輸電線路工程預應力灌注樁防蝕設計及施工工藝

談 磊， 寧帥朋， 韓麗婷

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102; 2. 南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 211800)

輸電線路工程預應力灌注樁防蝕設計及施工工藝

談 磊1， 寧帥朋1， 韓麗婷2

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102; 2. 南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 211800)

鹽漬土地區(qū)地下水腐蝕作用會嚴重降低輸電線路工程樁基的耐久性。預應力灌注樁通過樁身增設預應力筋，采用有粘結后張法施加預應力，顯著地改善了結構的耐久性。通過算例發(fā)現(xiàn)預應力筋的增設可以有效提高樁身裂縫控制等級，減少基礎材料用量。采用復合材料護筒代替鋼護筒，降低了工程造價，減少了現(xiàn)場工作量。本文給出了預應力灌注樁的設計方法、施工流程以及預應力鋼筋籠的制作和力筋的張拉與錨固兩項關鍵工藝的施工要點。

灌注樁；強腐；預應力；玻璃鋼護筒；施工工藝

0 前言

目前工程應用較多的基礎防腐[1-4]技術包括隔離防腐[5,6]、抗裂防腐[7]、密實防腐[8,9]和鋼筋阻銹[10]等。2012年國家電網直流建設部關于哈密南—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程專門召開基礎防腐措施討論會，初步形成了線路工程腐蝕地區(qū)基礎設計方案。對于強腐蝕地區(qū)方案要求混凝土強度等級為C40，最大水膠比0.36，最小水泥用量340 kg/m3；開挖基礎表面及其墊層頂面全部采用防腐蝕涂層(HCPE)進行防護，厚度不小于300 μm；墊層混凝土最低強度等級C25，最小厚度100 mm；灌注樁基礎[11-13]鋼筋混凝土保護層最小厚度65 mm；Cl-強腐蝕地區(qū)的基礎混凝土中應添加鋼筋阻銹劑。針對強腐蝕地區(qū)，根據(jù)工程經驗，在水位變化區(qū)域增設鋼護筒提高樁基耐久性。

提高混凝土致密性和涂刷防腐涂層是增強樁身耐久性的兩種方式，然而樁身混凝土在拉力或彎矩作用下出現(xiàn)裂縫，樁身的耐久性將大打折扣。預應力混凝土結構是改善構件抗裂性的有效途徑。預應力在樁基工程中應用較少，主要為預應力管樁[14]。預應力管樁現(xiàn)場施工需要大型機械進行送樁，對于輸電線路工程施工成本較高，不利于推廣。天津市建科院[15]針對沿海地區(qū)環(huán)境，首次提出灌注樁施加預應力的施工工藝，解決建筑物上浮的抗拔樁問題。采用灌注樁與預應力結合的方式能有效降低線路工程施工對大型機械的要求，降低施工成本。

1 預應力灌注樁概況

預應力灌注樁防腐的設計理念是控制樁身受力，通過增設預應力筋，使樁身在受拉力或彎矩作用下混凝土處于持續(xù)受壓的狀態(tài)，不產生受力裂縫，降低腐蝕水體侵入到混凝土內部的速率，改善樁身防腐性能。

預應力采用有粘結后張法進行施加。預應力筋孔道注漿，可以提高預應力筋的耐腐蝕性，保證力筋的張拉效果，減少預應力損失。

一般情況下，在地表4～6 m以下鹽漬土含鹽量相對地表的超強鹽漬土降低較多。對于樁長較大的灌注樁，預應力筋可僅布置在樁身上部受彎易開裂且樁身周邊土層存在侵蝕水體區(qū)域。

2 預應力灌注樁設計

2.1 下壓樁設計

2.1.1 單樁豎向極限承載力

單樁豎向極限承載力標準值Quk，可按式(1)計算：

Quk=qpkAp+u∑qsikli

(1)

式中：qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；Ap為樁底橫截面面積；u為樁身周邊長度；li為第i層土的厚度。

單樁豎向承載力特征值Ra，可按式(2)計算：

Ra=Quk/K

(2)

式中：K為安全系數(shù)，取K=2。

2.1.2 樁身配筋計算

預應力灌注樁的縱向受力鋼筋，由普通鋼筋以及部分預應力鋼筋組成，沿周邊間隔均勻布置。對于圓形截面鋼筋混凝土樁，其正截面受彎承載力應符合以下規(guī)定：

(3)

(4)

αt=1.25-2α

(5)

式中：Mmax為樁身最大彎矩；A為樁截面面積；r為樁半徑；α為應于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角與2的比值；As為全部縱向普通鋼筋的截面積；fpy為預應力筋的抗拉強度設計值；Ap為全部縱向預應力筋的截面積；rs為縱向鋼筋重心所在圓周的半徑；αt為縱向受拉鋼筋截面積與全部縱向鋼筋截面積的比值。

2.1.3 樁身抗裂驗算

結構受力裂縫控制等級分為三級，普通灌注樁樁身裂縫控制等級為三級。預應力灌注樁建議控制等級為一級，即混凝土不產生拉應力進行設計。樁的裂縫驗算按式(6)計算：

σck-σpc≤0

(6)

式中：σck為抗裂驗算邊緣的混凝土法向應力；σpc為扣除全部預應力損失后抗裂算邊緣混凝土的預壓應力。

混凝土法向應力按式(7)計算：

σck=Mmax/W

(7)

式中：W為樁截面慣量。

2.2 上拔樁設計

單樁抗拔豎向極限承載力標準值Tuk，按式 (8) 計算：

Tuk=u∑iqsikli

(8)

抗拔樁的配筋計算見公式 (9)：

T≤fyAs+fpyAp

(9)

式中：T為樁頂拉力?？拱螛兜目沽羊炈闩c下壓樁相同。

2.3 算例

為對比鉆孔(挖孔)灌注樁與預應力灌注樁的差異，分別對兩種樁型進行配筋計算及抗裂驗算，比較分析預應力灌注樁的經濟性及抗裂性能。

樁身混凝土采用C40，普通受力鋼筋采用HRB335，預應力筋采用預應力螺紋鋼筋，屈服強度標準值fpyk取1080 N/m2，箍筋采用HPB300。桿塔采用國家電網典型設計的2F4-SJ1，呼高15 m，桿塔的基礎作用力如表1所示，工程所在地地質條件如表2所示，設計結果比較如表3所示。表3中Nmax為最大下壓力；Nx,Ny分別為最大下壓力對應的x，y方向的水平力；Tmax為最大上拔力；Tx，Ty分別為最大上拔力對應的x，y方向的水平力。

表1 桿塔基礎作用力Table 1 Forces of tower foundation

表2 主要巖土設計參數(shù)Table 2 Main geotechnical parameters

表3 樁基設計結果比較Table 3 Comparison of pile foundation design results

從表3可以看出：

(1) 對于普通灌注樁，可以通過增大配筋面積控制樁身裂縫。在不考慮樁身裂縫的情況下，單樁的鋼筋用量為0.83 t。為將樁身裂縫控制在0.2 mm以下，單樁鋼筋用量增至1.24 t，增加了將近50%。說明采用增設普通鋼筋的方式控制裂縫，以此來提高樁身的耐久性是非常不經濟的。

(2) 采用預應力灌注樁，在不開裂的情況下，鋼筋用量增至1.01 t，相比于采用增大配筋控制裂縫的方式，減少了18%的鋼筋用量。在整個壽命周期，樁身混凝土始終處于受壓的狀態(tài)，顯著地改善了樁身的耐久性。

3 GFRP護筒

對于常規(guī)的隔離防腐一般采用鋼護筒的形式，成本較高。本文推薦采用玻璃纖維增強塑料(glass-fiber reinforced plastic，GFRP)護筒。

采用GFRP護筒的主要作用是將樁基與腐蝕環(huán)境隔離，直接降低樁身與腐蝕鹽類的接觸。同時GFRP護筒可以起到穩(wěn)定孔壁、防止坍孔、固定樁位及保護操作原地面的作用[16]，如圖1所示。

圖1 預應力灌注樁Fig.1 Prestressed cast-in-place pile

與鋼護筒相比，GFRP材料本身防腐性能較高，表面無需進行防腐處理，減少了現(xiàn)場工作量。對于不同的地質條件，可根據(jù)線路環(huán)境選擇合適的基體材料。

GFRP護筒埋設深度可根據(jù)地質、地下水位、鹽漬土豎向的分布確定。一般情況下，在地表4～6 m以下鹽漬土含鹽量相對地表的超強鹽漬土降低較多，因此護筒埋設深度建議取5～8 m。GFRP護筒厚度可根據(jù)樁徑和管材規(guī)格進行選擇，建議壁厚選取在20～50 mm之間。GFRP護筒每米造價僅為鋼護筒的50%左右。

由于城鎮(zhèn)直埋供熱管道外殼一般為“玻璃鋼”，材料屬性與GFRP屬性近似，所以GFRP護筒區(qū)域側阻力計算方法建議參照“GJJ/T81—2013城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程”關于管道摩擦力的計算方法進行設計校核。GFRP護筒與土層之間單位長度的側阻力計算見式(10)和式(11)：

(10)

K0=1-sinφ

(11)

式中：F為單位長度摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；Dh為護筒外徑；K0為土壓力系數(shù)；φ為土內摩擦角；γ為土的重度，地下水位線以下取浮重度。

GFRP管材管壁的粗糙度較低，為提高GFRP護筒樁的側阻力，可以通過一些構造措施，如增設表面凹槽，提高護筒與土體及混凝土之間的機械咬合力。

對于人工挖孔樁，GFRP護筒的埋設可以采用挖坑埋設法；對于鉆孔灌注樁，可以采用擴孔放置法。挖坑埋設GFRP護筒的過程為：

(1) 開挖埋設GFRP護筒的土層，開挖時以樁中心為圓心，開挖半徑取GFRP護筒半徑200～300 mm，挖至設計埋深。

(2) 人工配合吊機吊放GFRP護筒就位，可采用十字交叉法校正GFRP護筒的位置，控制GFRP護筒中心線偏位≤50 mm，垂直度偏差≤1%。輕壓就位后的護筒，使其頂面水平、四周穩(wěn)固。

(3) GFRP護筒內澆筑混凝土，在此過程中不斷校核GFRP護筒的平面位置和垂直度，直至埋設結束。

GFRP護筒樁擴孔放置法施工流程與挖坑埋設法的不同之處在于，先鉆孔，后放置GFRP護筒：

(1) 旋挖鉆機鉆孔，對于埋設GFRP護筒的土層，鉆孔時以樁中心為圓心，半徑取GFRP護筒半徑200～300 mm。

(2) 同挖坑埋設法的步驟(2)和(3)。

成樁后，GFRP護筒作為結構防腐的一部分，不得取出，且其頂部應與設計樁頭平齊，即確保GFRP護筒伸入承臺中且深度不小于100～150 mm。GFRP護筒的頂端宜高出地面300 mm。

利用管約束核心混凝土,除具有高效、施工便捷及耐腐蝕性好等優(yōu)點外，還表現(xiàn)出：(1) 管的約束作用使核心混凝土處于三向受力狀態(tài)，橫向變形受到限制，承載能力得到了提高；(2) 混凝土能緩解管這種薄壁構件的屈曲[16]。

4 預應力灌注樁施工工藝

預應力灌注樁施工工藝流程見圖2。與常規(guī)灌注樁相比，其主要區(qū)別在于預應力鋼筋籠的制作及力筋的張拉與錨固。

4.1 鋼筋籠制作及放置

預應力筋外套波紋管與普通鋼筋、箍筋一同綁扎。預應力筋和普通鋼筋沿樁周均勻間隔布置。波紋管需用定位筋固定牢固，每40 cm設置一道U字形架立筋，以免在混凝土澆筑過程中發(fā)生移位。

預應力筋底部可采用螺絲端桿錨具，保證后續(xù)能有效張拉預應力。力筋與孔道要求完全對中，且與樁身長度方向完全平行。波紋管底部需進行密封，防止混凝土澆筑過程中，進入波紋管內。錨具涂刷油漆類防腐涂料進行防腐處理。

對于多節(jié)鋼筋籠，可將首節(jié)鋼筋籠下放至鉆孔，于孔位位置焊接普通鋼筋，套筒連接預應力筋，同時保證波紋管連接的密實性。

圖2 預應力灌注樁施工流程Fig.2 Construction flow of prestressed cast-in-place pile

4.2 力筋的張拉與錨固

對于預應力灌注樁，由于樁身完成澆筑后，底部錨具無法再調整，對底部錨具的安全性要求較高。

待混凝土強度達到設計強度的70%方可進行力筋的張拉。張拉前必須對混凝土強度、構件端部預埋件等進行全面校核。

圖3 夾片錨具配套示意圖Fig.3 Schematic diagram of clip anchor

預應力灌注樁上部張拉端一般采用帶錐孔錨板的夾片錨具，如圖3所示。張拉時，每個錐孔穿進一根鋼筋，張拉后各自采用夾片將孔中的鋼筋抱夾錨固，每個錐孔各自成為一個獨立的錨固單元。

預應力的張拉采用雙控，以張拉力控制為主，校核鋼筋實際伸長量。張拉順序采用分批對稱張拉。錨固階段錨具和力筋的內縮量應符合設計要求。

力筋張拉完成后，孔道注漿。注漿液采用高強、微膨脹水泥基注漿液，注漿壓力大于2 MPa。在高應力作用下，預應力筋容易生銹，力筋張拉完成后，應盡快注漿。

5 結語

預應力灌注樁采用后張法有粘結預應力的工藝對灌注樁施加預應力，主要有以下優(yōu)點：(1) 樁身混凝土持續(xù)處于受壓的狀態(tài)，不產生受力裂縫；降低腐蝕水體侵入到混凝土內部的速率，顯著地提高了樁身防腐性能。(2) 增設GFRP護筒，將樁基與腐蝕環(huán)境隔離，與鋼護筒相比，造價降低50%左右。(3) 增設預應力筋，減少樁身混凝土和鋼筋的用量，降低工程造價。

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談 磊

談 磊 (1974—)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事輸電線路桿塔結構設計及研究(E-mail:lvjian@jspdi. com.cn )；

寧帥朋(1993—)，男，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，從事線路結構設計 (E-mail:ningshuaipeng@163.com)；

韓麗婷(1971—)，女，江蘇南京人，副教授，從事土木工程領域科研及教學工作(E-mail: han-liting@163.com)。

(編輯陳 娜)

Anti-corrosionDesignandConstructionTechnologyforPrestressedCast-in-placePilewithSeriousCorrosioninTransmissionLineTowers

TAN Lei1， NING Shuaipeng1， HAN Liting2

(1. China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd., Nanjing 211102, China；2. College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

Due to serious corrosion of ground water in saline soil area, the durability of pile foundation is seriously reduced in transmission line towers. Prestressed cast-in-place pile, which was reinforced with prestressing tendon in pile body and applied prestress by the post tension method, provides significant improvement in construction durability. Through numerical examples, it is found the additional prestressing tendon can effectively increase pile body crack-control level and reduce material dosage in foundations. The advantage of GFRP guard barrel replacing steel guard barrel are narrated with the reduction of the construction costs and the local workload. The design method of prestressed cast-in-place pile, construction process and manufacture method of prestressed steel cage with tensioning and anchoring constructions control points are recommend in the paper.

cast-in-place pile; serious corrosion; GFRP guard barrel; construction technology

TU448

A

2096-3203(2017)06-0063-05

2017-07-05；

2017-08-31

江蘇省產學研前瞻性聯(lián)合研究項目(-S-B-Y-2-0-1-6-0-20488)