CN117592169B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开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，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f（x），根据函数f（x）计算单根变截面锚杆极限水平承载力；计算承台底面地基土对承台的摩擦力；计算变截面群锚基础承台侧面土体水平极限承载力；根据单根变截面锚杆极限水平承载力、承台底面地基土对承台的摩擦力、承台侧面土体水平极限承载力，结合锚杆根数，得到变截面式群锚基础水平承载力实际值P；通过本发明计算方法多次迭代计算可推导出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，利于保护环境并降低工程成本。
Description
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f（x），结合所述
的锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数f（x）计算单根变截面锚杆极限水平承载
力实际值；
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、承台底面地基土对承台的摩
擦力、承台侧面土体水平极限承载力，结合锚杆根数，得到变截面式群锚基础水平
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和计算得到的变截面式群
锚基础水平承载力，当< 时，停止运算；
当>时，则将当次运算的承台宽度增大一设定值作为下次计算变截面式群
锚基础水平承载力值的承台宽度，重复步骤S1~S4，直到锚杆基础应当能够承受的最小水
平外荷载小于计算得到的变截面式群锚基础水平承载力时，停止运算，停止运算时
的承台宽度为最终的变截面式群锚基础承台宽度。
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f（x）如公式（1）：
（1）
其中f（x）为水平力影响深度范围内锚固界面上地基土水平抗力；C u 为地基土不排
水抗剪强度，根据岩土地质勘察报告确定；d为变截面段锚杆上段锚杆的直径；h为水平抗力
的分布影响深度，宜通过精细化的有限元数值模拟或者现场试验准确分析和研究确定，或
当无试验数据时可参照《建筑桩基技术规范》取h为h=2（d+1）；为水平力作用点距地面的
垂直距离。
进一步的是，所述单根变截面锚杆极限水平承载力实际值是通过对分布影响
深度范围内的地基土水平抗力进行函数积分得到，单根变截面锚杆极限水平承载力实际值P s 计算如公式（2）：
（2）
其中d为变截面段锚杆直径即上段锚杆的直径，h=2（d+1），f（x）是锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数f（x），dx表示微分。
进一步的是，所述承台底面地基土对承台的摩擦力计算如公式（3）：
（3）
其中为承台底地基土与基础的摩擦系数；为承台效应系数；为地基承载力
特征值，可根据岩土地质勘察报告取值；A为承台底面积；A s 为上段锚杆截面积，n为锚杆根
数,上述参数根据具体塔位的岩土地质勘察报告及锚杆基础设计初始参数进行取值或分析
计算确定。
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计算如公式
（4）：
（4）
其中w为承台宽度；m为承台侧面地基土水平抗力系数的比例系数；为承台底埋
深；上述参数根据具体塔位的地质报告及锚杆基础设计初始参数进行取值或分析计算确
定；为承台允许水平位移。
进一步的是，所述变截面群锚基础水平承载力实际值P计算如公式（5）：
（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h应结合实际地质条件进行有限元数值模拟或者真型试验获
得，在缺少相关有限元或真型试验研究结论时可取为h=2(d+1)，且在此范围内地基土抗力
分布可简化为如图4所示，图4表示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，其中段①为地基土水平抗力均匀分布段，段②为地基土水平抗力线性下降段，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f（x），结合所述的锚固界面上地
基土水平抗力假设理论分布函数f（x）计算单根变截面锚杆极限水平承载力实际值，所
述的f（x）可采用分段函数描述如下：
（1）
其中C u 为地基土不排水抗剪强度，根据具体塔位的岩土地质勘察报告取值；d为变截面段锚杆直径即上段锚杆的直径，本发明具体实施例中取250mm；
其中h为水平抗力分布影响深度，通过有限元数值模拟或现场试验准确分析研究确定，本发明实施例采用建立精细化的电力塔架-锚杆基础-地基岩土三维耦合的数值模型分析确定h=2.23m,当参照《建筑桩技术规范》h=近似取2（d+1），即h=2.5m；
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P s ：
（2）
其中d为变截面段锚杆直径即上段锚杆的直径，f（x）是锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数f（x），dx表示微分。本实施例计算时h取2.5m。
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，可通过以下公式计算：
（3）
其中为承台底地基体与基础的摩擦系数，主要与地基土类别、密实度等密切相关，一般取0.3~0.6（当地基土越坚硬密实时取大值）；
式中为承台效应系数，主要与锚杆中心距与锚杆直径之比、承台宽度与锚杆长
度之比、锚杆布置及外荷载大小等相关，结合输电线路工程设计和实践经验，群锚基础距径
比一般为2~3，承台宽度与锚杆长度之比一般为1.0~1.5，因此承台效应系数可取为0.1；为地基承载力特征值，可根据岩土地质勘察报告确定取值；A为承台底面积；A s 为上段锚
杆截面积，n为锚杆根数。上述参数根据具体塔位的岩土地质勘察报告及锚杆基础设计初始
参数进行取值或分析计算确定。
最后，针对承台侧面地基土水平抗力，通过以下公式进行计算：
（4）
其中w为承台宽度；m为承台侧面地基土水平抗力系数的比例系数；为承台底埋
深；上述参数根据具体塔位的地质报告及锚杆基础设计初始参数进行取值或分析计算确
定；为承台允许水平位移，本发明具体实施例中取为20mm。
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，值是根据项目所有方提出的要求所得。依据公式（5）计算变截面群锚
基础水平承载力值时，承台宽度对所述值的计算有较大的的影响。
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和变截面式群锚基础水平承载
力计算值，当< 时，设计人员设计出的变截面锚杆基础的方案是符合要求的，停止
运算。当>时，设计人员当前设计出的变截面锚杆基础的方案是不符合要求的，则将
当次运算的承台宽度增大一设定值作为下次运算的承台宽度，重复步骤S1~S4，直到< 时，停止运算，则停止运算时的承台宽度为最终的变截面式群锚基础承台的设计宽度；
关于将当次运算的承台宽度增大一设定值作为下次运算的承台宽度，所述增大一定设定值
可依据经验确定，例如每次增大0.1米，经反复运算，在满足< 的要求时，承台宽度最
小即可，承台宽度较小可以减少施工量及降低工程成本。
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。
Claims (5)
1.一种用于输电线路变截面锚杆基础的水平承载力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基于锚杆水平抗力分布影响深度、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f(x)，结合所述的锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数f(x)计算单根变截面锚杆极限水平承载力实际值Ps；
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f(x)如公式(1)：
其中f(x)为水平力影响深度范围内锚固界面上地基土水平抗力；Cu为地基土不排水抗剪强度，根据岩土地质勘察报告确定；d为变截面段锚杆上段锚杆的直径；h为水平抗力的分布影响深度，通过有限元数值模拟或者采用现场试验确定，当无试验数据时可取h为2(d+1)；x为水平力作用点距地面的垂直距离；
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Pf；
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Pq；
S4：根据单根变截面锚杆极限水平承载力实际值Ps、承台底面地基土对承台的摩擦力Pf、承台侧面土体水平极限承载力Pq，结合锚杆根数，得到变截面式群锚基础水平承载力实际值P；
S5：比较锚杆基础应当能够承受的最小水平外荷载Pk和计算得到的变截面式群锚基础水平承载力实际值P，当Pk<P时，停止运算；
当Pk>P时，当则将当次运算的承台宽度增大一设定值作为下次计算变截面式群锚基础水平承载力P值的承台宽度，重复步骤S1～S4，直到锚杆基础应当能够承受的最小水平外荷载Pk小于计算得到的变截面式群锚基础水平承载力P时，停止运算，停止运算时的承台宽度为最终的变截面式群锚基础承台宽度。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述单根变截面锚杆极限水平承载力实际值Ps是通过对分布深度范围内的地基土水平抗力进行函数积分得到，单根变截面锚杆极限水平承载力实际值Ps实际值计算如公式(2)：
其中d为变截面段锚杆直径即上段锚杆的直径，h＝2(d+1)，f(x)是锚固界面上地基土水平抗力假设理论分布函数f(x)，dx表示微分。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述承台底面地基土对承台的摩擦力Pf计算如公式(3)：
Pf＝2μηcfak(A-nAs) (3)
其中μ为承台底地基土与基础的摩擦系数；ηc为承台效应系数；fak为地基承载力特征值，根据岩土地质勘察报告取值；A为承台底面积；As为上段锚杆截面积，n为锚杆根数。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述变截面群锚基础承台侧面土体水平极限承载力Pq计算如公式(4)：
其中w为承台宽度；m为承台侧面地基土水平抗力系数的比例系数；hm为承台底埋深；x0a为承台允许水平位移。
5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述变截面群锚基础水平承载力实际值P计算如公式(5)：
P＝nPs+Pf+Pq (5)
其中n为锚杆根数。
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