后注漿灌注樁在輸電線路工程中應(yīng)用的探討

姜宏璽，孫宗德

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013)

0 引言

灌注樁基礎(chǔ)是輸電線路中針對軟弱地基土等特殊地質(zhì)條件下采用的一種基礎(chǔ)型式。普通鉆(沖、挖)孔灌注樁以其適應(yīng)性強、成本適中、后期質(zhì)量穩(wěn)定、承載力大等優(yōu)點廣泛地應(yīng)用于輸電線路工程中，但樁基礎(chǔ)的費用比普通開挖基礎(chǔ)要高很多，這樣就增加了工程的整體造價，限制了樁基在輸電線路工程中的使用。如果能使樁基的造價降低，將會是一種經(jīng)濟性和安全合理性的最佳結(jié)合。

2008年我國新修訂的《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》增加了一種新的樁基型式——PPG后注漿灌注樁，這是一種近年來在建筑行業(yè)被廣泛采用的新的樁基型式，應(yīng)用于北京國家體育場(鳥巢)、中央電視臺新址等重要工程，經(jīng)濟合理、安全可靠，如果將其應(yīng)用在輸電線路中可以有效解決樁基的造價過高的問題。

1 PPG樁簡介

后注漿灌注樁(Cast-in-place pile post grouting,簡寫PPG)是目前建筑行業(yè)極力推廣的一種新型的樁基型式，也是規(guī)范推薦的新的樁基施工工藝。PPG技術(shù)最早出現(xiàn)于1961年國外Maracaibo大橋工程，北京國家體育場(鳥巢)、中央電視臺新址、首都國際機場擴建等國家重點工程均采用了該技術(shù)。PPG后注漿技術(shù)是在樁體混凝土初凝后，通過在樁底、樁側(cè)用注漿泵將水泥漿或水泥與其他材料的混合漿液，通過預(yù)置于樁身中的管路壓入樁周或樁端土層中，樁側(cè)注漿會使樁土間界面的幾何和力學(xué)條件得以改善，樁端注漿可使樁底沉渣、施工樁孔時樁端受到擾動的持力層得到有效的加固或壓密，并加固樁底和樁周一定范圍的土體，以大幅度提高樁的承載力，增強樁承載狀態(tài)的穩(wěn)定，減小樁基沉降。實踐證明，后注漿法可以提高承載力40%～100%，沉降減小20%～30%。而且適用性特別強，除沉管灌注樁外均適用PPG技術(shù)。

2 工作原理

PPG后注漿樁的增強機理:

1)后注漿對樁側(cè)、樁端土的加固效應(yīng)。

固化效應(yīng):樁底沉渣及樁側(cè)泥皮因漿液滲入發(fā)生物理化學(xué)作用而固化。

充填膠結(jié)效應(yīng):樁側(cè)、樁底的粗粒土因滲入注漿而顯示充填膠結(jié)效應(yīng)，使其強度顯著提高；

加筋效應(yīng):樁底、樁側(cè)的細(xì)粒土因劈裂注漿形成網(wǎng)狀結(jié)石，顯示加筋效應(yīng)。

2)后注漿對樁側(cè)阻力、樁端阻力的增強特征。樁底注漿使端阻力增長60%以上；由于漿液上擴，樁底注漿使樁底以上10～20 m的側(cè)阻力增長20%～80%；樁底、樁側(cè)復(fù)式注漿可使側(cè)阻、端阻均獲得提高。

圖1 PPG樁的加固示意圖

3 計算公式

PPG后注漿樁的單樁極限承載力可按下列公式計算:

式中:βsi，βp分別為后注漿側(cè)阻力、端阻力增強系數(shù)，對于中砂，βsi規(guī)范取值在1.7～2.1，βp規(guī)范取值在2.6～3.0，經(jīng)過這樣修正后的單樁承載力提高很大。

上拔的極限承載力可按下列公式計算:

λi為抗拔系數(shù)。同樣因為有了側(cè)阻力增強系數(shù)βsi，單樁承載力可以達(dá)到原來的1.4～2.1倍。

4 工程應(yīng)用中的技術(shù)經(jīng)濟對比

PPG后注漿樁在工程中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，表1中所列的是在北京地區(qū)部分具有代表性后注漿工程的實驗對比結(jié)果。

從表中可以看出，根據(jù)已建工程施工后的實測樁極限載荷試驗值來分析，PPG樁的極限承載力均為未注漿的普通灌注樁的一倍以上，在樁徑不變的情況下樁長可減少50%左右，從理論上可以節(jié)省材料量50%左右。這大大降低了樁基的整體造價。

表1 PPG樁與普通樁的經(jīng)濟性對比

5 在輸電線路中應(yīng)用的探討

輸電線路中的樁基設(shè)計和建筑樁基有所不同，既是承壓樁，又是抗拔樁，還是抗水平力樁，根據(jù)輸電線路的具體特點對PPG樁進(jìn)行具體分析。

5.1 下壓承載力計算

PPG樁的下壓同建筑樁基的下壓完全一樣，以中砂為例，βsi規(guī)范取值在1.7～2.1，βp規(guī)范取值在2.6～3.0，這樣修正后的單樁承載力可提高1.9倍左右，理論上可以節(jié)省樁長50%左右，節(jié)省混凝土和鋼筋量50%左右。實際工程中由于土層的不同，綜合起來比普通樁基礎(chǔ)承載力可以大40%～100%，節(jié)省混凝土和鋼筋量30%～40%左右。

5.2 上拔承載力計算

從理論上分析，樁側(cè)壓力灌漿既使樁側(cè)的泥皮與土進(jìn)行了混合與擠密處理，又使土體與樁身混凝土聯(lián)結(jié)成整體，漿液硬化后的結(jié)石還會在樁側(cè)形成楔體。這些都會使樁與土之間的磨擦面積增大，提高側(cè)摩阻力。這一優(yōu)勢可以適用于抗拔樁設(shè)計當(dāng)中。

從計算上來看，對于PPG樁的抗拔能力，規(guī)范中5.3.10條只給了單樁極限承載力的計算公式，沒有明確區(qū)分上拔和下壓承載力計算公式，為此請教了《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的編寫者——劉金波博士，得到的結(jié)論是:采用樁側(cè)注漿能提高抗拔承載力，計算范圍按規(guī)范即可，最大可取12 m，側(cè)阻力增強系數(shù)應(yīng)取規(guī)范規(guī)定的低值。以中砂為例，βsi規(guī)范取值在1.7～2.1，上拔時取1.7，以樁側(cè)土全部為中砂為例，采用PPG后注漿，可以提高承載力1.7倍，理論上可以節(jié)省混凝土和鋼筋量40%左右。實際工程中由于土層的不同，綜合起來比普通樁基礎(chǔ)承載力可以大25%～70%，節(jié)省混凝土和鋼筋量20%～30%左右。

由于建筑樁基對后注漿抗拔運用的較少，建議在輸電線路工程中使用時應(yīng)結(jié)合工程實際，通過實驗來驗證增強系數(shù)的取值的合理性問題。

5.3 水平承載力計算

送電線路的樁基是要抵抗很大水平力的樁基，需要考慮樁側(cè)土穩(wěn)定計算，當(dāng)?shù)乇碛休^厚的淤泥層時，位移和樁側(cè)土壓力會不滿足，從而對樁徑大小造成控制，有時需要加大樁徑來滿足要求，增加了造價。PPG樁通過后注漿，樁側(cè)土被明顯壓實、加固，抵抗樁側(cè)土壓力的能力明顯增大，樁的位移得到控制，這樣可以減小樁徑，降低造價。

普通灌注樁有時需要設(shè)置連梁來協(xié)調(diào)4個塔腿抵抗水平力，采用后注漿后對樁側(cè)軟弱土的固化、加筋效果使樁側(cè)土壓力、樁頭位移得到明顯改善，從而使樁間的聯(lián)梁尺寸可以減小或取消，降低了造價。

5.4 耐久性問題

抗拔樁與承壓樁相比，樁的耐久性問題需要考慮。線路基礎(chǔ)規(guī)范要求在環(huán)境對基礎(chǔ)有腐蝕作用時混凝土不允許出現(xiàn)裂縫，樁基礎(chǔ)受到上拔力很難做到這一點，或者雖然能做到但樁徑加大很多，經(jīng)濟性較差。采用后注漿工藝后，可以考慮調(diào)整后注漿的施工工序來提高樁基整體的耐久性。具體在施工中可以將后注漿的時間調(diào)整到對樁基礎(chǔ)先施加一定應(yīng)力之后，混凝土受拉超過彈塑性變形后會開裂，然后進(jìn)行后注漿，后注漿的漿液會填補樁身受拉后的產(chǎn)生的裂縫，對于解決混凝土開裂后鋼筋銹蝕的問題會有一定效果，一定程度上提高了樁基的耐久性。

5.5 沉降問題

采用PPG樁后，沉降量明顯減少(民用建筑工程的實際測量發(fā)現(xiàn)最終沉降量在10 mm左右)，總沉降量可以降低20%～30%，這主要是由于采用后注漿固化了樁底沉渣、虛土，同時樁端有擴底效應(yīng)，另一方面，由于注漿需較高的壓力，一般大于1MPa，相當(dāng)于大約100 m高的水頭壓力，對樁端土進(jìn)行了預(yù)壓和加固，因此采用PPG后注漿后由于沉降對上部桿塔產(chǎn)生的附加應(yīng)力很小。

5.6 樁施工質(zhì)量問題

灌注樁都存在著樁底沉渣(虛土)無法清理干凈或虛土過厚等問題，因而制約了其承載能力和工程質(zhì)量的穩(wěn)定性。對于一些樁基施工中出現(xiàn)的塌空等質(zhì)量問題，后注漿都可以進(jìn)行有效的彌補，提高樁基的安全度。

6 設(shè)計中的一些觀點和分析

在設(shè)計中,首先要針對工程中具體的地質(zhì)情況選用合適的樁基礎(chǔ)型式。如果地質(zhì)條件是粗顆粒的砂質(zhì)土、碎石土、卵石等，采用PPG后注漿灌注樁尤為合適，因為βsi修正系數(shù)高，承載力的提高很大，節(jié)省材料量的效果很明顯。

其次，在設(shè)計中要充分利用PPG樁的特點，PPG樁在承壓時樁端、樁側(cè)都可以修正提高，而上拔時只是樁側(cè)修正，因此PPG樁承壓時節(jié)省材料量要更明顯，而抗拔時要稍差些。在工程中可以根據(jù)這個特點進(jìn)行設(shè)計，比如一般的承臺樁主要是承壓控制，上拔力由于承臺自重的抵消而減小，一般不控制樁長樁徑，采用PPG樁正好可以發(fā)揮其承壓能力強的特點，能更有效的減低材料量。對于單樁如果是上拔控制則只能節(jié)省混凝土和鋼筋量20%～30%左右，對于單樁加連梁基礎(chǔ)，由于后注漿后樁側(cè)土壓力明顯增強，位移減小，故除了節(jié)省樁長外還可以減小連梁的截面尺寸，有效的降低材料量。

第三，充分利用在樁底或樁側(cè)一點注漿，通過漿液擴散、蔓延，可以將樁身10～20 m范圍內(nèi)側(cè)阻力提高的特點，合理設(shè)計樁長，比如普通灌注樁樁長24 m，改為PPG后注漿法后可將樁數(shù)量保持不變，樁長調(diào)整為12 m，這樣設(shè)置一個樁底注漿即可加固整個樁身，減少了材料量50%左右，同時因為大大縮短了樁的設(shè)計長度，方便了施工，降低了施工費用，縮短了工期，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

以輸電線路工程中普通的直線塔和轉(zhuǎn)角塔的作用力為例，進(jìn)行計算比較，得到經(jīng)濟對比如表2所示。

表2 PPG樁與普通灌注樁的技術(shù)經(jīng)濟對比分析

從表2可以看出PPG樁在輸電線路工程中的運用是具有優(yōu)勢的，是經(jīng)濟性與安全合理性的最佳結(jié)合。

7 進(jìn)一步優(yōu)化

考慮到輸電線路的樁基與建筑上用的單純承壓樁，有著很大的不同，除了抵抗下壓力外還要抵抗較大的水平力，因此樁鋼筋量明顯要大，為了能進(jìn)一步降低樁的鋼筋用量，對PPG樁進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，采用了直樁斜插式PPG后注漿樁基礎(chǔ)，即將樁采用插入角鋼(偏心布置)與鐵塔連接，這種方式的優(yōu)點是，由于插入角鋼是偏心插入的，在基礎(chǔ)頂部有一個偏心距，因此使豎向力會對樁體產(chǎn)生一個反向的彎矩，抵消一部分樁端水平作用力對基礎(chǔ)的彎矩，使樁基礎(chǔ)的配筋會相應(yīng)減少，這樣的好處是受力更加合理，柱的偏壓、偏拉配筋都相應(yīng)減少、樁側(cè)土應(yīng)力也相應(yīng)減少，樁頂位移減小，因而基礎(chǔ)更加合理。

這樣做的另一個特點是充分利用了樁基礎(chǔ)的樁徑比較大，能將插入角鋼直接埋入基礎(chǔ)之中，取消了塔腳板和地腳螺栓，節(jié)省了鐵塔鋼材，減少了施工運輸總量。

8 優(yōu)點

通過以上分析得知PPG后注漿樁在輸電線路工程中運用具有以下優(yōu)點:

(1)大幅度提高單樁承載力，單樁承載力可提高40%～100%，可有效的減少樁長和樁徑，降低工程總造價25%～35%，工期可縮短1/3左右，經(jīng)濟效益可觀，應(yīng)用前景廣闊，對于輸電線路工程中常用的人工挖孔樁等均有良好的適用性。

(2)有效減少桿塔沉降，實測數(shù)據(jù)顯示，總沉降量可以降低20%～30%，對于耐張塔可以減少拉壓基礎(chǔ)在軟弱性地基土的沉降差異，減少對桿塔的附加應(yīng)力。

(3)后注漿技術(shù)成熟，該技術(shù)目前已應(yīng)用于全國二十多個省市數(shù)以千計的樁基工程中，有專業(yè)的施工隊伍，施工技術(shù)相對較成熟，是國家《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中明確提倡的新施工工藝工法。

(4)設(shè)計上簡單易行，與普通灌注樁的計算原理基本一致，樁受力機理、加強機理清晰明了，概念準(zhǔn)確可靠。

(5)提高了樁基的可靠性。鉆孔灌注樁屬于隱蔽工程，一些小的塌孔、清底不充分等質(zhì)量問題不易被發(fā)現(xiàn)，影響樁的承載力。采用PPG后注漿可以對可能存在的上述問題進(jìn)行有效的補救，提高了工程的可靠性。

9 結(jié)語

PPG后注漿樁具有承載力大、經(jīng)濟合理、安全可靠、施工簡單易行等特點，在輸電線路工程中運用是具有優(yōu)勢的，是經(jīng)濟性與安全合理性的最佳結(jié)合。相信PPG后注漿直樁斜插式基礎(chǔ)會在以后的輸電線路工程中得到廣泛的應(yīng)用。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5219-2005架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國電力出版社，2005.

[3]劉金波.建筑樁基技術(shù)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.