后注漿樁在黃河大跨越輸電工程中的應(yīng)用研究

何春暉，朱 毅，羅 軍，侯源紅，姜宏璽

(1.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南250001;2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南250013)

后注漿技術(shù)是在樁體混凝土初凝后，用注漿泵將漿液，通過預(yù)置于樁身中的管路壓入樁周或樁端土層中，改善樁土間界面的力學(xué)條件，加固施工樁孔時受到擾動的持力層。近年來，后注漿樁在國內(nèi)民用建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1－3]，但由于規(guī)范中沒有輸電線路工程設(shè)計所需的后注漿樁抗拔、抗水平荷載作用的計算公式和參數(shù)，因此輸電線路后注漿樁的設(shè)計一直是空白。2012年我院開展該課題的攻關(guān)研究[4－5]，推薦了相關(guān)的計算公式和參數(shù)等，首次將后注漿樁技術(shù)應(yīng)用于輸電線路桿塔基礎(chǔ)中。根據(jù)研究課題的結(jié)果，輸電線路后注漿樁可明顯降低灌注樁樁長、樁徑，節(jié)省基礎(chǔ)材料量20%以上，尤其適用于于大跨越基礎(chǔ)承臺樁。鑒于國內(nèi)大跨越輸電線路后注漿基礎(chǔ)尚沒有應(yīng)用實例，因此本文結(jié)合實際工程，對大跨越后注漿灌注樁的設(shè)計進行介紹。

1 工程概況

500 kV油城－黃河輸電線路工程起于山東省東營市油城500 kV變電站，止于東營市黃河500 kV變電站。線路全長98.236 km，其中一般段線路長度94.682 km，黃河大跨越段線路長度3.554 km，全線雙回路。

黃河大跨越段采用“耐－直－直－直－耐”跨越方式設(shè)計，跨越點位于山東省墾利縣。最大設(shè)計水平檔距1 279 m，跨越設(shè)計呼高105 m，導(dǎo)線采用4*AACSR/EST－410/153特強鋼芯鋁合金絞線，地線采用OPGW－240復(fù)合光纜地線。

工程設(shè)計基本風(fēng)速33 m/s，設(shè)計冰區(qū) 15 mm厚。SZK大跨越塔的塔頭結(jié)構(gòu)形式及塔身桿件布置方式見圖1。

圖1 SZK大跨越塔單線圖

大跨越塔位處地形平坦，地貌成因類型為沖積平原，地貌類型為河漫灘、平地。地層結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表1。

表1 地層結(jié)構(gòu)及各層參數(shù)

本工程G148、G149大跨越塔位于黃河漫灘上，主河槽擺動范圍以外。灘地沖刷后的最大水深=灘地一般沖刷水深+桿塔基礎(chǔ)局部沖刷深度=5.06+6.20=11.26 m。按黃河設(shè)防水位11.33 m 來考慮，跨越處河灘地沖刷計算最大沖刷線高程為設(shè)防水位以下11.26 m，最大沖刷線高程 =設(shè)防水位 －最大沖刷深度 =11.33 －11.26=0.07 m，因此跨越處最大沖刷深度=地面高程－最大沖刷線高程=10.7－0.07=10.63 m。

2 基礎(chǔ)技術(shù)特點

2.1 高樁懸臂對土的水平抗力要求高

本工程為500 kV雙回路四分裂大跨越，基礎(chǔ)作用力較大，上拔力為9 900 kN，對應(yīng)雙向水平力均為1 540 kN;下壓力為14 300 kN，對應(yīng)雙向水平力均為2 090 kN。地基土第2層為稍密粉土，地質(zhì)條件較差，樁側(cè)水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)較小，再加上基礎(chǔ)為高樁承臺，受沖刷影響樁的計算懸臂較長。因此水平抗力對于樁基礎(chǔ)的樁徑選擇形成控制，如不加大樁徑，樁頂水平位移會超出規(guī)范的要求[6];如加大樁徑勢必造成樁基礎(chǔ)材料量的增加。但采用后注漿技術(shù)提高樁側(cè)土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)可以有效解決這一問題。

2.2 地震液化對于樁的上拔、下壓的影響

本工程自地表以下2、3、4－1土層為飽和粉土、砂土，均為液化土層，液化深度為14.45 m，液化影響折減系數(shù)為0。對于垂直上拔、下壓工況下?lián)p失作用力較多，造成基礎(chǔ)設(shè)計樁長需要增加到45 m～50 m才能滿足要求。如果采用后注漿技術(shù)，樁側(cè)的壓力注漿液會侵入飽和土的縫隙，驅(qū)趕走間隙水，漿液的粘性會對土顆粒進行固定，可以有效解決地震液化的問題。

2.3 樁端持力層的選擇

本工程地質(zhì)報告提出，第 4、4 －1、4 －2、4 －3、5層土由于其強度、壓縮性、厚度、埋深等條件均不適宜作為樁基持力層，第6、6－1層土具有低壓縮性、強度高、力學(xué)性質(zhì)好等特點，適宜作為持力層。但第5層土厚度為10.2 m，層底埋深為 47.0 m，如果要穿越第5層，樁長將達到50 m，在樁徑被水平力已經(jīng)控制的情況下，加大樁長勢必造成基礎(chǔ)材料量的增加。采用后注漿技術(shù)進行樁端注漿，5層粉質(zhì)黏土的樁端端阻力可以顯著提高，壓縮性顯著減低，滿足樁端持力層壓縮性和強度等各方面的要求，有效縮短樁長，降低基礎(chǔ)材料量。

2.4 長樁對樁側(cè)阻、端阻的影響

本工程沖刷、懸臂較大，樁長經(jīng)過測算大于40 m，而根據(jù)以往的黃河大跨越工程的經(jīng)驗，過長的樁，樁的樁底清渣工藝很難做到將沉渣清理干凈，雖然經(jīng)過多次清渣，最終試驗得到的樁的側(cè)阻和端阻均明顯低于一般的短樁。

表2為河南某黃河大跨越工程的土層情況。

表2 某已建工程地層結(jié)構(gòu)及各層參數(shù) 單位:kPa

最終試驗測得的側(cè)阻力、端阻力及與地質(zhì)報告值對比見表3。

表3 試驗值與地質(zhì)報告值對比 單位:kPa

從表3中可以看出，最終的試驗值不但比預(yù)估值要小，比地質(zhì)報告值也小，究其原因，是由于長樁受施工技術(shù)的影響沉渣過厚，在加載時過早產(chǎn)生位移，樁身摩阻力由靜摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮ΑＨ绻孪葲]有充分考慮長樁的這一特點，仍然采用靜摩擦力進行設(shè)計，必然導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的安全系數(shù)降低。

采用樁端后注漿技術(shù)，高壓漿液將樁端固化，將難以清理的殘渣變?yōu)榛炷翑U大頭，就能直接提高樁的端阻力。

3 大跨越樁基礎(chǔ)的設(shè)計

3.1 計算公式

采用我院的研究成果[4－5，7－9]，后注漿樁抗拔樁的極限承載力標準值可按下列公式計算:

式中:Tuk為基樁抗拔極限承載力標準值;kt為后注漿側(cè)阻力增強系數(shù)的抗拔折減系數(shù)，取0.9;βsi為后注漿側(cè)阻力增強系數(shù);λi為后注漿第i層土抗拔系數(shù);qsik為后注漿第i土層初始極限側(cè)阻力標準值;ui為樁身周長;li為第i層土厚度。

采用我院的研究成果[4－5，7－9]，后注漿樁抗水平荷載作用設(shè)計時，可以按下式計算:

式中:α后為后注漿樁的水平變形系數(shù);k后為后注漿樁的m值增強系數(shù)。

當H0為單位力1時:

當Mo為單位力1時:

地面處樁的水平位移:

地面處樁的轉(zhuǎn)角:

樁頂水平位移:

式中:C后為樁底面地基土豎向抗力系數(shù);A1～D4為影響系數(shù)，根據(jù)樁深查規(guī)范樁影響函數(shù)值表可得。

3.2 計算工況

對于基礎(chǔ)設(shè)置在灘地的基礎(chǔ)，設(shè)計時應(yīng)考慮沖刷、流水壓力、漂流物撞擊等的作用。尤其是黃河還要考慮擁冰堆積作用、冰凌撞擊作用。荷載組合應(yīng)考慮下列情況:

(1)最大風(fēng)的工況組合

采用最大風(fēng)的設(shè)計風(fēng)荷載效應(yīng)，與沖刷效應(yīng)進行疊加。沖刷效應(yīng)作為可變荷載取最大沖刷深度的效應(yīng)乘以可變荷載的組合值系數(shù)，該系數(shù)取0.5～0.7。

(2)最大沖刷的工況組合

采用最大沖刷的效應(yīng)，與風(fēng)荷載效應(yīng)進行疊加。風(fēng)荷載效應(yīng)作為可變荷載取最大風(fēng)荷載的效應(yīng)乘以可變荷載的組合值系數(shù)，該系數(shù)取0.5。

(3)驗算碰撞荷載等的偶然工況組合

采用漂浮物、水流、冰凌等效應(yīng)疊加最大沖刷效應(yīng)作為偶然作用的代表值，最大風(fēng)荷載作為與偶然作用同時出現(xiàn)的可變荷載?？勺兒奢d的組合值系數(shù)取0.5。同時整個組合不乘以荷載分項系數(shù)1.35，即整個組合乘以 1/1.35≈0.75。

經(jīng)過計算，本工程第1和第3工況組合控制樁基礎(chǔ)的材料量。

4 大跨越樁基礎(chǔ)的后注漿設(shè)計優(yōu)化

后注漿對樁側(cè)、樁端土的加固效應(yīng)分為固化效應(yīng)、充填膠結(jié)效應(yīng)和加筋效應(yīng)。

(1)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;

(2)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;

(3)加筋效應(yīng):樁底、樁側(cè)的細粒土因劈裂注漿形成網(wǎng)狀結(jié)石，起到加筋效應(yīng)。

后注漿技術(shù)的優(yōu)點有以下幾點[4－5]:

(1)大幅提高單樁的承載力;

(2)改變沉降曲線線型，提高工程可靠度;

(3)對樁基質(zhì)量進行彌補;

(4)明顯降低樁基沉降;

(5)縮短施工工期，減少施工難度。

4.1 樁徑優(yōu)化

第2層土層為稍密粉土，地質(zhì)條件較差，樁側(cè)水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)較小，控制樁徑的選擇，尤其是對于水平力較大、懸臂較長的大跨越樁基礎(chǔ)。采用樁側(cè)后注漿技術(shù)后，樁側(cè)土被注漿液充填膠結(jié)和產(chǎn)生加筋效應(yīng)而得到加強，水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)可增大 40%[7－9]，經(jīng)過計算，在同等樁數(shù)不變的情況下，樁徑可相應(yīng)減少0.1 m～0.2 m，詳見表4。

采用后注漿樁，樁側(cè)m值可以提高到8 400，樁端的水平位移為5.9 mm，滿足規(guī)范的要求，相比非注漿樁，可以節(jié)省混凝土 477.4 m3，節(jié)省鋼筋55.6 t，經(jīng)濟效益巨大。

SZK大跨越塔的基礎(chǔ)平面布置方式見圖2。

表4 后注漿與非后注漿樁徑優(yōu)化

圖2 SZK大跨越基礎(chǔ)平面圖

4.2 樁長優(yōu)化

在樁徑確定的情況下，在樁的上拔、下壓承載力的計算過程中，樁長一般不會形成控制，樁長通常是由持力層的深度以及沖刷深度來確定的?？煽康某至游恢幂^深，樁長較長，材料量較大。采用后注漿樁后，可以在地質(zhì)報告中推薦的持力層的上部合適的深度選擇土層，通過樁端注漿把原本厚度、壓縮性、強度均不理想的土層變?yōu)榭煽康某至印?/p>

以本工程為例，地質(zhì)報告提出，第5層土由于其強度、壓縮性等條件不適宜作為樁基持力層，但第5層厚度為10.2 m，完全穿透勢必造成較大的浪費。如果直接選擇第5層作為持力層，必然會面臨樁靜載試驗時刺穿持力層，樁側(cè)摩阻力由靜摩阻力變?yōu)榛瑒幽ψ枇Γ瑥亩鴺抖俗?、?cè)阻均小于規(guī)范推薦值的平均值的的問題。采用后注漿樁對樁端注漿后，樁尖下土體可被注漿液固結(jié)2 m～3.5 m，樁端端阻力可以達到 1 200 kPa 以上[7－9]，滿足樁端持力層厚度、壓縮性和強度的要求，詳見下表5。

雖然后注漿樁樁長比非注漿樁短了10.0 m，但提供的下壓抗力比后者提高了15.8%，提供的上拔抗力比后者提高了16.5%，樁基礎(chǔ)材料量可以節(jié)省20%。而且后注漿樁比非注漿樁的可靠性都有所提高。

表5 后注漿與非后注漿樁長優(yōu)化

5 最終方案及經(jīng)濟性對比

樁端注漿方案:由于需要對第5層土層進行加固處理，因此本工程最終采用了樁端樁側(cè)復(fù)式注漿方案，樁端注漿采用2根注漿導(dǎo)管對稱設(shè)置。

樁側(cè)注漿方案:考慮到本工程為4承臺4×4樁布置方式，樁與樁之間距離較小，注漿效果較好，因此本工程最終采用了每隔10 m設(shè)置1道樁側(cè)注漿閥的方式，共布置3層，注漿導(dǎo)管采用DN25鋼管，厚度為 3.25 mm。

樁基礎(chǔ)后注漿布置方案如圖3所示。

圖3 SZK大跨越基礎(chǔ)注漿布置圖

采用后注漿優(yōu)化設(shè)計后的樁基礎(chǔ)與非注漿樁基礎(chǔ)的經(jīng)濟性對比見表6。

表6 后注漿與非后注漿的經(jīng)濟性對比

采用優(yōu)化設(shè)計后的后注漿樁基礎(chǔ)可比非注漿樁減少造價30%。

6 結(jié)語

(1)大跨越樁基礎(chǔ)由于其具有作用力較大、安全性要求較高、基礎(chǔ)材料量較大的特點，尤其適應(yīng)于后注漿樁基礎(chǔ)。采用后注漿樁可以明顯縮小樁長、樁徑，提高單樁承載力，減少基礎(chǔ)沉降，提高可靠性，降低施工難度，是未來輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計上的一個新方向[10－15]。

(2)目前后注漿樁基礎(chǔ)在國內(nèi)大跨越基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)用較少。通過油城－黃河大跨越基礎(chǔ)的后注漿樁的設(shè)計、施工，證明后注漿樁操作簡單，技術(shù)成熟，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，可以在以后的大跨越工程中進行推廣。

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