CN113882425B - 一种用于高陡边坡的挖孔基础结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高陡边坡的挖孔基础结构及施工方法。基础结构，包括，桩体，竖向设置，下部位于边坡土体内，上部位于边坡土体的外侧；承台，与边坡土体通过抗剪键连接，承台与桩体、边坡土体通过连接杆连接，所述承台位于桩体的沿着边坡的倾斜方向的上游方向的一侧，所述承台部分或全部位于边坡地面线的内侧。提高整体基础的安全性。有效降低桩长与桩径，降低材料用量。

Description

一种用于高陡边坡的挖孔基础结构及施工方法

技术领域

本发明属于输电线路杆塔基础技术领域，具体涉及一种用于高陡边坡的挖孔基础结构及施工方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前，我国在山区架设输电塔还存在一些问题，例如在海拔高的地区开挖基坑存在一定的难度，大部分材料需人工进行搬运，使工程造价、工期以及劳动量在整个工程中占有较大的比例，并且基础不稳、杆塔倾斜等情况也时有发生。

在偏远山区经常需要建设输电线路，一些基础位于高陡边坡上，此时基础施工难度较大，发明人发现，当坡度大于35度时，岩石锚杆基础难以采用，采用挖孔基础的计算露头可达3m以上。基础的混凝土量和钢筋都需要增加。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种用于高陡边坡的挖孔基础结构及施工方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种用于高陡边坡的挖孔基础结构，包括，

桩体，竖向设置，下部位于边坡土体内，上部位于边坡土体的外侧；

承台，与边坡土体通过抗剪键连接，承台与桩体、边坡土体通过连接杆连接，所述承台位于桩体的沿着边坡的倾斜方向的上游方向的一侧，所述承台部分或全部位于边坡地面线的内侧。

边坡土体为具有岩石或带有覆土的岩石边坡结构，桩体和承台埋置于岩石或上覆土较浅的土体中。

本发明中，承台位于桩体上部的一侧的位置，位于边坡倾斜方向的上游的位置，承台起到连接和承压的作用。基础作用力的竖向力由桩和抗剪键抵抗，侧向承台和连接杆杆不提供竖向承载能力。当基础作用力的水平力朝山体外时，水平力由桩身、抗剪键和连接杆承担。此时，侧向承台仅起到连接桩身和连接杆以及抗剪键的作用。抗剪键和连接杆的受力原理不同，水平方向的连接杆承受拉力，抗剪键承受剪力。当基础作用力的水平力朝山体内侧时，水平力由桩身、抗剪键和侧向承台承担。此时，抗剪键承受剪力。侧向承台靠近山体的侧面拥有较大的承压面积，承载能力等于承压面积与岩体地基承载能力特征值的乘积。

侧向承台、抗剪键和侧向连接杆相当于桩基础的一个强有力侧向支撑，抗剪键可以抵抗任何方向的水平力，整体可以抵消基础作用力水平力分量的大部分，使桩身主要承受轴向力作用。从而大幅度降低桩截面大小、桩长和配筋。

本发明中将承台和桩体分开设置，承台固定到边坡山体中，承台起到连接桩体和边坡山体的作用，相比于直接利用锚杆连接边坡山体和桩体，能够更好的提高连接强度，提高抵消水平力的效果。一方面，连接承台底部设置抗剪键，抗剪键可以抵抗基础承受360度范围内的水平力。如果没有侧向承台，则无法设置抗剪键，由于水平锚杆只能抵抗沿锚杆方向的水平力，容易导致桩体沿垂直于锚杆方向的破坏；另一方面，连接承台山体方向具有较大的面积，支撑于山体内，可承受很大沿坡上方向的水平力；第三方面，水平锚杆一般需要30d(d为锚杆直径)的锚固长度，连接承台提供了足够的锚固空间。承台能够减少桩体露在边坡山体外侧的高度，便于施工，避免施工时使用脚手架。同时能够减少基础结构的混凝土量和钢筋量。在桩体的上游一侧设置承台，承台和锚筋连接，承台起到传递水平力的作用，减少边坡土体中的岩石和桩体的分离，更好的提高长久作用，提高桩体的耐久性和可靠度。

相比于将承台设置于沿着边坡倾斜方向的下游位置，本发明将承台设置上游位置，能够更好的提高桩体在承受水平力时，与边坡山体的连接强度。

在本发明的一些实施方式中，承台的侧面与桩体的外表面贴合，所述侧面形状与桩体的外表面形状相配合。所述贴合面的形式进行连接，能够提高受力面积，提高抵消力的效果。施工难度小，可减少工程量。

在本发明的一些实施方式中，所述桩体与承台的贴合面为弧形面。

在本发明的一些实施方式中，连接杆为锚筋、圆钢或H型钢。

在本发明的一些实施方式中，所述连接杆穿过承台，一端伸入桩体内，一端伸入到边坡土体的岩石内。进一步，连接杆的端部伸到桩体的外边缘。侧向承台中的连接杆应伸入桩体，并尽可能加长锚固长度，增强侧向承台与桩身的连接，有效减少桩身承受的水平力，提高基础的承载力并减少柱顶的地面位移。

在本发明的一些实施方式中，边坡土体和部分承台位置的连接杆向下倾斜，相对于水平线倾角为5-10°。使连接杆斜向下锚进岩石层，避免锚孔灌浆不足现象的发生。

在本发明的一些实施方式中，连接杆设置多个，若干连接杆沿着水平方向间隔设置，在水平面内排列方向两侧的连接杆，位于边坡土体和部分承台内的部分，分别向两侧的外部方向弯折。扩大连接杆与承台一侧的边坡土体连接的面积。

在本发明的一些实施方式中，抗剪键竖向设置，下部伸入到边坡土体中，上部伸入到承台中。抗剪键可以抵抗任何方向的水平力。

在本发明的一些实施方式中，抗剪键为H型钢、钢管等。H型钢或钢管需插入岩石中，抗剪键与承台的连接间隙设置灌浆，进行灌浆处理，通过H型钢或钢管增强侧向承台和岩石的连接。

在本发明的一些实施方式中，所述承台的横截面为梯形变径结构，小径端位于靠近承台一侧。承台的梯形形状设计，小径端与桩体相接，能够更好的使承台，承受桩体的水平作用力，更好的发挥承台在桩体和边坡山体之间的连接作用，抵消水平力。

在本发明的一些实施方式中，桩体位于边坡土体的外侧的最大高度为0.5d，d为桩体平均直径。d为桩体平均横截面直径。

在本发明的一些实施方式中，承台靠近边坡山体的一端设置锚孔，连接杆配合伸入锚孔中，锚孔与连接杆之间填充灌浆物。连接杆和锚孔壁之间填充有灌浆物应保证足够的强度、密实性和耐久性，可采用细石混凝土，也可采用也可以采用其他保证粘结力的胶凝材料，可以为高强灌浆物。进一步，锚筋直径为20mm～40mm，锚孔直径90～140mm。锚孔直径大于锚筋直径，锚筋和锚孔壁之间填充有灌浆物。

在本发明的一些实施方式中，承台设置配筋，包括纵向钢筋和横向钢筋，所述承台的配筋伸入到边坡土体的岩石中。承台的配筋起到加固桩体的作用，保证桩体的连接可靠性。

在本发明的一些实施方式中，桩体设置纵向的桩主筋和桩箍筋，桩主筋设置在桩体的外边缘位置，桩箍筋设置在桩主筋的外侧，桩箍筋包住桩主筋。进一步，桩主筋设置至少四根。若干桩主筋围成桩体框架。进一步，桩箍筋采用螺旋结构的螺旋筋。钢筋混凝土桩上部箍筋全桩长加密，以保证桩的与侧向承台的连接强度。

在本发明的一些实施方式中，桩体的上部横截面为圆形。

在本发明的一些实施方式中，桩体的底部设置扩大头段，所述扩大头段为变径结构，沿着纵向由上到下直径变大，扩大头段的直径大于桩体的上部的直径。设置扩大头段用于增大端部承压面积。进一步，扩大头的直径与桩体上部直径的差值为0.6-1m，扩大头高度为1.5-2m。扩大头不能过快增大直径，采用适合的扩大头高度和直径有利于桩体的稳定性。

第二方面，上述用于高陡边坡的挖孔基础结构的施工方法，所述方法为：

在桩体的一侧设置承台，承台与山体通过抗剪键连接；

在承台上钻孔形成锚孔，在锚孔中插入连接杆，然后灌注混凝土，完成承台和桩体、边坡的连接。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1.本发明的技术方案设置了承台位于桩体的一侧上游方向，及山体倾斜方向的上方，并承台、桩体、山体通过连接杆连接，侧向承台和侧向岩石连接杆可提供强有力的侧向支撑，抵消大部分基础作用力的水平分量，显著改善桩基础部分的受力性能，提高整体基础的安全性。对于坡度较大，土层以下为岩石地基的地区，提出的基础方案具有很高的应用价值。

2.承台和锚筋，提供了侧向支撑，侧向支撑的设置可以有效降低桩身长度与桩截面长度，降低材料用量。对于坡度大于35度的高陡变坡，较传统的挖孔基础方案相比，采用提出的基础方案可以降低材料量50％以上，具有良好的经济效益。

3.材料量降低的同时，还可以大幅度降低施工难度，缩短工期40％以上。

4.本发明的挖孔基础结构桩身采用适合山体形状，顺应等高线规律的弧形桩体，可以降低施工难度，更加环保。

5.本发明的挖孔基础结构侧向承台中设置抗剪键，可以承受基础受到的部分水平力，与侧向岩石锚杆基础共同发挥作用，有效降低材料量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是钢筋混凝土桩-侧向承台基础正视图示意图；

图2是钢筋混凝土桩-侧向承台基础俯视图示意图；

图3是钢筋混凝土桩-侧向承台基础三维图示意图；其中(a)表示本发明的基础结构，(b)表示现有的基础结构。

图中：a-1为桩主筋，a-2为桩箍筋，b-1为纵向钢筋，b-2为连接杆，A为等截面桩体，B为扩大头桩体，C为侧向承台，D为锚孔，E为抗剪键。d为上部桩径，b为扩大头底部直径，d₂为(b-d)/2，h₂为桩截面过渡段高度，h₁为扩大头等截面段高度。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

本发明提出的钢筋混凝土桩-侧向承台基础如图1、图2和图3所示。图1是高陡边坡挖孔基础正视示意图，该基础型式的桩体包含土体及地上结构部分(A和B)、带抗剪键的侧向承台部分以及锚孔。A和B为钢筋混凝土结构，A为上部等截面桩体，B为扩大头部分桩体；C为侧向承台结构部分，D为锚孔，E为侧向承台结构的抗剪键圆钢。A和B部分与周围土体存在摩擦力，提供部分抗拔承载能力。B截面长度可大于A截面长度1米，每侧0.5米，可大大增加承压面积，而且岩石承压强度很大。因此，B可提供很大抗压承载能力。本实施方式在利用较小截面长度的情况下，无需增加桩截面长度即可提高结构的刚度和强度，即可提高A的抗压承载力。D部分利用锚筋与灌浆物的粘结作用，能够大大提高结构的水平承载力。E部分可以增强侧向承台与岩石基础的连接并提高基础的抗剪承载力。设计时，根据基础作用力的水平分量设计锚筋数量、直径、材料和锚固长度等。

如图1所示，地面线为边坡的表面倾斜边缘线，承台部分设置在地面线的内侧或全部位于地面线的内侧，即部分位于地面线内侧的山体中或全部位于地面线内侧的山体中，进行固定。

如图2所示，锚筋b-2的端部伸入到桩体的边缘，锚筋b-2设置多个，若干锚筋b-2沿着水平方向间隔设置，在水平面内排列方向两侧的锚筋b-2，位于边坡土体和部分承台C内的部分，分别向两侧的外部方向弯折。

如图1所示，边坡土体和部分承台位置的锚筋b-2向下倾斜，相对于水平线倾角为5-10°。

如图1所示，桩体的底部设置扩大头段，所述扩大头段为变径结构，沿着纵向由上到下直径变大，扩大头段的直径大于桩体的上部的直径；进一步，扩大头的底部外边缘设置等截面段，等截面段上部为过渡段，过渡段的横截面直径是变径的，等截面段的横截面直径相同。图1中的d为上部桩径，b为扩大头底部直径，d₂为(b-d)/2，h₂为桩截面过渡段高度，h₁为扩大头等截面段高度。相当于上面所述的，d大于b 1米，然后d₂为0.5米。扩大头的高度为h₁+h₂。

桩体设置纵向的桩主筋a-1和桩箍筋a-2，桩主筋a-1设置在桩体的外边缘位置，桩箍筋a-2设置在桩主筋a-1的外侧，桩箍筋包住桩主筋。

承台设置配筋，包括纵向钢筋b-1和横向钢筋，所述承台的配筋伸入到边坡土体的岩石中。

如图2所示，承台的侧面与桩体的外表面贴合，所述侧面形状与桩体的外表面形状相配合。桩体与承台的贴合面为弧形面，采用适合山体形状，顺应等高线规律的弧形桩体，可以降低施工难度，更加环保。

如图3所示，图3中右边的视图(b)表示未设置承台的结构，图3中左边的视图(a)表示设置承台的结构。在本实施例中，通过设置承台和锚筋，相比于没有设置锚筋，能够更好的抵抗水平力，减小桩径和桩长，基础尺寸明显变小。

所述锚筋的数量至少为3根，不允许接头，在截面周边位置对称、均匀选取，注意相邻锚孔不能有重叠部分。为保证灌浆质量，锚孔长度不宜太长，一般不超过6米。可采用高强灌浆材料，减小锚孔长度。

当截面周边锚筋数量不宜增加时，可在截面中心位置增设一个大截面锚孔并设置一根较大直径的锚筋，锚筋与左侧桩体应有足够的锚固长度。

为了保证灌浆施工的质量，锚筋与锚孔壁之间应有足够大空间，锚孔直径大于锚筋直径60mm～100mm。并采用有效措施保证灌浆物的密实性。

锚孔内固结材料可采用C30细石混凝土，石料宜采用连续级配碎石，粒径5～8mm。其配合比设计时应充分考虑孔内混凝土的流动性，坍落度一般要求为160～180mm。

锚筋施工前应平直、除油和除锈，安放锚筋时应防止扭压和弯曲，锚筋放入角度与锚孔倾角保持一致，不得磕碰孔壁，防止杂物带入孔内。锚筋置于孔内居中杆体与孔壁距离应均匀。

锚孔灌注混凝土前，湿润锚孔孔壁，通过混凝土量控制，按每200mm分层灌注和捣固，沿锚筋四周用定制小型振动棒、插钎均匀捣固。

施工现场应有小型混凝土计量工具对灌入量严格计量。单根总灌入的混凝土不得小于设计理论量，并应做好记录。

本发明的施工顺序如下：1.采用旋挖钻机开挖至岩石顶部，也可旋挖上部强风化岩石，旋挖钻机需具有开挖扩底部分功能；2.采用小型钻机进行锚杆钻孔，钻孔时需倾斜5°-10°；3.绑扎桩体钢筋笼；4.锚孔中插入锚筋；5.利用导管法对锚孔灌注细石混凝土；6.进行桩体混凝土浇筑。

实施例2

假定坡度为45度，覆土厚度为1m，实际露头为0.5m，对某1000kV特高压输电塔的基础分别采用传统挖孔基础方案和实施例1提出的方案进行设计，如表1所示。可以看出，增设侧向承台和侧向岩石锚杆后，基础的计算露头由5.0m减小到1.0m，混凝土用量减少58％，钢筋量减少64％，计算露头减小80％，取得了显著的经济效益。

表1实施例2的基础结构对比

基础型式	桩径/m	桩长/m	计算露头/m	混凝土量/m<sup>3</sup>	钢筋量/t
						挖孔基础	2.0	13.0	5.0	43.8	3.1
实施例2	1.6	10	1.0	25.5	2.0

对比例1

按照国网公司特高压输电线路设计原则，计算露头等于2.5倍桩径。如果此时桩径为2m，则计算露头等于5m。进行基础设计时，上部计算露头以及实际露头高度内的部分处于裸漏状态。在最不利荷载作用下，基础承受很大的弯矩作用。为了满足基础刚度和强度的双重要求，需要大大增加基础长度、桩径和配筋，从而明显增加基础材料量。对坡度为45度和坡度为0度时某1000kV输电塔挖孔基础进行对比，如表2所示。可以看出，当坡度从0度增大到45度时，基础的混凝土量增加了98％，钢筋增加了93％。因此，有必要针对高陡边坡的山区发明一种可显著降低材料量的基础型式。

表2对比例1的基础结构对比

坡度	桩径/m	桩长/m	混凝土量/m<sup>3</sup>	钢筋量/t
					0度	1.6	10.0	22.1	1.6
45度	2.0	13.0	43.8	3.1

对比例2

相比于实施例2，基础结构不设置承台，桩体与边坡山体通过锚筋连接，基础施工情况如表3所示。与设置侧向承台方案相比，不设置承台时，混凝土量增加74％，钢筋量增加75％。这主要由于，如果不设置侧向承台，无法设置抗剪键，基础沿垂直于锚杆方向的承载能力很低，难以发挥抵抗水平力的效果。

表3对比例2的基础结构对比

基础型式	桩径/m	桩长/m	计算露头/m	混凝土量/m<sup>3</sup>	钢筋量/t
						对比例2	1.8	13.0	4.5	38.5	2.8

本发明中表1、表2、表3中表示的基础结构，露头长度、混凝土量和钢筋量是按照特高压输电线路设计的强度标准计算所得结果。在满足基础上拔和下压工况下承载能力和变坡稳定要求前提下，计算所需要的桩径、桩长等相关参数。本发明的基础结构在满足输电线路要求的条件下，所需要的露头长度更短、混凝土量和钢筋量更低。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (11)

1.一种用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：包括，

桩体，竖向设置，下部位于边坡土体内，上部位于边坡土体的外侧；

承台，与边坡土体通过抗剪键连接，承台与桩体、边坡土体通过连接杆连接，所述承台位于桩体的沿着边坡的倾斜方向的上游方向的一侧，所述承台部分或全部位于边坡地面线的内侧；

所述连接杆穿过承台，一端伸入桩体内，一端伸入到边坡土体的岩石内；

所述承台的横截面为梯形变径结构，小径端位于靠近承台一侧。

2.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：承台的侧面与桩体的外表面贴合，所述侧面形状与桩体的外表面形状相配合。

3.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：边坡土体和部分承台位置的连接杆向下倾斜，相对于水平线倾角为5-10°。

4.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：连接杆设置多个，若干锚筋沿着水平方向间隔设置，在水平面内排列方向两侧的连接杆，位于边坡土体和部分承台内的部分，分别向两侧的外部方向弯折。

5.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：抗剪键竖向设置，下部伸入到边坡土体中，上部伸入到承台中。

6.如权利要求5所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：抗剪键为H型钢或钢管。

7.如权利要求5所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：抗剪键与承台的连接间隙设置灌浆。

8.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：

桩体位于边坡土体的外侧的最大高度为0.5d，d为桩体的平均直径。

9.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：承台靠近边坡山体的一端设置锚孔，连接杆配合伸入锚孔中，锚孔与连接杆之间填充灌浆物。

10.如权利要求1所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构，其特征在于：承台设置配筋，包括纵向钢筋和横向钢筋，所述承台的配筋伸入到边坡土体的岩石中。

11.权利要求1-10任一所述的用于高陡边坡的挖孔基础结构的施工方法，其特征在于：所述方法为：

在桩体的一侧设置承台，承台与山体通过抗剪键连接；

在承台上钻孔形成锚孔，在锚孔中插入连接杆，然后灌注混凝土，完成承台和桩体、边坡的连接。

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