后注浆技术在输电线路杆塔基础建设中的应用

林清海，姜宏玺，曹丹京，金树，孙宗德，谢广采

(山东电力工程咨询院有限公司，济南市， 250013)

0 引言

大量的民用建筑工程实例表明，后注浆技术可以改善桩的工程性状，提高桩的受压承载力。据统计，其受压承载力的增幅可达50%～260%，工程造价降低25%～50%［1-3］。与民用建筑主要受压特点不同，输电线路杆塔基础要同时满足上拔、水平力、下压3种荷载，而国内在这方面的研究较少。

为了解决文献［2］缺少上拔、水平力荷载作用下后注浆灌注桩的计算方法问题，掌握后注浆技术在输电线路工程中应用的关键环节，本文对输电线路杆塔基础应用了后注浆技术，在计算方法、施工工艺方和经济性等面进行了研究。

1 后注浆技术原理

后注浆技术是在桩体混凝土初凝后，用注浆泵将水泥浆或水泥混合浆液，通过预置于桩身中的管路压入桩周或桩端土层中，加固桩底和桩周一定范围的土体，以大幅度提高桩的承载力，增强桩的质量稳定性，减小桩基沉降的一种新技术［4］。后注浆灌注桩的增强效果如下:

(1)产生固化效应。桩底沉渣及桩侧泥皮因浆液渗入发生物理化学作用而固化。

(2)产生充填胶结效应。桩侧、桩底的粗粒土因渗入注浆液而充填胶结，其强度显著提高。

(3)产生加筋效应。桩底、桩侧的细粒土因劈裂渗入注浆液形成网状结石，产生加筋的效果。

2 设计计算方法

2.1 抗拔承载力实验简述

在220 kV王庄输变电工程中，进行了注浆以及非注浆灌注桩在抗拔、水平力、承压工况下的真型对比实验，并进行了模型土工实验。

从实验测得的数据可知，后注浆灌注桩在抗拔受力时对抗拔侧阻力的效果良好，但抗拔时的侧阻力增强系数小。这是由于受压时后注浆灌注桩的桩端增强效果与桩侧增强效果相关联，进一步加强了其桩侧阻力值。因此，抗拔时桩侧阻力必然比受压时小，如果工程中在抗拔计算时直接应用规范中的受压侧阻力增强系数，将存在安全隐患。

2.2 抗拔计算方法

根据室内模型土工实验和现场真型实验数据计算的后注浆灌注桩抗拔/受压侧阻力增强系数比值如表1所示，实验测得的抗拔增强系数与文献［5］中的实验值吻合。

表1 各土层后注浆灌注桩抗拔与下压的增强系数Tab.1Intensification factor of pullout and compressive loading for post-grouting pile in each soil

由表1可以看出，从下至上各层土系数比值在0.88～0.94之间，考虑到实验中作用力未完全传递至桩底的情况来进行修正，认为该值与土层具有一定的关联性，但关联性不强，可近似认为该值为一固定值。建议该值统一取为0.9，在满足工程安全需要的前提下方便设计取值。由此可提出后注浆灌注桩的抗拔极限承载力标准值为

式中:kt为侧阻力增强系数的抗拔折减系数，取0. 9; λi为抗拔系数。

2.3 水平作用承载力的实验与分析

以水平位移量10 mm对应的水平承载力作为极限承载力，测得非注浆与注浆灌注桩的水平极限承载力见表2。

实验现场首层土为粉土，稍密状态，从实验测得的数据可知，后注浆灌注桩在承受水平荷载时的增强效果良好，可以有效增强桩的抗水平能力。

表2 水平荷载作用下单桩的极限承载力Tab.2Ultimate bearing capacity for single pile foundation under horizontal load

由于极限承载力不能直接为设计所使用，需要推导出后注浆灌注桩的水平荷载m值增强系数。当桩顶自由且水平力作用位置位于地面处时，m值为

式中:m为地基土水平土抗力系数的比例系数;νy为桩顶水平位移系数;H为作用于地面的水平力;b0为桩身计算宽度;Y0为水平力作用点的水平位移;E为桩身抗弯刚度。计算得到的m值见表3。

表3 各土层后注浆灌注桩的水平荷载Tab.3Horizontal load of post-grouting pile in each soil

由表3可以看出，后注浆灌注桩对抗水平作用的能力可提高约30%，首层粉土的m值增强系数为1.54，因此建议工程应用中首层土在同样条件下该值取为1.30～1.50。

2.4 受水平作用的计算方法

(1)水平变形系数。由m值增强系数可知后注浆灌注桩受水

式中:αg为后注浆灌注桩的水平变形系数;kg为后注浆灌注桩的m值增强系数。

(2)桩侧土稳定计算。后注浆灌注桩受水平作用的桩侧土稳定计算式为

式中:σgy为后注浆灌注桩侧土压应力;σ允为后注浆灌注桩周土抵抗水平作用的计算允许值［6］。

以最常见的桩基础计算模型为例，后注浆灌注桩的桩侧土稳定计算式为

式中:φ、C为桩周土的内摩阻角和凝聚力;γ为桩侧土的有效容重;xg0、φg0、M0、H0为后注浆灌注桩地表位置的水平位移、转角、弯矩、水平力;A1、B1、C1、D1为与深度有关的函数值，具体取值可参考文献［6］。

3 注浆设计

3.1 注浆装置设计

后注浆灌注桩的桩侧、桩端注浆阀布置设计是个关键环节，布置是否合理将直接影响到后注浆的效果以及极限承载力的大小。在布置方案的选择上，应充分根据现场的地质条件、土层的分类等进行试布置，并结合最终受力要求进行确定。

根据输电工程上部杆塔的受力特点，采用桩端、桩侧复式注浆方式较为合适。其中桩侧注浆阀第1道应布置在距桩顶9 m以下、桩底5～15 m以上的位置，注浆阀间距应在6～10 m之间。间距过小则浪费材料，间距过大则注浆液上泛高度不够。

当有粗粒土时，应将注浆阀设置于粗粒土层下部;对于干作业挖孔桩，应设置于粗粒土层中部。

桩端注浆导管的设置根数应根据桩径大小进行选择，对于直径不大于1.2 m的桩，应沿钢筋笼圆周对称设置2根注浆导管;对于直径在1.2～2.5 m之间的桩，应对称设置3根。对于直径大于2.5 m的桩，应对称设置4根。

输电线路桩端、桩侧复式注浆典型布置方式如图1所示。

3.2 注浆工艺控制

注浆工艺的控制对于注浆质量具有重要影响，应严格按照文献［2］的要求进行工艺控制。浆液的水灰比应根据土层类别、土的密实度、饱和度、渗透性等确定，水灰比过大容易造成浆液流失;水灰比过小则会增大注浆阻力，降低注浆效果。对于饱和土，水灰比应为0.45～0. 65;对于非饱和土，水灰比应为0.7～0. 9;对于松散碎石土、砂砾，水灰比应为0.5～0.6。

注浆终止压力应根据土层性质及注浆点深度确定，对于粘性土及粉土，注浆压力应为3.0～10.0 MPa;对于饱和土层注浆压力应为1.2～4.0 MPa。软土应取低值，密实土应取高值。

正确的注浆作业起始时间和顺序对于提高后注浆的可靠性和有效性具有重要意义。注浆作业起始时间应于成桩2天后进行，不迟于成桩30天后进行。

图1 后注浆灌注桩桩侧、桩底注浆阀布置Fig.1Grouting valve arrangement at post-grouting pile side and bottom

复式注浆的注浆顺序应根据土质情况进行确定，对于饱和土应先桩侧注浆后桩端注浆，对于非饱和土应先桩端注浆后桩侧注浆，桩侧和桩端的注浆间隔时间应不少于2 h。施工工艺流程如图2所示，主要施工设备和监视测量装置见表4，人工及材料见表5。

表5 后注浆灌注桩的主要人工与施工材料Tab.5Main labour demand and construction materials for post-grouting piles

4 后注浆灌注桩的适用范围

4.1 适用桩型

后注浆技术适用于除沉管灌注桩外的各类钻、挖、冲孔灌注桩，对于干作业的钻、挖孔灌注桩也有良好的效果［2］。对于110 kV及以上各个电压等级的送电线路杆塔灌注桩基础也同样适用。桩径越大、桩数越多，经济性越好。

4.2 适用地质条件

后注浆灌注桩的经济性受地质条件影响较大，对土层的适用情况详见表6。

表6 后注浆灌注桩对土层的适用情况Tab.6Applicable condition of post-grouting pile in soil

4.3 适用的作用力

基于实验结果可知，一般地质条件下(以粉土、粉质粘土为主，夹杂部分淤泥质土)，当直线塔基础的上拔力为700 kN、下压力为850 kN以上，或者转角塔基础上拔力为600 kN、下压力为750 kN以上时，采用后注浆灌注桩的经济性优于普通灌注桩，作用力越大后注浆灌注桩的经济性指标越优。

5 工程应用的经济性对比

后注浆灌注桩较适用于承台灌注桩基础，对于单桩或单桩带连梁桩基础也适用。单桩基础桩径、桩长均较小时，采用后注浆灌注桩的经济性效果不明显;基于实验结果测算可知，一般地质条件下当设计桩径≤0.8 m，同时设计桩长≤15 m、单桩混凝土量≤15 m3时，使用后注浆灌注桩的经济性优势不明显;当土层完全以淤泥或淤泥质土为主时，采用后注浆灌注桩的经济优势不明显。

具有代表性的铁塔塔型、地质条件、桩型下的对比指标分析测算结果见表7。

表7 工程应用指标分析Tab.7Analysis of engineering application index

由表7可见，采用后注浆灌注桩可以有效减少桩径、桩数、承台体积(桩长)，减少混凝土和钢筋用量，经济效益可观。随着后注浆灌注桩在输电工程中的普及，后注浆费用也会逐渐降低，整体优势将更加明显。

6 Q-s曲线与位移

由实验得到的受压Q-s曲线如图3所示，后注浆灌注桩在6 264 kN极限荷载作用下的极限位移为17 mm，且50%为可以恢复的桩身弹性变形位移，而非注浆灌注桩在3 396 kN极限荷载作用下的极限位移为45 mm，90%为不可恢复的桩土间相对破坏位移。

图3 受压Q-s曲线Fig.3Q-s compression curves

抗拔Q-s曲线如图4所示，后注浆灌注桩的曲线接近按线弹性发展，而非注浆灌注桩的曲线按弹塑性发展。

图4 抗拔Q-s曲线Fig.4Q-s pullout curves

由图3～4可知，后注浆灌注桩在受压、抗拔工况下的位移较非注浆灌注桩小40%～80%。对于输电线路杆塔，拉、压基础的拉、压位移叠加后的不均匀位移，会造成上部杆件产生一定的附加应力［7］，而后注浆灌注桩的极限位移较小，可以解决这一问题。

7 结论

(1)实验证明，输电线路工程采用后注浆灌注桩技术后，桩的受压承载力可以提高80%～150%，桩的抗拔承载力可以提高30%～50%，桩的受水平作用承载力可以提高30%～50%，节省工程造价15%～35%，尤其适用于660 kV及以上的特高压工程和500 kV及以上的大跨越工程。

(2)后注浆灌注桩的抗拔侧阻力增强系数虽然无法等同于受压侧阻力增强系数，但二者之间存在着关联性，通过设置简单的折减系数可以计算出后注浆灌注桩的抗拔极限承载力。

(3)后注浆灌注桩的抵抗水平作用的性能明显优于非注浆灌注桩。

(4)后注浆灌注桩的破坏型式为延性，而非注浆灌注桩的破坏型式为脆性。在取相同安全系数的前提下，后注浆灌注桩的实际可靠度比非注浆灌注桩高。

(5)后注浆灌注桩作为文献［2］推荐的一种新型桩基础型式，具有计算方法简单、施工技术成熟、施工操作简单、附加费用低、可靠性高、沉降量小、承载力增幅大、经济效益显著等优点［8］，实验证明，这些优点在输电线路工程中也同样适用，后注浆技术在未来的输电线路工程中具有广阔的推广应用前景。

［1］国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［2］JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］马天抒，龚维明，戴国亮.黄土地区后压浆钻孔灌注桩承载力特性实验研究［J］.岩土力学，2009，30(S2):362-366.

［4］刘金波.建筑桩基技术规范理解与应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［5］张忠苗，何景愈，邹健.软土中注浆与未注浆抗拔桩受力性状对比实验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010(29):2566-2572.

［6］DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2005.

［7］姜宏玺，孙宗德.后注浆灌注桩在输电线路工程中应用的探讨［J］.山东电力技术，2010(3):66-69.

［8］刘青，韩晓雷，董群，等.灌注桩后压浆技术使用前后对比研究［J］.工程勘察，2009(10):19-23.

(编辑:张磊)