩部分。此時(shí)，有覆蓋土層嵌巖單樁的樁頂水平位移由三部分共同組成：樁頂水平力和彎矩共同作用下，覆蓋土層中樁頂水平位移，土巖界面處樁身截面水平力和彎矩共同作用下基巖中嵌巖樁在土巖界面處水平位移，以及土巖界面處樁身截面轉(zhuǎn)角所引起覆蓋土層中樁頂水平位移。

式中：H0為樁頂水平力，kN；M0為樁頂彎矩，kN·m；H為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂水平力，kN；M為嵌巖單樁基巖頂面處樁頂截面彎矩，kN·m；uAO為樁頂位移，m；hs為覆蓋土層厚度，m；d為樁身直徑，m；cu為覆蓋土層樁側(cè)土體不排水剪切試驗(yàn)的黏聚強(qiáng)度，kPa；γs為覆蓋土層土體容重，kN/m3；Kp為覆蓋土層樁側(cè)土體的側(cè)向土壓力系數(shù)。

土巖界面處樁身截面水平力和彎矩共同作用下，基巖中嵌巖樁土巖界面處水平位移以及嵌巖部分樁身截面轉(zhuǎn)角，可按無覆蓋土層嵌巖單樁水平位移計(jì)算方法的式(1)～(4)進(jìn)行確定。

3 嵌巖樁水平承載性能影響因素分析

3.1 嵌巖單樁水平承載性能算例

依據(jù)某特高壓工程實(shí)際荷載條件，基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值見表1所列。

表1 基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值

假設(shè)塔位地形位平地條件，地層分布及巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)見表2所列。

表2 塔位巖土體參數(shù)

續(xù)表

嵌巖樁基礎(chǔ)樁身設(shè)計(jì)尺寸、基礎(chǔ)混凝土、基礎(chǔ)鋼筋及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3所列。

表3 樁身混凝土及配筋參數(shù)

根據(jù)表1～表3所列的設(shè)計(jì)參數(shù)，并取水平承載性能計(jì)算中巖體節(jié)理裂隙計(jì)算參數(shù)φr=0.5，巖坡修正系數(shù)φβ=0.67。由此計(jì)算得到：最小嵌巖深度為2.48 m，實(shí)際嵌巖深度9.5 m，滿足樁身嵌巖深度要求。

按式(3)計(jì)算得樁體等效彈性模量Ee=26.7 GPa，樁側(cè)巖石等效剪切模量G*=5.105 GPa，按式(2)計(jì)算結(jié)果確定嵌巖單樁為柔性承載狀態(tài)。由此分別可計(jì)算得到下壓荷載工況和上拔荷載工況下樁頂水平位移分別為2.12 mm和1.8 mm，工程設(shè)計(jì)中規(guī)定輸電線路基礎(chǔ)水平位移限值為10 mm，因此算例基礎(chǔ)可滿足水平承載性能要求。

3.2 嵌巖單樁水平承載性能影響因素分析

為分析嵌巖單樁水平承載性能影響因素，可假設(shè)3.1節(jié)算例荷載條件、地層巖土體性質(zhì)條件基本不變，從而改變覆蓋層厚度、基礎(chǔ)露頭高度和樁徑中某因素取值，得到相應(yīng)影響因素對基礎(chǔ)水平位移影響規(guī)律，結(jié)果分別如圖2所示。

圖2 不同因素對最小嵌巖深度和水平位移影響規(guī)律

從圖2結(jié)果可以看出，當(dāng)基礎(chǔ)荷載條件、地層巖土體工程性質(zhì)條件給定時(shí)，嵌巖樁計(jì)算最小嵌巖深度和樁頂水平位移均隨覆蓋層厚度和基礎(chǔ)露頭高度增加而增大。但是，樁徑對基礎(chǔ)柱頂水平位移影響較為為敏感，嵌巖樁計(jì)算最小嵌巖深度和樁頂水平位移均隨樁徑增大而迅速減小。此外，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)嵌巖樁埋深大于計(jì)算所需最小嵌巖深度后，增加嵌巖埋深，對基礎(chǔ)頂部水平位移影響較小，甚至幾乎無影響。

4 結(jié)語

本文提出的嵌巖樁基礎(chǔ)水平位移算模型與方法，一方面可滿足嵌巖樁基礎(chǔ)最小嵌巖深度要求，同時(shí)也可根據(jù)塔位地層分布特征、地基巖土體性質(zhì)、樁基混凝土及其配筋情況，進(jìn)行嵌巖樁基礎(chǔ)立柱水平位移進(jìn)行計(jì)算與驗(yàn)算，可較好地滿足輸電線路基礎(chǔ)承載性能要求。

基于本文提出的輸電線路嵌巖樁基礎(chǔ)水平位移計(jì)算方法，分析了輸電線路嵌巖樁水平位移影響因素。結(jié)果表明，樁徑對嵌巖樁水平位移影響最為敏感。當(dāng)嵌巖樁埋深大于最小嵌巖深度后，繼續(xù)增加嵌巖樁埋深對基礎(chǔ)頂部水平位移的影響較小。