后注漿灌注樁在輸電線路工程中應用的探討

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

灌注樁基礎是輸電線路中針對軟弱地基土等特殊地質條件下采用的一種基礎型式。普通鉆(沖、挖)孔灌注樁以其適應性強、成本適中、后期質量穩定、承載力大等優點廣泛地應用于輸電線路工程中，但樁基礎的費用比普通開挖基礎要高很多，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，將會是一種經濟性和安全合理性的最佳結合。

2008年我國新修訂的《建筑樁基技術規范》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被廣泛采用的新的樁基型式，應用于北京國家體育場(鳥巢)、中央電視臺新址等重要工程，經濟合理、安全可靠，如果將其應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)是目前建筑行業極力推廣的一種新型的樁基型式，也是規范推薦的新的樁基施工工藝。PPG技術最早出現于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。PPG后注漿技術是在樁體混凝土初凝后，通過在樁底、樁側用注漿泵將水泥漿或水泥與其他材料的混合漿液，通過預置于樁身中的管路壓入樁周或樁端土層中，樁側注漿會使樁土間界面的幾何和力學條件得以改善，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，增強樁承載狀態的穩定，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。

2 工作原理

PPG后注漿樁的增強機理:

1)后注漿對樁側、樁端土的加固效應。

固化效應:樁底沉渣及樁側泥皮因漿液滲入發生物理化學作用而固化。

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

加筋效應:樁底、樁側的細粒土因劈裂注漿形成網狀結石，顯示加筋效應。

2)后注漿對樁側阻力、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的側阻力增長20%～80%；樁底、樁側復式注漿可使側阻、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分別為后注漿側阻力、端阻力增強系數，對于中砂，βsi規范取值在1.7～2.1，βp規范取值在2.6～3.0，經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。同樣因為有了側阻力增強系數βsi，單樁承載力可以達到原來的1.4～2.1倍。

4 工程應用中的技術經濟對比

PPG后注漿樁在工程中已經有了廣泛的應用，表1中所列的是在北京地區部分具有代表性后注漿工程的實驗對比結果。

從表中可以看出，根據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樁與普通樁的經濟性對比

5 在輸電線路中應用的探討

輸電線路中的樁基設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，根據輸電線路的具體特點對PPG樁進行具體分析。

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規范取值在1.7～2.1，βp規范取值在2.6～3.0，這樣修正后的單樁承載力可提高1.9倍左右，理論上可以節省樁長50%左右，節省混凝土和鋼筋量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承載力可以大40%～100%，節省混凝土和鋼筋量30%～40%左右。

5.2 上拔承載力計算

從理論上分析，樁側壓力灌漿既使樁側的泥皮與土進行了混合與擠密處理，又使土體與樁身混凝土聯結成整體，漿液硬化后的結石還會在樁側形成楔體。這些都會使樁與土之間的磨擦面積增大，提高側摩阻力。這一優勢可以適用于抗拔樁設計當中。

從計算上來看，對于PPG樁的抗拔能力，規范中5.3.10條只給了單樁極限承載力的計算公式，沒有明確區分上拔和下壓承載力計算公式，為此請教了《建筑樁基技術規范》的編寫者——劉金波博士，得到的結論是:采用樁側注漿能提高抗拔承載力，計算范圍按規范即可，最大可取12 m，側阻力增強系數應取規范規定的低值。以中砂為例，βsi規范取值在1.7～2.1，上拔時取1.7，以樁側土全部為中砂為例，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承載力可以大25%～70%，節省混凝土和鋼筋量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結合工程實際，通過實驗來驗證增強系數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，需要考慮樁側土穩定計算，當地表有較厚的淤泥層時，位移和樁側土壓力會不滿足，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，樁側土被明顯壓實、加固，抵抗樁側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置連梁來協調4個塔腿抵抗水平力，采用后注漿后對樁側軟弱土的固化、加筋效果使樁側土壓力、樁頭位移得到明顯改善，從而使樁間的聯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。線路基礎規范要求在環境對基礎有腐蝕作用時混凝土不允許出現裂縫，樁基礎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，經濟性較差。采用后注漿工藝后，可以考慮調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整到對樁基礎先施加一定應力之后，混凝土受拉超過彈塑性變形后會開裂，然后進行后注漿，后注漿的漿液會填補樁身受拉后的產生的裂縫，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現最終沉降量在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，另一方面，由于注漿需較高的壓力，一般大于1MPa，相當于大約100 m高的水頭壓力，對樁端土進行了預壓和加固，因此采用PPG后注漿后由于沉降對上部桿塔產生的附加應力很小。

5.6 樁施工質量問題

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量的穩定性。對于一些樁基施工中出現的塌空等質量問題，后注漿都可以進行有效的彌補，提高樁基的安全度。

6 設計中的一些觀點和分析

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

其次，在設計中要充分利用PPG樁的特點，PPG樁在承壓時樁端、樁側都可以修正提高，而上拔時只是樁側修正，因此PPG樁承壓時節省材料量要更明顯，而抗拔時要稍差些。在工程中可以根據這個特點進行設計，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省混凝土和鋼筋量20%～30%左右，對于單樁加連梁基礎，由于后注漿后樁側土壓力明顯增強，位移減小，故除了節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一點注漿，通過漿液擴散、蔓延，可以將樁身10～20 m范圍內側阻力提高的特點，合理設計樁長，比如普通灌注樁樁長24 m，改為PPG后注漿法后可將樁數量保持不變，樁長調整為12 m，這樣設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，具有良好的經濟效益和社會效益。

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

表2 PPG樁與普通灌注樁的技術經濟對比分析

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

7 進一步優化

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，為了能進一步降低樁的鋼筋用量，對PPG樁進行了進一步優化，采用了直樁斜插式PPG后注漿樁基礎，即將樁采用插入角鋼(偏心布置)與鐵塔連接，這種方式的優點是，由于插入角鋼是偏心插入的，在基礎頂部有一個偏心距，因此使豎向力會對樁體產生一個反向的彎矩，抵消一部分樁端水平作用力對基礎的彎矩，使樁基礎的配筋會相應減少，這樣的好處是受力更加合理，柱的偏壓、偏拉配筋都相應減少、樁側土應力也相應減少，樁頂位移減小，因而基礎更加合理。

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

8 優點

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，經濟效益可觀，應用前景廣闊，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，實測數據顯示，總沉降量可以降低20%～30%，對于耐張塔可以減少拉壓基礎在軟弱性地基土的沉降差異，減少對桿塔的附加應力。

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

(4)設計上簡單易行，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、清底不充分等質量問題不易被發現，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行有效的補救，提高了工程的可靠性。

9 結語

PPG后注漿樁具有承載力大、經濟合理、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勢的，是經濟性與安全合理性的最佳結合。相信PPG后注漿直樁斜插式基礎會在以后的輸電線路工程中得到廣泛的應用。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 94-2008建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[2]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 5219-2005架空送電線路基礎設計技術規定[S].北京:中國電力出版社，2005.

[3]劉金波.建筑樁基技術規范理解與應用[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.