一种用于输电线路变截面锚杆基础的水平承载力计算方法

技术领域

本发明属于输电线路基础设计技术领域，具体涉及一种用于输电线路变截面锚杆基础的水平承载力计算方法。

背景技术

输电线路锚杆基础是将锚筋置于机械成型的地基锚孔内，在锚孔内灌注锚固材料后与承台连接而形成的一种以岩（土）体做为抗拔锚固持力层的基础形式。该基础形式施工设备体积相对较小，机械化程度高，劳动强度小，施工安全风险低，可有效减少岩石爆破开挖施工对岩（土）体和植被的破坏，土石方开挖量、基础混凝土量以及施工余土（渣）量少，是一种资源节约、环境友好的环保型架空输电线路基础形式，近年来在架空输电线路基础选型中备受青睐，其在实际工程中得到大面积推广应用。

结合架空输电线路的工程应用实践，大规模远距离电力输送通道将不可避免地穿越崇山峻岭或陡峭山区，沿线地形坡度大，塔位局部地形差，地质条件复杂且覆盖层厚薄不一，同时，架空电力杆塔基础需同时承担上部结构传递的上拔、下压及水平等复合多向荷载作用。锚杆基础作为一种以下部岩（土）体为抗拔锚固持力层的基础形式，其但其所承受的下压与水平共同荷载的承载力计算方法一直是所述基础形式的难点之一。

结合现有的架空输电线路锚杆基础研究结论及设计实践，工程技术人员暂无法对锚杆基础下压、水平承载力进行合理地定量计算及评价，仅能通过承台嵌岩来保证锚杆基础的下压及水平承载力，且其水平承载力主要依赖于承台嵌岩深度及承台侧面岩体水平方向的厚度及完整性，电力行业标准《架空输电线路锚杆基础设计规程》（DL/T5544-2018）要求锚杆基础承台至少嵌入岩石层0.5m。这显然极大限制了锚杆基础在架空输电线路中的应用，尤其是对于山区斜坡地形条件下，当覆盖层较厚时，为保证承台底部嵌入岩体，承台深度及挖方量大幅增加，塔腿内侧易形成高陡挖方边坡，这可能会加剧施工风险、引起后期的边坡垮塌或局部滑坡等次生灾害，进而部分弱化该基础型式的技术和环保优势，一定程度上限制了其在山区架空输电线路的应用场景。

为了从根本上解决山区锚杆基础的上述技术瓶颈问题，本发明专利提出对于覆盖层较厚（厚度约3.0m~5.0m）的塔位，可取消承台必须嵌岩的要求，但上部覆盖土层中的锚杆段采用增大截面，下部岩层中的锚杆段维持原等直径横截面，形成变截面式锚杆基础方案。该新型变截面式锚杆基础同样主要依靠下部岩层中的抗拔锚固体抵抗上部的上拔荷载，同时相关研究成果表明承台底部的变截面段能够有效地抵抗下压荷载和水平荷载。因此，该新型变截面锚杆基础能够针对性地优化承台嵌岩深度的要求，减少承台埋深和开挖工程量，降低控制施工风险，减少水土流失，极大地扩展锚杆基础在山区输电线路中的应用范围和实施场景，但如何计算所述变截面锚杆基础水平承载力仍是行业内面临的难点。

发明内容

本发明目的提供一种适用于输电线路变截面式锚杆基础的水平承载力计算方法，以便定量评价变截面式锚杆基础的水平承载力。

实现以上目的，本发明技术方案为：

一种用于输电线路变截面锚杆基础的水平承载力计算方法，包括以下步骤：

S1：基于锚杆水平抗力分布深度、地基土极限水平抗力、水平承载力形状影响系数确定水平力影响深度范围内锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数

S2：基于地基承载力特征值、承台效应系数、承台底摩擦系数、承台底面积及锚杆截面积得到承台底面地基土对承台的摩擦力

S3：基于承台宽度及底面埋深、承台侧面地基土水平抗力系数的比例系数、承台允许水平位移得到变截面群锚基础承台侧面土体水平极限承载力

S4：根据单根变截面锚杆极限水平承载力实际值

S5：比较锚杆基础应当能够承受的最小水平外荷载

当

进一步的是，所述水平力影响深度范围内锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数

（1）

其中

进一步的是，所述单根变截面锚杆极限水平承载力实际值

（2）

其中

进一步的是，所述承台底面地基土对承台的摩擦力

（3）

其中

进一步的是，所述变截面群锚基础承台侧面土体水平极限承载力

（4）

其中

进一步的是，所述变截面群锚基础水平承载力实际值

（5）

其中n为锚杆根数。

本发明的有益效果是：

本发明能够将架空输电线路变截面群锚基础的水平承载形状进行分析评价和水平承载力加以准确量化确定。鉴于变截面群锚基础的水平承载力与承台宽度及承台埋深相关，在变截面群锚基础水平承载力满足最小承载力要求的情况下，通过本发明计算方法多次迭代计算可确定优化最适宜的承台宽度及承台埋深，进而减少群锚基础的承台基坑开挖深度，有利于减少基础材料量和土石方工程量，减少水土流失，缩短施工工期及降低工程造价。

附图说明

图1是本发明计算方法流程图。

图2是本发明变截面群锚基础结构示意图。

图3是本发明变截面群锚基础结构俯视图。

图4是本发明水平力影响深度范围内的地基土水平抗力假设理论分布示意图。

其中：锚杆1；上段锚杆11；下段锚杆12；岩石面2；承台3；立柱4；土地地面5。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明中，如图2所示，变截面式锚杆是指锚杆1分为上段锚杆11及下段锚杆12，上段锚杆11的直径大于下段锚杆12的直径，即上段锚杆11的截面积大于下段锚杆12的截面积，上段锚杆11的上部及中部位于土层或全风化岩层中，上段锚杆的下部穿过岩石面2，上段锚杆11的下部位于中风化或未风化岩体中，下段锚杆12布设在中风化或未风化岩体中；承台3位于锚杆1顶端，承台3用于承接立柱4，立柱4的底端设置在承台3的表面，立柱4的顶端穿过土地地面5，立柱4的顶端用于承接输电线。

如图2及图3所示，地基土中的变截面群锚基础可考虑三部分的水平承载力，分别为变截面锚杆侧面地基土水平抗力、承台底面地基土对承台的摩擦力、承台侧面地基土水平抗力。

变截面锚杆侧面地基土水平抗力采用极限地基反力法，锚杆侧面地基土水平力影响范围即水平抗力分布深度

（1）

其中

其中

为水平力作用点距地面的垂直距离。

通过对水平抗力分布深度范围内地基土抗力进行积分即可得到单根变截面锚杆极限水平承载力实际值

（2）

其中

其中承台侧面地基土水平抗力及底面地基土对承台的摩擦力均主要受承台尺寸及埋深的影响。

而针对承台底面地基土对承台的摩擦力

（3）

其中

式中

最后，针对承台侧面地基土水平抗力

（4）

其中

本发明变截面群锚基础水平承载力实际值计算流程如图1所示，结合上述各分项计算结果，汇总即可得到变截面群锚基础水平承载力实际值

（5）

现以某特高压输电线路工程为例，典型的中风化岩石地质条件下覆盖层厚度即地面到岩石地面距离为2m的变截面群锚基础设计为例，地基承载力特征值为260kPa。

锚杆基础锚筋采用36mm直径HRB400的螺纹钢，其弹性模量为200GPa；锚固浆体强度等级采用C30，其弹性模量及泊松比分别取20GPa和0.2；变截面段锚杆直径为250mm，非变截面段锚杆直径为120mm，锚杆间距为600mm。承台宽度为1.8m，承台底部埋深为2.5m。根据本发明提出的变截面群锚基础水平承载力计算方法结算结果及与真型试验、有限元分析结果对比如表1所示：

表1变截面群锚基础水平承载力计算及结果对比

由上表可知，在上述地质条件下，采用本发明实例提供的设计方法，计算的变截面群锚基础水平承载力与真型试验结果吻合较好；同时数值模拟的结果比设计公式计算结果及真型试验结果均要大，这是由于数值模拟过程中存在诸多理想假设所导致的。显然，采用本发明提出的水平承载力设计计算方法能够满足实际工程应用需要。

实际工程中，项目所有方会提出一个变截面式锚杆基础应当能够承受的水平承载力的最小值

实际运用中，设计人员设计出变截面锚杆基础的方案时，再依据公式（5）计算变截面群锚基础水平承载力

比较锚杆基础应当能够承受的最小水平外荷载

最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。