２０１１年６月 吉 林 电 力 Ｊｕｎ．２０１１ 第３９卷 第３期（总第２１４期） Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．３（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１４） 一种新型复合基础方案及其试验研究 Ａ Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｌａｎ ａｎｄ ｉｔｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ 刘洪义 （东北电力设计院，长春１３００２１） 摘要：针对东北地区部分输电线路杆塔基础地表由１．５～２．５ ｍ厚粘土层覆盖，以下为岩层，且岩体整体性好，风 化程度轻的地质情况，指出如采用掏挖基础、岩石锚杆基础等大开挖型式，易造成环境植被大面积破坏并加大基础 工程量。通过总结分析掏挖基础和岩石基础的优点，提出了一种适宜这种地质条件且经济环保的掏挖加岩石锚杆 复合环保型原状土基础，实际输电线路的应用验证了该种基础的可行性。 关键词：环境保护；掏挖基础；岩石锚杆基础；复合基础 Ａｂｓｔｒａｅｔ：Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｏｌｅ ｔｏｗｅｒ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｃｌａｙ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ １．５～２．５ ｎｌ，ｕｎｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｒｏｃｋｙ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｓｏｕｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｌａｒｇｅ ｓｌ２ａｌｅ ｄｉｇｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｄｉｇｇｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｏｃｋ ａｎｃｈｏｒ ｒｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｍａｙ ｄｅｓｔｒｏｙ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ．Ａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｋｅｅｐｓ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｄｉｇｇｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｌｕｓ ｒｏｃｋ ａｎｃｈｏｒ ｒｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｄｉｇｇｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｏｃｋ ａｎｃｈｏｒ ｒｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｙｐｅ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｄｉｇｇｉｎｇ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｒｏｃｋ ａｎｃｈｏｒ ｒｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＵ７５３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—５３０６（２０１１）０３—０００７—０４ 近几年来，国家电网公司对电力工程建设所涉 １ 掏挖型基础与岩石锚杆型基础的优缺点 及的环境保护问题非常重视，将环境保护工作提高 分析 到国家电网可持续发展的战略高度。ＤＬ／Ｔ ５２１９－－ ２００５６架空送电线路基础设计技术规定》中要求，基 １．１ 优点 础设计必须坚持保护环境和节约资源的原则，根据 线路地形、施工条件、岩土工程勘察资料，综合考虑 在以往输电线路设计中，出于经济和环境保护 基础型式和设计方案，使基础设计达到安全、经济合 的考虑，多采用原状土基础型式，即掏挖型基础或岩 石锚杆型基础。掏挖型基础直接掏挖基础坑，基础土 理的目的。 杆塔基础作为架空输电线路的重要组成部分， 石方量较小，对环境和植被破坏较小；能充分利用原 其造价、工期和劳动消耗量在整个线路工程中占很 状土特性，以提高其上拔承载力，且可减少基础的侧 大比重。在一般架空输电线路工程中，基础工期约占 向变形；浇制混凝土时不需支模，可缩短工期，降低 整个工程工期的５Ｏ ，基础运输量约占６Ｏ％，费用 施工费用。其计算通常采用剪切法。岩石锚杆型基 约占本体造价的１５％～３５ ，在特殊地质条件下基 础是一种直接建在岩体上的柱基，是在岩体上直接 础造价所占的比例还会更高。由此可见，为了减少输 钻凿成型岩孔，灌人细石混凝土等胶结材料，以普通 电线路工程杆塔基础施工对环境植被的破坏，缩短 钢材为锚杆体，使锚杆体与岩石紧密粘结形成的基 建设工期，降低工程造价，因地制宜地选用科学与合 础。这种基础计算虽然复杂，但计算脉络比较清晰。 理的基础型式和施工工艺是十分必要的。 由于该基础利用原状岩体的力学性能，具有良好的 抗拨生能，以及节约混凝土、钢材和现场施工工作量 小等优点，有着显著的经济效益。 收稿日期：２０１１一Ｏ３—２５ 作者简介：刘洪义（１９７６一），男，高级工程师，从事输电结构专业设计工作。 ・７。 ２０１１年６月 吉 林 电 力 Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｊｕｎ．２０１１ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．３（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１４） 第３９卷 第３期（总第２１４期） 掏挖型基础或岩石锚杆型基础作为一种基础型 式，一方面充分利用了原状土或岩石的高承载、低变 形的特点，承受杆塔较大竖向力和水平力；另一方 面，其开挖量小，减少了对环境的破坏，又降低了基 础混凝土和钢材量。 １．２缺点 掏挖型基础与岩石锚杆型基础也有其自身缺 点。掏挖型基础对地质条件要求较高，对于地下水位 较高、岩土破碎且基坑掏挖难以成型或不能掏挖的 塔位不宜采用掏挖型基础。由于掏挖型基础底部扩 挖有限，底板直径不宜过大，当基础作用力较大时， 其经济效益明显降低。 岩石锚杆型基础一般要求岩石裸露，或覆盖层 及风化层较浅，但这种地质条件很难正好出现在线 路的塔位上。如果岩层很深则不宜采用岩石锚杆型 基础，此时往往设计成大开挖型基础，土方量很大， 影响环境，又没有充分利用基底岩石的承载力。 调查表明，东北地区很多５００ ｋＶ线路路经的 地区地质条件主要为地表由１．５～２．５ ｍ厚粘土层 覆盖，以下为岩层。由于受多年厚土层覆盖，其岩体 整体性好，风化程度轻，尤其是山区。如果设计采用 大开挖型式，易造成环境植被大面积破坏和基础工 程耗材量的加大；而采用掏挖基础，对５００ ｋＶ线路 的荷载而言其粘土层厚度不够，无法全部人工掏挖； 如若采用岩石基础，需全部剥离表层粘土，造成开挖 量增大，不利于环境保护。 ２ 掏挖加岩石锚杆复合环保型基础 在总结分析掏挖型基础和岩石锚杆型基础的优 缺点的基础上，有针对性地提出上部为人工掏挖，下 部为岩石锚杆的掏挖加岩石锚杆复合环保型基础。 由于上部为人工掏挖，且土层一般在２ ｍ左右，完 全可以设计成斜柱掏挖基础（见图ｌｂ）。在人工掏挖 时，采取相应的措施即可保证人身安全。经调查，东 北地区地面土质一般都是粘性土，易掏挖成型，且不 易塌方。由于采用斜柱式掏挖，其斜柱与铁塔主材坡 度一致，可进一步改善基础上部受力状况，使基础的 稳定性得到显著提高。 从该基础的真型试验施工方案可知，该基础的 施工顺序是先掏挖主柱，然后钻孔，最后形成扩大头 的方案是可行的，而且此种基础施工工艺是施工方 可以接受的。 ２．１ 掏挖加岩石锚杆复合环保型基础特点 ・Ｒ‘ ａ．直卡ｔ掏挖或嵌 式幕础 ｂ．斜柱掏挖或嵌 式摹础 图１ 掏挖加岩石锚杆复合环保型基础 ２．１．１工程力学性能良好 充分利用原状土地基承载力高、变形小的特点。 杆塔基础总是埋置于不同土质条件和不同地质环境 中，基础周围土体与基础间相互作用，共同承载。基 础承载力特性不仅取决于基础，也取决于基础周围 土体。由于杆塔及基础长期承受拉压等交变外力作 用，且抗拔和抗倾覆稳定通常是设计控制条件。在开 挖回填类型基础中，如果回填土强度得不到保证，则 回填土与坑壁间不能形成固结作用，受拉力荷载作 用时不能形成抗拔倒锥体，且变形大，抗拔承载力降 低。因此，充分利用原状土地基承载力高、变形小的 良好工程力学性能，是确定基础型式的基本原则。掏 挖加岩石锚杆复合型基础就是充分利用原状土力学 性能，充分发挥这种基础型式优势。 ２．１．２满足环境保护要求 架空输电线路杆塔基础工程需合理设计塔位基 面，做到少开基面，或不开基面，以减少弃土并保护 边坡，进而保护环境植被。掏挖加岩石锚杆复合环保 型基础完全可以采用不等高设计，并与杆塔全方位 高低腿配合使用，基本做到不开基面或少开基面，从 而达到环保目的。设计经验证明，该基础上部掏挖柱 完全可以延伸到自然地面，甚至高出自然地面。 ２．１．３节约材料 与一般掏挖基础相比，直线塔一般可节约混凝 土２５ 左右，基础钢材可节约２Ｏ％左右。转角塔一 般可节约混凝土３０ ９，６左右，基础钢材可节约２３ 左 右。由于选择掏挖与锚杆相配合的复合型基础，还能 进一步减少基础埋深，减小土石方量，便于施工。 线路的塔位地形是千变万化的，野外最终堪测 结果不可避免地会有一些误差。当塔位选配岩石锚 杆掏挖复合型基础，而掏挖不能成型时，可改为台阶 式岩石锚杆复合型基础（见图２）。 ２．２掏挖加岩石锚杆复合环保型基础研究要点 ２０１１年６月 第３９卷 第３期（总第２１４期） 吉 林 电 力 Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｊｕｎ．２０１１ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．３（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１４） 地脚螺栓 梯 图２ 台阶式岩石锚杆复合型基础 ａ．作为新型基础，需要验证其受荷破坏机理和 破坏状态，以此验证该型基础应用的可行性、合理性 和可靠性。 ｂ．我国地域辽阔，现有线路设计规范无法针对 一特定地区提供准确设计参数，在应用中需针对不 同地质、不同杆塔型式开展相关试验研究，以总结出 适用于大部分地区的设计参数。 Ｃ．锚杆的成孔、清孔过程需机械或机械辅助完 成，掏挖基础一般由人工掏挖完成，而掏挖加岩石锚 杆复合环保型基础的施工工艺和作业流程与上述二 种型式基础有所区别，因此，复合型原状土基础如何 施工、保证质量是该基础应用需解决的难题：如掏挖 加锚杆复合型环保基础的施工工艺流程，采用何种 机械，因此，在设计应用的同时，需进行施工工艺方 面的研究，保证施工工艺的可操作性。 ｄ．输电线路工程中，普遍应用锚杆的单向抗拔 能力，一般大荷载往往结合上部承台以增大水平承 载力。合理布置基础的锚杆，使锚杆既发挥基础抗拔 能力，又充分发挥基础抗倾覆能力。 ３ 掏挖加岩石锚杆复合环保型基础计算理 论与真型试验 在复合基础的设计过程中，关键问题是如何合 理地分配杆塔结构对基础上拔荷载。首先假定充分 发挥掏挖基础的作用，将掏挖基础承受不了的“多余 荷载”乘以安全系数ｋ 后，由岩石锚杆基础基础 承担。 由于粘土层中的掏挖基础要发挥到极限承载状 态需要较大的位移量，而岩层中锚杆基础的发挥只 需要较小的位移量。根据位移协调理论，再假设上拔 承载力首先由岩石锚杆基础充分发挥承担，在达到 一定的位移量后再由掏挖基础承担，即２种假设迭 代确定ｋＡ、ｋ。后复合式基础的极限承载力丁 ： ＴＥ—ｋＤＴ１＋ｋＡＴ２ 式中：丁。为全掏挖基础的极限承载力；Ｔ。为岩石锚 杆基础或嵌固式基础的极限承载力；ｋｏ为掏挖基础 的发挥程度，ｋｏ＜１；ｋ 为岩石基础的发挥程度， ｋＡ＜１。 ３．１试验荷载的确定 根据所计算的转角塔的基础作用力设计值，考 虑ｙｒ—１．６的基础附加分项系数，最终预估试验破 坏荷载见表１。 表１预估试验破坏荷载 ｋＮ 基础上拔力丁 ４５０ Ｔ ４５０ 基础下压力Ⅳ Ｎ ６００ Ｎ ４８０ ３．２掏挖基础的理论计算Ⅲ 由文献［１］可知： Ｔ—Ａ】ｃＨ ＋Ａ２７Ｈ。＋Ｑｆ 式中： 和Ａ 为与内摩擦角 和基础埋深日与底 板宽度Ｄ的比值（日／Ｄ）相关的无因次计算常数，都 为理论值；Ｃ为凝聚力； 为内摩阻角，Ｑｆ为基础 自重。 ３．３岩石基础的理论计算 结合ＤＬ／Ｔ ５２１９－－２００５＜＜架空送电线路基础设 计技术规定》与其他相关资料，输电线路工程中岩石 锚杆的主要破坏形式如下。 ３．３．１杆体自身被拉断 当锚杆锚固于硬质岩体时，锚固段灌浆体和岩 体间的粘结强度以及钢筋和灌浆体之间的粘结强度 足够大，且锚固段长度足够，锚杆的破坏主要由钢筋 自身的屈服强度来决定。根据钢筋的屈服强度确定 钢筋的抗拉强度标准值，当锚杆所受拉力丁 ≥ Ａ 超过钢筋的屈服强度时锚杆就会被拉断。式 中：厂ｖ 为钢筋的抗拉强度标准值；Ａ 为单根钢筋的 净截面积。 ３．３．２钢筋和灌浆体的结合面粘结破坏 ・９・ ２０１１年６月 吉 林 电 力 Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ 第３９卷 第３期（总第２１４期） Ｊｕｎ．２０１１ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．３（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２１４） 当锚杆锚固于硬质岩体时，灌浆体和岩体的粘 结强度可能比钢筋和灌浆体的粘结强度还要高，当 钢筋和灌浆体的粘结强度不足以抵抗拉拔荷载，即 ≥７ｃ 。ｒａ时，钢筋和灌浆体的结合面就会发生粘 结破坏，导致钢筋杆体被拔出。式中：ｄ为钢筋直径； ｚ。为钢筋的有效锚固长度，当Ｚ。＜Ｚ。 时取ｚ。，ｚ。＞ ／ｏｍｉ￣时取ｌ。 ｉ ，／Ｏｍｉｎ根据ＧＢ ５００１０－－２００２（混凝土结构 设计规范》取值；ｒ 为钢筋与灌浆体间的粘结强度， Ｃ２０级砂浆或细石混凝土取１ ８００ ｋＰａ，Ｃ３０级砂浆 或细石混凝土取２ ５００ ｋＰａ。 ３．３．３灌浆体和岩体的结合面粘结破坏 当锚杆锚固段处于软岩中时，灌浆体和岩体之 间的粘结强度可能比钢筋与灌浆体间的粘结强度要 低的多，这使得灌浆体和岩体的粘结强度充分发挥， 导致破坏首先发生在灌浆体和岩体的结合面上，即 ７１。≥，ｃＤ＾。 时，整个锚固体被拔出。式中：Ｄ为锚孔 直径；ｈ。为锚孔的有效锚固深度；『ｈ为灌浆体与岩 体间的粘结强度，根据ＧＢ ５００８６－－２００１《锚杆喷射 混凝土支护技术规范》与ＤＬ／Ｔ ５２１９—２００５《架空 送电线路基础设计技术规定》综合取值。 ３．３．４岩体自身破坏 ３．３．４．１单锚引起的岩土体破坏 锚固段底端有锚定板时锚杆内部岩土体的剪切 或受压破坏：在锚杆底端有锚定板且锚固段长度较 短情况下，杆体受荷相对较大时，该处灌浆体与岩土 体界面间的剪应力较大，荷载增大到一定程度，即 ７’ ≥ 。ｒ （Ｄ＋ｈ。）（ｒ 为岩石等代极限剪切强度，见 表２）时，就有可能导致内部岩土体产生受剪切破 坏，甚至会出现近似于锥形破坏面的拔出岩体破坏， 造成锚杆整体失效，当锚杆锚固段长度足够一般不 会出现此种破坏。 表２岩石等代极限剪切强度 ３．３．４．２群锚效应引起的岩土体的破坏 当锚杆布置较密时，岩土体受力区的重叠必然 会引起应力叠加和锚杆位移的叠加，当７’ ≥兀＾。 ・１Ｏ・ （ｎ＋ｈ。）＋Ｑｆ时，就可能造成岩土体的破坏。式中：ａ 为群锚基础的外切直径，当群锚为正方形布置时，ａ 为 ２ ｂ与Ｄ之和；当群锚为圆形布置时，ｎ为圆形 群锚直径与Ｄ之和。 上述几种破坏形式中，７Ｔ 可通过提高锚杆杆体 钢筋的性质与钢筋直径来提高；在满足有效锚固长 度的前提下，丁 可通过提高锚杆杆体钢筋的性质与 灌浆体的强度来得到改善；７’。主要由钻孔孔壁周围 的抗剪强度决定，上述研究资料表明，孔壁周围的抗 剪强度因岩体自身地质条件不同、锚杆埋置深度与 钻孔直径、水泥砂浆的灌浆施工工艺不同等诸多因 素的不同而存在很大的差异；Ｔ 、Ｔ 主要与岩体自 身力学性质有较大的关系。 岩石锚杆基础是由３种材料（钢筋、浆体、岩体） ２个界面（钢筋一浆体界面、浆体一岩石界面）组成的系 统，针对每种可能出现的破坏模式进行安全性评价， 最后对岩石锚杆基础的整体稳定性做出评价；上述 的破坏模式需满足“木桶理论”，即以最小承载力作 为锚杆基础的极限抗拔承载力。 通过对岩石锚杆基础各种破坏模式的安全性评 价，可以全面地了解基础的整体稳定性，也可以通过 对安全指标的逐项控制，达到既安全可靠，又经济实 用的目的。 ４结论 通过对掏挖加岩石锚杆复合环保型基础技术方 案和特点，如斜掏挖型式、掏挖锚杆的施工工艺以及 采用这种基础型式的力学性能、计算理论及真型试 验要点的计算、分析，证明了掏挖加岩石锚杆复合环 保型基础适合东北地区及相似地质条件。提出掏挖 加岩石锚杆复合型基础的扩展方案及在地质条件变 化较大情况下的补充方案，如台阶加岩石锚杆复合 基础等，为其在工程上实际应用创造了条件。 参考文献 ［１］鲁先龙，程永锋，张宇．输电线路原状土基础抗拔极 限承载力计算口］．电力建设，２００６，２７（１Ｏ）：２８—３２． （编辑 刘文千）