CN115653025A - 一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构及其施工方法，该加固结构包括：混凝土基础，其浇筑在岩石地基上，且用于承载输电塔塔腿；锚杆加固群，其用于将混凝土基础锚固在岩石地基上，所述锚杆加固群包括多个NPR锚杆；地脚螺栓，其用于将输电塔塔腿固定在所述混凝土基础上；所述NPR锚杆包括杆体和套管，杆体的一端为锚接在岩石地基中的锚固端，杆体的另一端设置有锥体，所述杆体套接在套管内，所述套管内形成有用于容置所述锥体的容置腔；所述锥体挤压所述容置腔的内壁而使所述套管发生径向膨胀变形；本发明中NPR锚杆将材料变形绝大部分转化为结构变形，即锥体与套管之间的相对位移，能有效避免因材料失效导致的输电塔破坏现象。

Description

一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及输电塔基础加固技术领域，尤其涉及一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构及其施工方法。

背景技术

输电铁塔主要由主体部分、附属部分和配件等共同组成。其中，主体部分主要包括塔头、塔身和塔腿(包括基础)组成。高压输电铁塔作为重要的输电设施，其结构的稳定是保证电力稳定持续的重要基础，对人们的日常生活质量有重大影响。

输电塔基础中的岩石锚杆基础适用于中等风化以上的整体性好的硬质岩。该基础型式是在岩石中直接钻孔、插入锚杆，然后灌浆，使锚杆与岩石紧密粘结，充分利用了岩石的强度，从而大大降低了基础混凝土和钢材量。但现有岩石锚杆基础形式的输电塔在使用过程中，仍会因输电塔承受导地线、风、覆冰、断线张力等垂直荷载、水平荷载和其他外力作用，进而产生上拔、下压或倾覆等破坏现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构及其施工方法，可以解决现有的输电塔基础稳定性不足的问题。

本发明一方面的技术方案是这样实现的：

一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，包括：

混凝土基础，其浇筑在岩石地基上，且用于承载输电塔塔腿；

锚杆加固群，其用于将混凝土基础锚固在岩石地基上，所述锚杆加固群包括多个NPR锚杆；

地脚螺栓，其用于将输电塔塔腿固定在所述混凝土基础上；

其中，所述NPR锚杆包括杆体和套管，所述杆体的一端为锚接在岩石地基中的锚固端，所述杆体的另一端设置有锥体，所述杆体套接在所述套管内，所述套管内形成有用于容置所述锥体的容置腔；所述锥体通过挤压所述容置腔的内壁而使所述套管发生径向膨胀变形。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，所述锥体呈锥台状，所述锥台较小的一端的宽度大于所述杆体的直径；所述套管整体呈筒状，所述套管内往径向外扩而形成所述容置腔，所述容置腔具有与所述锥体外侧面的轮廓适配的内壁。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，所述岩石地基上设有第一锚孔，所述混凝土基础上设有第二锚孔，所述NPR锚杆穿过所述第二锚孔，且所述杆体的锚固端锚固在所述第一锚孔中；所述第一锚孔与所述NPR锚杆之间、所述第二锚孔与所述NPR锚杆之间均填充有细石混凝土填充层。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，所述地脚螺栓采用所述NPR锚杆，通过所述NPR锚杆将输电塔塔腿固定在所述混凝土基础上。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，输电塔塔腿包括钢垫板，所述钢垫板通过四个地脚螺栓固定在所述混凝土基础上，四个地脚螺栓呈对称阵列分布。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，所述第一锚孔和所述第二锚孔的直径均至少大于所述NPR锚杆的直径20mm。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，所述NPR锚杆还包括套接在所述套管顶端上的托盘，所述套管顶端还螺纹连接有紧固螺母。

作为所述输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的进一步可选方案，所述细石混凝土填充层的混凝土强度为C30-C40级。

相对于现有技术，该加固结构的有益效果有：利用NPR锚杆技术对现有岩石锚杆基础进行改良加固，以提高基础抗拔锚固能力，抗变形能力，抗爆抗冲击能力；具有负泊松比结构的负泊松比(Negative Poisson’s Ratio,NPR)锚杆具有拉不断、高恒阻力、理想弹塑性本构关系等超常特性，其恒阻力由NPR结构决定，与外载荷和岩体性质无关；NPR锚杆与岩体相互作用时，会改变岩体的力学行为，可实现岩体力学行为的降维与解耦分析；不仅可以对岩体大变形与冲击地压等地质灾害进行有效控制，同时可以通过小扰动控制的方式实现对岩体工程灾害发生机理的认知与预测。

本发明另一方面的技术方案是这样实现的：

一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的施工方法，基于上述的加固结构，包括如下步骤：

(1)地基开挖：根据施工图纸对输电塔岩石锚杆基础进行定位与地基处理，清理基础位置的杂物与残积土，开挖岩石地基，为混凝土基础的施工预留空间，至施工设定标高结束开挖；

(2)浇筑混凝土基础：采用C30级混凝土浇筑混凝土基础，浇筑前，对地基事先按设计标高和轴线进行矫正；浇筑时不留设施工缝，浇筑顺序是先边角后中间，使混凝土充满模板；

(3)第一锚孔和第二锚孔的开设：根据施工图纸对第一锚孔和第二锚孔进行定位，标定位置后，利用打锚杆钻机钻孔，深度需要达到可以锚入岩石地基；钻孔结束后，对钻孔过程中造成的孔内岩石脱落物进行清理；锚孔直径比NPR锚杆直径大20-40mm；钻孔结束后，再次对锚孔直径、各锚杆间距、锚孔深度进行测量；锚孔间距不小于锚孔直径的3倍，第一锚孔的深度至少为锚杆直径的40倍；

(4)锚杆加固群的锚固：对第一锚孔和第二锚孔进行润湿后再次清孔，施工过程中保证NPR锚杆与锚孔中心沿垂直方向重合，避免NPR锚杆与岩壁接触导致降低锚固作用；NPR锚杆锚入后，向锚孔间隙内注浆并密实，形成细石混凝土填充层；混凝土强度等级为C30-C40级，NPR锚杆顶端的紧固螺母将托盘固定于混凝土基础顶端；

(5)地脚螺栓的安装：待混凝土基础达到设计强度后，对第一锚孔和第二锚孔进行润湿后再次清孔，将地脚螺栓锚入，向锚孔间隙内注浆并密实，形成细石混凝土填充层；混凝土强度等级为C30-C40级，NPR锚杆顶端的紧固螺母固定于输电塔塔腿的钢垫板顶端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的结构示意图；

图2为所述NPR锚杆的结构示意图；

图3为所述锥体与所述容置腔的配合示意图；

图4为所述地脚螺栓在所述钢垫板上的分布示意图。

图中：1、岩石地基；2、混凝土基础；3a、锚杆加固群；3b、地脚螺栓；31、杆体；311、锚固端；32、套管；321、容置腔；33、锥体；34、紧固螺母；35、托盘；4、细石混凝土填充层；5、输电塔塔腿；51、钢垫板。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1-4，示出了一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，包括混凝土基础2、锚杆加固群3a和地脚螺栓3b；所述混凝土基础2浇筑在岩石地基1上，以用于承载输电塔塔腿5，优选的，所述混凝土基础2的形式为形式为矩形底面的承台基础；所述锚杆加固群3a用于将混凝土基础2锚固在岩石地基1上，所述锚杆加固群3a包括多个NPR锚杆；所述地脚螺栓3b用于将输电塔塔腿5固定在所述混凝土基础2上；其中，所述NPR锚杆包括杆体31和套管32，所述杆体31的一端为锚接在岩石地基1中的锚固端311，所述杆体31的另一端设置有锥体33，所述杆体31套接在所述套管32内，所述套管32内形成有用于容置所述锥体33的容置腔321；所述锥体33通过挤压所述容置腔321的内壁而使所述套管32发生径向膨胀变形。

上述方案中，参考图2和图3，所述锥体33呈锥台状，所述锥台较小的一端的宽度大于所述杆体31的直径；所述套管32整体呈筒状，所述套管32内往径向外扩而形成所述容置腔321，所述容置腔321具有与所述锥体33外侧面的轮廓适配的内壁。

具体而言，当输电塔有倾斜趋势时，轴向外荷载作用于NPR锚杆的自由端，锥体33与套管32内壁发生相对滑移，所述容置腔321的内壁受到锥体33的挤压而使所述套管32发生径向膨胀变形，即产生宏观负泊松比结构效应；套管32与锥体33的相对位移为NPR锚杆的变形；NPR锚杆的工作阻力主要由锥体33与套管32之间的滑动摩擦力提供。假定锥体33为刚体，套管32在锥体33运动时受挤压产生径向压力，导致套管32与锥体33之间产生摩擦力。

关于所述NPR锚杆恒阻力的计算，参考图2和图3，套管32与锥体33之间的最大摩擦阻力称为临界阻力P₀，其表达式为P₀＝2πfI_SI_C。f为套筒和锥体33之间的静摩擦系数，I_S为套筒材料参数，I_C为锥体33几何参数，计算式为

α为锥体33的半锥角，h为锥体33高度，a和b分别为锥体33小端、大端半径，E和μ分别为套筒的弹性模量和泊松比。本发明中NPR锚杆的工作阻力与外荷载无关，仅与锥体33的结构参数和套管32的弹性参数有关，因此临界阻力P₀又称为NPR锚杆的恒阻力。

本发明中NPR锚杆将材料变形绝大部分转化为结构变形，即锥体33与套管32之间的相对位移，能有效避免因材料失效导致的输电塔破坏现象。

上述方案优选的，所述地脚螺栓3b也采用所述NPR锚杆，通过所述NPR锚杆将输电塔塔腿5固定在所述混凝土基础2上；如此能够加强输电塔塔腿5的固定稳定性。

具体的，所述岩石地基1上设有第一锚孔，所述混凝土基础2上设有第二锚孔，所述NPR锚杆穿过所述第二锚孔，且所述杆体31的锚固端311锚固在所述第一锚孔中；所述第一锚孔与所述NPR锚杆之间、所述第二锚孔与所述NPR锚杆之间均填充有细石混凝土填充层4，所述细石混凝土填充层4的混凝土强度优选为C30-C40级。另外，所述第一锚孔和所述第二锚孔的直径均至少大于所述NPR锚杆的直径20mm。

上述方案优选的，输电塔塔腿5包括钢垫板51，所述钢垫板51通过四个地脚螺栓3b固定在所述混凝土基础2上，四个地脚螺栓3b呈对称阵列分布。如此，能够进一步加强输电塔塔腿5的固定稳定性。

上述方案优选的，所述NPR锚杆还包括套接在所述套管32顶端上的托盘35，所述套管32顶端还螺纹连接有紧固螺母34。其中，所述锚杆加固群3a中的NPR锚杆，其紧固螺母34将托盘35压置在混凝土基础2的外表面，加强所述套管32与所述混凝土基础2的连接；所述地脚螺栓3b的NPR锚杆，其紧固螺母34将托盘35压置在钢垫板51的外表面，实现所述套管32与所述钢垫板51的连接。

上述的输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构通过以下的施工方法形成：

(1)地基开挖：根据施工图纸对输电塔岩石锚杆基础进行定位与地基处理，清理基础位置的杂物与残积土，开挖岩石地基1，为混凝土基础2的施工预留空间，至施工设定标高结束开挖；

(2)浇筑混凝土基础2：采用C30级混凝土浇筑混凝土基础2，浇筑前，对地基事先按设计标高和轴线进行矫正；浇筑时不留设施工缝，浇筑顺序是先边角后中间，使混凝土充满模板；

(3)第一锚孔和第二锚孔的开设：根据施工图纸对第一锚孔和第二锚孔进行定位，标定位置后，利用打锚杆钻机钻孔，深度需要达到可以锚入岩石地基1；钻孔结束后，对钻孔过程中造成的孔内岩石脱落物进行清理；锚孔直径比NPR锚杆直径大20-40mm；钻孔结束后，再次对锚孔直径、各锚杆间距、锚孔深度进行测量；锚孔间距不小于锚孔直径的3倍，第一锚孔的深度至少为锚杆直径的40倍；

(4)锚杆加固群3a的锚固：对第一锚孔和第二锚孔进行润湿后再次清孔，施工过程中保证NPR锚杆与锚孔中心沿垂直方向重合，避免NPR锚杆与岩壁接触导致降低锚固作用；NPR锚杆锚入后，向锚孔间隙内注浆并密实，形成细石混凝土填充层4；混凝土强度等级为C30-C40级，NPR锚杆顶端的紧固螺母34将托盘35固定于混凝土基础2顶端；

(5)地脚螺栓3b的安装：待混凝土基础2达到设计强度后，对第一锚孔和第二锚孔进行润湿后再次清孔，将地脚螺栓3b锚入，向锚孔间隙内注浆并密实，形成细石混凝土填充层4；混凝土强度等级为C30-C40级，NPR锚杆顶端的紧固螺母34固定于输电塔塔腿5的钢垫板51顶端。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，包括：

混凝土基础，其浇筑在岩石地基上，以用于承载输电塔塔腿；

锚杆加固群，其用于将混凝土基础锚固在岩石地基上，所述锚杆加固群包括多个NPR锚杆；

地脚螺栓，其用于将输电塔塔腿固定在所述混凝土基础上；

其中，所述NPR锚杆包括杆体和套管，所述杆体的一端为锚接在岩石地基中的锚固端，所述杆体的另一端设置有锥体，所述杆体套接在所述套管内，所述套管内形成有用于容置所述锥体的容置腔；所述锥体通过挤压所述容置腔的内壁而使所述套管发生径向膨胀变形。

2.根据权利要求1所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，所述锥体呈锥台状，所述锥台较小的一端的宽度大于所述杆体的直径；所述套管整体呈筒状，所述套管内往径向外扩而形成所述容置腔，所述容置腔具有与所述锥体外侧面的轮廓适配的内壁。

3.根据权利要求1或2所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，所述岩石地基上设有第一锚孔，所述混凝土基础上设有第二锚孔，所述NPR锚杆穿过所述第二锚孔，且所述杆体的锚固端锚固在所述第一锚孔中；所述第一锚孔与所述NPR锚杆之间、所述第二锚孔与所述NPR锚杆之间均填充有细石混凝土填充层。

4.根据权利要求3所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，所述地脚螺栓采用所述NPR锚杆，通过所述NPR锚杆将输电塔塔腿固定在所述混凝土基础上。

5.根据权利要求4所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，输电塔塔腿包括钢垫板，所述钢垫板通过四个地脚螺栓固定在所述混凝土基础上，四个地脚螺栓呈对称阵列分布。

6.根据权利要求4所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，所述第一锚孔和所述第二锚孔的直径均至少大于所述NPR锚杆的直径20mm。

7.根据权利要求5所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，所述NPR锚杆还包括套接在所述套管顶端上的托盘，所述套管顶端还螺纹连接有紧固螺母。

8.根据权利要求3所述的一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构，其特征在于，所述细石混凝土填充层的混凝土强度为C30-C40级。

9.一种输电塔岩石负泊松比锚杆基础加固结构的施工方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一的加固结构，包括如下步骤：

(1)地基开挖：根据施工图纸对输电塔岩石锚杆基础进行定位与地基处理，清理基础位置的杂物与残积土，开挖岩石地基，为混凝土基础的施工预留空间，至施工设定标高结束开挖；

(2)浇筑混凝土基础：采用C30级混凝土浇筑混凝土基础，浇筑前，对地基事先按设计标高和轴线进行矫正；浇筑时不留设施工缝，浇筑顺序是先边角后中间，使混凝土充满模板；

(3)第一锚孔和第二锚孔的开设：根据施工图纸对第一锚孔和第二锚孔进行定位，标定位置后，利用打锚杆钻机钻孔，深度需要达到可以锚入岩石地基；钻孔结束后，对钻孔过程中造成的孔内岩石脱落物进行清理；锚孔直径比NPR锚杆直径大20-40mm；钻孔结束后，再次对锚孔直径、各锚杆间距、锚孔深度进行测量；锚孔间距不小于锚孔直径的3倍，第一锚孔的深度至少为锚杆直径的40倍；

(4)锚杆加固群的锚固：对第一锚孔和第二锚孔进行润湿后再次清孔，施工过程中保证NPR锚杆与锚孔中心沿垂直方向重合，避免NPR锚杆与岩壁接触导致降低锚固作用；NPR锚杆锚入后，向锚孔间隙内注浆并密实，形成细石混凝土填充层；混凝土强度等级为C30-C40级，NPR锚杆顶端的紧固螺母将托盘固定于混凝土基础顶端；

(5)地脚螺栓的安装：待混凝土基础达到设计强度后，对第一锚孔和第二锚孔进行润湿后再次清孔，将地脚螺栓锚入，向锚孔间隙内注浆并密实，形成细石混凝土填充层；混凝土强度等级为C30-C40级，NPR锚杆顶端的紧固螺母固定于输电塔塔腿的钢垫板顶端。

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