后注漿技術在輸電線路桿塔基礎建設中的應用

林清海，姜宏璽，曹丹京，金樹，孫宗德，謝廣采

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南市， 250013)

0 引言

大量的民用建筑工程實例表明，后注漿技術可以改善樁的工程性狀，提高樁的受壓承載力。據統計，其受壓承載力的增幅可達50%～260%，工程造價降低25%～50%［1-3］。與民用建筑主要受壓特點不同，輸電線路桿塔基礎要同時滿足上拔、水平力、下壓3種荷載，而國內在這方面的研究較少。

為了解決文獻［2］缺少上拔、水平力荷載作用下后注漿灌注樁的計算方法問題，掌握后注漿技術在輸電線路工程中應用的關鍵環節，本文對輸電線路桿塔基礎應用了后注漿技術，在計算方法、施工工藝方和經濟性等面進行了研究。

1 后注漿技術原理

后注漿技術是在樁體混凝土初凝后，用注漿泵將水泥漿或水泥混合漿液，通過預置于樁身中的管路壓入樁周或樁端土層中，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，增強樁的質量穩定性，減小樁基沉降的一種新技術［4］。后注漿灌注樁的增強效果如下:

(1)產生固化效應。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。

(2)產生充填膠結效應。樁側、樁底的粗粒土因滲入注漿液而充填膠結，其強度顯著提高。

(3)產生加筋效應。樁底、樁側的細粒土因劈裂滲入注漿液形成網狀結石，產生加筋的效果。

2 設計計算方法

2.1 抗拔承載力實驗簡述

在220 kV王莊輸變電工程中，進行了注漿以及非注漿灌注樁在抗拔、水平力、承壓工況下的真型對比實驗，并進行了模型土工實驗。

從實驗測得的數據可知，后注漿灌注樁在抗拔受力時對抗拔側阻力的效果良好，但抗拔時的側阻力增強系數小。這是由于受壓時后注漿灌注樁的樁端增強效果與樁側增強效果相關聯，進一步加強了其樁側阻力值。因此，抗拔時樁側阻力必然比受壓時小，如果工程中在抗拔計算時直接應用規范中的受壓側阻力增強系數，將存在安全隱患。

2.2 抗拔計算方法

根據室內模型土工實驗和現場真型實驗數據計算的后注漿灌注樁抗拔/受壓側阻力增強系數比值如表1所示，實驗測得的抗拔增強系數與文獻［5］中的實驗值吻合。

表1 各土層后注漿灌注樁抗拔與下壓的增強系數Tab.1Intensification factor of pullout and compressive loading for post-grouting pile in each soil

由表1可以看出，從下至上各層土系數比值在0.88～0.94之間，考慮到實驗中作用力未完全傳遞至樁底的情況來進行修正，認為該值與土層具有一定的關聯性，但關聯性不強，可近似認為該值為一固定值。建議該值統一取為0.9，在滿足工程安全需要的前提下方便設計取值。由此可提出后注漿灌注樁的抗拔極限承載力標準值為

式中:kt為側阻力增強系數的抗拔折減系數，取0. 9; λi為抗拔系數。

2.3 水平作用承載力的實驗與分析

以水平位移量10 mm對應的水平承載力作為極限承載力，測得非注漿與注漿灌注樁的水平極限承載力見表2。

實驗現場首層土為粉土，稍密狀態，從實驗測得的數據可知，后注漿灌注樁在承受水平荷載時的增強效果良好，可以有效增強樁的抗水平能力。

表2 水平荷載作用下單樁的極限承載力Tab.2Ultimate bearing capacity for single pile foundation under horizontal load

由于極限承載力不能直接為設計所使用，需要推導出后注漿灌注樁的水平荷載m值增強系數。當樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時，m值為

式中:m為地基土水平土抗力系數的比例系數;νy為樁頂水平位移系數;H為作用于地面的水平力;b0為樁身計算寬度;Y0為水平力作用點的水平位移;E為樁身抗彎剛度。計算得到的m值見表3。

表3 各土層后注漿灌注樁的水平荷載Tab.3Horizontal load of post-grouting pile in each soil

由表3可以看出，后注漿灌注樁對抗水平作用的能力可提高約30%，首層粉土的m值增強系數為1.54，因此建議工程應用中首層土在同樣條件下該值取為1.30～1.50。

2.4 受水平作用的計算方法

(1)水平變形系數。由m值增強系數可知后注漿灌注樁受水

式中:αg為后注漿灌注樁的水平變形系數;kg為后注漿灌注樁的m值增強系數。

(2)樁側土穩定計算。后注漿灌注樁受水平作用的樁側土穩定計算式為

式中:σgy為后注漿灌注樁側土壓應力;σ允為后注漿灌注樁周土抵抗水平作用的計算允許值［6］。

以最常見的樁基礎計算模型為例，后注漿灌注樁的樁側土穩定計算式為

式中:φ、C為樁周土的內摩阻角和凝聚力;γ為樁側土的有效容重;xg0、φg0、M0、H0為后注漿灌注樁地表位置的水平位移、轉角、彎矩、水平力;A1、B1、C1、D1為與深度有關的函數值，具體取值可參考文獻［6］。

3 注漿設計

3.1 注漿裝置設計

后注漿灌注樁的樁側、樁端注漿閥布置設計是個關鍵環節，布置是否合理將直接影響到后注漿的效果以及極限承載力的大小。在布置方案的選擇上，應充分根據現場的地質條件、土層的分類等進行試布置，并結合最終受力要求進行確定。

根據輸電工程上部桿塔的受力特點，采用樁端、樁側復式注漿方式較為合適。其中樁側注漿閥第1道應布置在距樁頂9 m以下、樁底5～15 m以上的位置，注漿閥間距應在6～10 m之間。間距過小則浪費材料，間距過大則注漿液上泛高度不夠。

當有粗粒土時，應將注漿閥設置于粗粒土層下部;對于干作業挖孔樁，應設置于粗粒土層中部。

樁端注漿導管的設置根數應根據樁徑大小進行選擇，對于直徑不大于1.2 m的樁，應沿鋼筋籠圓周對稱設置2根注漿導管;對于直徑在1.2～2.5 m之間的樁，應對稱設置3根。對于直徑大于2.5 m的樁，應對稱設置4根。

輸電線路樁端、樁側復式注漿典型布置方式如圖1所示。

3.2 注漿工藝控制

注漿工藝的控制對于注漿質量具有重要影響，應嚴格按照文獻［2］的要求進行工藝控制。漿液的水灰比應根據土層類別、土的密實度、飽和度、滲透性等確定，水灰比過大容易造成漿液流失;水灰比過小則會增大注漿阻力，降低注漿效果。對于飽和土，水灰比應為0.45～0. 65;對于非飽和土，水灰比應為0.7～0. 9;對于松散碎石土、砂礫，水灰比應為0.5～0.6。

注漿終止壓力應根據土層性質及注漿點深度確定，對于粘性土及粉土，注漿壓力應為3.0～10.0 MPa;對于飽和土層注漿壓力應為1.2～4.0 MPa。軟土應取低值，密實土應取高值。

正確的注漿作業起始時間和順序對于提高后注漿的可靠性和有效性具有重要意義。注漿作業起始時間應于成樁2天后進行，不遲于成樁30天后進行。

圖1 后注漿灌注樁樁側、樁底注漿閥布置Fig.1Grouting valve arrangement at post-grouting pile side and bottom

復式注漿的注漿順序應根據土質情況進行確定，對于飽和土應先樁側注漿后樁端注漿，對于非飽和土應先樁端注漿后樁側注漿，樁側和樁端的注漿間隔時間應不少于2 h。施工工藝流程如圖2所示，主要施工設備和監視測量裝置見表4，人工及材料見表5。

表5 后注漿灌注樁的主要人工與施工材料Tab.5Main labour demand and construction materials for post-grouting piles

4 后注漿灌注樁的適用范圍

4.1 適用樁型

后注漿技術適用于除沉管灌注樁外的各類鉆、挖、沖孔灌注樁，對于干作業的鉆、挖孔灌注樁也有良好的效果［2］。對于110 kV及以上各個電壓等級的送電線路桿塔灌注樁基礎也同樣適用。樁徑越大、樁數越多，經濟性越好。

4.2 適用地質條件

后注漿灌注樁的經濟性受地質條件影響較大，對土層的適用情況詳見表6。

表6 后注漿灌注樁對土層的適用情況Tab.6Applicable condition of post-grouting pile in soil

4.3 適用的作用力

基于實驗結果可知，一般地質條件下(以粉土、粉質粘土為主，夾雜部分淤泥質土)，當直線塔基礎的上拔力為700 kN、下壓力為850 kN以上，或者轉角塔基礎上拔力為600 kN、下壓力為750 kN以上時，采用后注漿灌注樁的經濟性優于普通灌注樁，作用力越大后注漿灌注樁的經濟性指標越優。

5 工程應用的經濟性對比

后注漿灌注樁較適用于承臺灌注樁基礎，對于單樁或單樁帶連梁樁基礎也適用。單樁基礎樁徑、樁長均較小時，采用后注漿灌注樁的經濟性效果不明顯;基于實驗結果測算可知，一般地質條件下當設計樁徑≤0.8 m，同時設計樁長≤15 m、單樁混凝土量≤15 m3時，使用后注漿灌注樁的經濟性優勢不明顯;當土層完全以淤泥或淤泥質土為主時，采用后注漿灌注樁的經濟優勢不明顯。

具有代表性的鐵塔塔型、地質條件、樁型下的對比指標分析測算結果見表7。

表7 工程應用指標分析Tab.7Analysis of engineering application index

由表7可見，采用后注漿灌注樁可以有效減少樁徑、樁數、承臺體積(樁長)，減少混凝土和鋼筋用量，經濟效益可觀。隨著后注漿灌注樁在輸電工程中的普及，后注漿費用也會逐漸降低，整體優勢將更加明顯。

6 Q-s曲線與位移

由實驗得到的受壓Q-s曲線如圖3所示，后注漿灌注樁在6 264 kN極限荷載作用下的極限位移為17 mm，且50%為可以恢復的樁身彈性變形位移，而非注漿灌注樁在3 396 kN極限荷載作用下的極限位移為45 mm，90%為不可恢復的樁土間相對破壞位移。

圖3 受壓Q-s曲線Fig.3Q-s compression curves

抗拔Q-s曲線如圖4所示，后注漿灌注樁的曲線接近按線彈性發展，而非注漿灌注樁的曲線按彈塑性發展。

圖4 抗拔Q-s曲線Fig.4Q-s pullout curves

由圖3～4可知，后注漿灌注樁在受壓、抗拔工況下的位移較非注漿灌注樁小40%～80%。對于輸電線路桿塔，拉、壓基礎的拉、壓位移疊加后的不均勻位移，會造成上部桿件產生一定的附加應力［7］，而后注漿灌注樁的極限位移較小，可以解決這一問題。

7 結論

(1)實驗證明，輸電線路工程采用后注漿灌注樁技術后，樁的受壓承載力可以提高80%～150%，樁的抗拔承載力可以提高30%～50%，樁的受水平作用承載力可以提高30%～50%，節省工程造價15%～35%，尤其適用于660 kV及以上的特高壓工程和500 kV及以上的大跨越工程。

(2)后注漿灌注樁的抗拔側阻力增強系數雖然無法等同于受壓側阻力增強系數，但二者之間存在著關聯性，通過設置簡單的折減系數可以計算出后注漿灌注樁的抗拔極限承載力。

(3)后注漿灌注樁的抵抗水平作用的性能明顯優于非注漿灌注樁。

(4)后注漿灌注樁的破壞型式為延性，而非注漿灌注樁的破壞型式為脆性。在取相同安全系數的前提下，后注漿灌注樁的實際可靠度比非注漿灌注樁高。

(5)后注漿灌注樁作為文獻［2］推薦的一種新型樁基礎型式，具有計算方法簡單、施工技術成熟、施工操作簡單、附加費用低、可靠性高、沉降量小、承載力增幅大、經濟效益顯著等優點［8］，實驗證明，這些優點在輸電線路工程中也同樣適用，后注漿技術在未來的輸電線路工程中具有廣闊的推廣應用前景。

［1］國家電力公司東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［2］JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［3］馬天抒，龔維明，戴國亮.黃土地區后壓漿鉆孔灌注樁承載力特性實驗研究［J］.巖土力學，2009，30(S2):362-366.

［4］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.

［5］張忠苗，何景愈，鄒健.軟土中注漿與未注漿抗拔樁受力性狀對比實驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2010(29):2566-2572.

［6］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.

［7］姜宏璽，孫宗德.后注漿灌注樁在輸電線路工程中應用的探討［J］.山東電力技術，2010(3):66-69.

［8］劉青，韓曉雷，董群，等.灌注樁后壓漿技術使用前后對比研究［J］.工程勘察，2009(10):19-23.

(編輯:張磊)