能源・电力 ＬｏＷ ＣＡＲＢｏＮ ＷｏＲＬＤ ２０１５，２ 解析输电线路工程的岩石基础设计 南永良（商洛创元电力设计有限责任公司，陕西省商洛市７２６０００） 【摘要】与现浇混凝土基础相比，岩石基础具有成本低、施工方便、周期短等｛尤势，因此岩石基础在输电线路工程建设中的应用范围逐渐扩 大。《架空送电线路基础设计技术规定》中只对较小露头的岩石基础提出了设计要求，而没有对高露头岩石基础提出相应的设计要求。笔者利用 ＡＮＳＹＳ平台建立参数化数值模型，得出不同柱长基础在同等地质条件下考虑岩石抗力时的结果，论述了露头与岩石抗力之间的关系，最终得 出准确的基础受力分析数据，为实际工程设计提供依据。 【关键词】输电线路工程；岩石基础；受力分析ｉ基础设计 【中图分类号】ＴＵ７６５ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１５）０４—００５４—０２ ｌ ｉ三ｉ 随着社会经济的快速发展，生产生活用电需求量逐渐提 升，输电线路建设规模日益扩大。我国疆域辽阔且山地较多， 越来越多的输电线路需要建设在山地或从山岭上越过这就给 输电线路建设增加了难度 基础工程设计是输电线路结构设 计的重要组成．基础指标是衡量输电线路工程质量的重要参 数，采用岩石基础设计不仅能够节约施工材料，节约成本，还 能够减少对周围环境及基础设施的破坏，所以必须要加强岩 石基础设计研究并推广该技术的应用。 １岩石基础设计分析 目前．输电线路自立式铁塔所使用的岩石基础类型主要 有三种：直锚式基础、承台式基础及嵌固式基础。直锚式基础 是直接将铁塔地脚螺栓锚入覆盖层较浅或裸露的硬质微风化 岩石内。直锚式基础对岩石性能有着较高要求，一般只适用于 少数塔位．而承台式基础及嵌固式基础的应用范围最广。 １．１承台式基础 承台式基础由承台及锚桩组成．刚性台阶设计可以直接 参照普通混凝土构件的相关规范。承台式基础锚桩一般使用 群锚桩。与单锚桩设计存在的明显差异是，群锚桩设计对于锚 桩间距有着严格要求。参考《架空送电线路基础设计技术规 定》第１０．２．４条规定可知，在微风化岩石中，如果桩间距ｂ超 过四倍的桩径Ｄ时；在中等风化至强风化岩石中当．桩间距ｂ 超过６ ８倍的桩径Ｄ时或桩间距ｂ超过１／３的锚桩有效锚固 深度ｈ。时，群锚桩应有的作用将发挥不了，直接等同于与锚 桩布置外切直径相同的单锚桩基础。如果完全不考虑锚筋抗 拉承载力、锚筋与砂浆之间的粘结承栽力等条件，那么承台式 基础设计效果直接等同于单锚桩基础设计，所以下文中将详 细分析单锚桩基础设计。 １．２嵌固式基础 嵌固式基础是由单根锚桩及其连接部分组成．在设计单 根锚桩时．一般不需要考虑基础顶承载力，只需要考虑岩石抗 拔（抗剪）承载力、锚桩与岩石之间的粘结承栽力。在岩石性能 较好的部位．即便有较小的基础主柱露头，但因岩石侧向抗压 强度较高．所以水平抗力也较大。相反，在岩石性能相对较差 的部住，极易形成基坑，所以露头值一般较小，在这些地区采 用嵌固式基础．即便是基础较大的断面尺寸都能提供不少水 平抗力，所以对于露头较小的嵌固式基础，可以直接忽略基顶 水平力。一般情况下，岩石地基的承栽力较大且远远大于下压 力，所以除了要考虑基础的自身受力情况及构造外，还需要考 虑岩石抗拔设计、锚桩与岩石之间的粘结承载力。 单根锚桩与岩石之间粘结承载力，可以参考计算公式： ｆＴＥ￣＜＂ｒｒＤｈｆｆｒｂ 式中： 表示基础附加分项系数；１ｒＥ代表上拔力设计值；Ｄ 表示锚桩直径；ｈ０表示锚桩的有效锚固深度；Ｔｂ表示混凝土与 岩石间的粘结强度 在计算混凝土与岩石间的粘结强度时，需要考虑以下几 点：混凝土标号、孔壁的清洁度、岩石的坚固性及风化程度、施 工捣实情况。 计算岩石抗拔（抗剪）承载力，需要参考以下公式： ｆ１ ≤１Ｔｈ （Ｄ＋ｈ０）＋Ｑｆ 式中：Ｔ 代表岩石等代极限剪切强度；Ｑｆ代表基础自重。 ２高露头岩石基础设计 在输电线路工程中．受铁塔接腿及土层覆盖厚度等因素 的影响．基础主柱露头值一般偏大．这就会加大基顶水平力在 锚桩与岩石之间的作用效果．因此需要考虑基顶水平力。对于 单根锚桩．一般通过斜柱式露头来传递水平力或通过侧向岩 土压力的验算结果来进行设计，分剐见图ｌ（ａ）及图ｌ（ｂ）。前 者较为简单。由于水平力产生的弯矩与上拔基础作用力之间 能够抵消一部分，所以到达锚桩顶部的弯矩较小，不会对设计 结果带来较大影响。在这种情况下，锚桩等同于嵌固基础，所 以在设计该岩石基础时。不需要考虑基顶水平力。对于图１（ｂ） 中的高露头岩石基础，在计算岩土抗力时，必须要结合刚性基 柱原状土基础。在进行设计过程中，必须要根据实际的地质条 件来确定原状岩土抗力．这样才能够有效使得岩土抗力与水 平力产生的弯矩之间形成平衡．这种岩石基础设计方法具有 普遍适应性．因此应用范围较广。但是，这种设计方法需要明 确桩侧地基水平抗力系数的比例系数ｍ值．这就需要通过实 验来确定．此外可以根据工程经验来选取岩石地基的参考值。 ３单锚桩基础受力分析 本次单锚桩基础受力计算分析在ＡＮＳＹＳ平台上进行，所 使用的材料模型为线弹性模型及ＤＰ模型。线弹性模型主要 用于模拟混凝土．而ＤＰ模型则模拟基础周围及下方岩体，其 屈服准则为Ｆ＝、／Ｊ１＋０Ｉ 一Ｋ＝Ｏ，Ｉ，表示第一应力张量的不变 量，Ｉ１＝盯１ｌ＋仃２２＋ ２２；Ｊ ２代表第二偏应力的不变量，Ｊ ２＝去一 【（盯１ｒ 一盯２）＋（Ｏ２ ＇２－－Ｏ＂３）＋（２ ３—１３＂）２ ｊ。１ １ＬｏＷ ｃＡＲＢｏＮ ＷｏＲＬＤ ２ｏｌ５，２ 能源・电力ｉ 表ｌ上拔基础不同露头的位移及应力计算结果表 基础露头（ｈａ） 地面处水平位移（ｍｍ） Ｏ－３ ０．２０５ ０．８ ０．１８Ｏ １＿３ ０．１５８ １．８ Ｏ．１３６ ２－３ ０．１ｌ７ 最大剪切应力（ｋＰａ） １５Ｏ．７９２ １４８．６９６ １４６．１１２ １４３．８８３ １４１．５９９ 的位移呈反比关系．这是因为岩石基础自重直接与侧向力形 成的压力相抵消的结果。在相同基础作用力下，露头大的基础 自重较大，剪切应力也相对较小。规范中对于基础下压设计比 较简略，认为基础侧向力及地基承载力不会造成影响，但是本 次计算发现，当露头较大时，侧向力效应与下压力会对周围岩 （ａ） （ｂ） 图１高露头锚桩设计示意图 本模型在设计过程中考虑了静水压力对屈服极限的作 用．所以较为符合岩土材料的特征，对应的材料参数Ａ与岩土 的内聚力ｃ有关，Ｋ与摩擦角 相关。在本次模型计算分析 中，单层岩体参数ｃ设为０．５ＭＰａ，０＝３ｏ。。 ： ｉｎ尘 Ｋ：— ０ｓ 一 、／３（３＋ｓｉｎ＋） 、／３（３＋ｓｉｎ＋） 在模型计算过程中，以某输电线路工程为例，基础作用力 上拔力Ｔ＝１０２０ｋＮ，水平力Ｈ】（＝Ｈ ＝２０４ｋＮ，基础主柱直径为 ｌｍ，基础埋深为２．８ｍ．底部扩头高０．４ｍ，直径为１．６ｍ；露头从 Ｏｒ３～２．３ｍ分别进行计算。根据莫尔强度理论，材料内某点的破 坏性直接决定其大主应力与小主应力（即盯 与１３＂３），与中间主 应力没有关系。剪切面或滑动面上的正应力盯与剪应力Ｔ可 以表示为： 盯： ＋ ｃｏｓ２ Ｔ：丁－０１－０＂３ ｓｉｎ２ｅｔ 二 二 二 式中 代表大主应力方向与破坏面法线之间的夹角： ＝ ４５。＋ ／２； 则为岩石的摩擦角。在ＡＮ—ＳＹＳ软件中，可以通过 应力强度指标来直接表示基础及周围岩体相互作用（见图２）。 图２岩石基础与周围岩体作用应力强度云图 基础周边岩体较为清楚地反映出剪切面范围，较浅的部 位较为接近．角度随着深度加深而变得更小，这就表明随着深 度的加深锚杆的轴力会减小。但是．随着露头的增加．尤其在 上拔作用力及水平作用力的作用下．地面处水平位移及最大 剪切应力会发生变化，如表１所示。 由表１可知，在上拔基础中，露头高度与基础侧向力造成 体造成较大影响．所以需要详细计算高露头基础。 ４分析结果 通过上述模型计算分析可知：①岩石基础深度较大时，受 力模式会发生改变．在岩石基础设计时不得一味加深埋深或 增大抗拔力。②岩石基础露头较大时，侧向岩石位移较小，所 以要注意高露头对岩体的影响。（ 岩石基础露头较大时，虽然 侧向岩石提供较好的约束，但仍然对基底岩体受力有很大影 响，因此下压基础尤其重要。 ５结束语 综上所述．目前对于输电线路工程中的岩石基础设计相 关规范还不够详细．相关研究人员要能够在工作过程中加强 研究，进一步规范岩石基础设计．为输电线路工程建设施工提 供参考依据，进一步推广岩石基础工程的应用范围，最终促进 输电线路５－程建设的发展。 参考文献 ［１］唐其练，罗斌．新型岩石嵌固基础在５００ｋＶ线路中的设计与应用 ［Ｊ］．江西电力，２０００（３）：１３２－１３４． ［２］杨海巍，等．输电线路塔基岩锚基础的试验与应用研究现状［Ｊ］．路基 工程，２００９（４）：９４￣９６． ［３１郑卫锋，鲁先龙，程永锋，冯自霞．输电线路岩石锚杆基础工程临界 锚固长度的研究ｆＪ１．电力建设，２００９（９）：７８～７９． ［４］冯自霞，丁士君，梅文明，贺雷．输电铁塔岩石锚杆基础承栽性能及 影响因素试验研究ｆＪ］．建筑科学，２０１３（３）：６６～６ ８＿ 收稿日期：２０１４—１２—２０ 作者简介：南永良（１９７０一），男，工程师，大专，主要从事电力线 路设计工作。
