后注浆桩在黄河大跨越输电工程中的应用研究

何春晖，朱 毅，罗 军，侯源红，姜宏玺

(1.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南250001;2.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南250013)

后注浆技术是在桩体混凝土初凝后，用注浆泵将浆液，通过预置于桩身中的管路压入桩周或桩端土层中，改善桩土间界面的力学条件，加固施工桩孔时受到扰动的持力层。近年来，后注浆桩在国内民用建筑工程中得到了广泛的应用[1－3]，但由于规范中没有输电线路工程设计所需的后注浆桩抗拔、抗水平荷载作用的计算公式和参数，因此输电线路后注浆桩的设计一直是空白。2012年我院开展该课题的攻关研究[4－5]，推荐了相关的计算公式和参数等，首次将后注浆桩技术应用于输电线路杆塔基础中。根据研究课题的结果，输电线路后注浆桩可明显降低灌注桩桩长、桩径，节省基础材料量20%以上，尤其适用于于大跨越基础承台桩。鉴于国内大跨越输电线路后注浆基础尚没有应用实例，因此本文结合实际工程，对大跨越后注浆灌注桩的设计进行介绍。

1 工程概况

500 kV油城－黄河输电线路工程起于山东省东营市油城500 kV变电站，止于东营市黄河500 kV变电站。线路全长98.236 km，其中一般段线路长度94.682 km，黄河大跨越段线路长度3.554 km，全线双回路。

黄河大跨越段采用“耐－直－直－直－耐”跨越方式设计，跨越点位于山东省垦利县。最大设计水平档距1 279 m，跨越设计呼高105 m，导线采用4*AACSR/EST－410/153特强钢芯铝合金绞线，地线采用OPGW－240复合光缆地线。

工程设计基本风速33 m/s，设计冰区 15 mm厚。SZK大跨越塔的塔头结构形式及塔身杆件布置方式见图1。

图1 SZK大跨越塔单线图

大跨越塔位处地形平坦，地貌成因类型为冲积平原，地貌类型为河漫滩、平地。地层结构及参数见表1。

表1 地层结构及各层参数

本工程G148、G149大跨越塔位于黄河漫滩上，主河槽摆动范围以外。滩地冲刷后的最大水深=滩地一般冲刷水深+杆塔基础局部冲刷深度=5.06+6.20=11.26 m。按黄河设防水位11.33 m 来考虑，跨越处河滩地冲刷计算最大冲刷线高程为设防水位以下11.26 m，最大冲刷线高程 =设防水位 －最大冲刷深度 =11.33 －11.26=0.07 m，因此跨越处最大冲刷深度=地面高程－最大冲刷线高程=10.7－0.07=10.63 m。

2 基础技术特点

2.1 高桩悬臂对土的水平抗力要求高

本工程为500 kV双回路四分裂大跨越，基础作用力较大，上拔力为9 900 kN，对应双向水平力均为1 540 kN;下压力为14 300 kN，对应双向水平力均为2 090 kN。地基土第2层为稍密粉土，地质条件较差，桩侧水平抗力系数的比例系数较小，再加上基础为高桩承台，受冲刷影响桩的计算悬臂较长。因此水平抗力对于桩基础的桩径选择形成控制，如不加大桩径，桩顶水平位移会超出规范的要求[6];如加大桩径势必造成桩基础材料量的增加。但采用后注浆技术提高桩侧土的水平抗力系数的比例系数可以有效解决这一问题。

2.2 地震液化对于桩的上拔、下压的影响

本工程自地表以下2、3、4－1土层为饱和粉土、砂土，均为液化土层，液化深度为14.45 m，液化影响折减系数为0。对于垂直上拔、下压工况下损失作用力较多，造成基础设计桩长需要增加到45 m～50 m才能满足要求。如果采用后注浆技术，桩侧的压力注浆液会侵入饱和土的缝隙，驱赶走间隙水，浆液的粘性会对土颗粒进行固定，可以有效解决地震液化的问题。

2.3 桩端持力层的选择

本工程地质报告提出，第 4、4 －1、4 －2、4 －3、5层土由于其强度、压缩性、厚度、埋深等条件均不适宜作为桩基持力层，第6、6－1层土具有低压缩性、强度高、力学性质好等特点，适宜作为持力层。但第5层土厚度为10.2 m，层底埋深为 47.0 m，如果要穿越第5层，桩长将达到50 m，在桩径被水平力已经控制的情况下，加大桩长势必造成基础材料量的增加。采用后注浆技术进行桩端注浆，5层粉质黏土的桩端端阻力可以显著提高，压缩性显著减低，满足桩端持力层压缩性和强度等各方面的要求，有效缩短桩长，降低基础材料量。

2.4 长桩对桩侧阻、端阻的影响

本工程冲刷、悬臂较大，桩长经过测算大于40 m，而根据以往的黄河大跨越工程的经验，过长的桩，桩的桩底清渣工艺很难做到将沉渣清理干净，虽然经过多次清渣，最终试验得到的桩的侧阻和端阻均明显低于一般的短桩。

表2为河南某黄河大跨越工程的土层情况。

表2 某已建工程地层结构及各层参数 单位:kPa

最终试验测得的侧阻力、端阻力及与地质报告值对比见表3。

表3 试验值与地质报告值对比 单位:kPa

从表3中可以看出，最终的试验值不但比预估值要小，比地质报告值也小，究其原因，是由于长桩受施工技术的影响沉渣过厚，在加载时过早产生位移，桩身摩阻力由静摩擦力变为滑动摩擦力。如果事先没有充分考虑长桩的这一特点，仍然采用静摩擦力进行设计，必然导致桩基础的安全系数降低。

采用桩端后注浆技术，高压浆液将桩端固化，将难以清理的残渣变为混凝土扩大头，就能直接提高桩的端阻力。

3 大跨越桩基础的设计

3.1 计算公式

采用我院的研究成果[4－5，7－9]，后注浆桩抗拔桩的极限承载力标准值可按下列公式计算:

式中:Tuk为基桩抗拔极限承载力标准值;kt为后注浆侧阻力增强系数的抗拔折减系数，取0.9;βsi为后注浆侧阻力增强系数;λi为后注浆第i层土抗拔系数;qsik为后注浆第i土层初始极限侧阻力标准值;ui为桩身周长;li为第i层土厚度。

采用我院的研究成果[4－5，7－9]，后注浆桩抗水平荷载作用设计时，可以按下式计算:

式中:α后为后注浆桩的水平变形系数;k后为后注浆桩的m值增强系数。

当H0为单位力1时:

当Mo为单位力1时:

地面处桩的水平位移:

地面处桩的转角:

桩顶水平位移:

式中:C后为桩底面地基土竖向抗力系数;A1～D4为影响系数，根据桩深查规范桩影响函数值表可得。

3.2 计算工况

对于基础设置在滩地的基础，设计时应考虑冲刷、流水压力、漂流物撞击等的作用。尤其是黄河还要考虑拥冰堆积作用、冰凌撞击作用。荷载组合应考虑下列情况:

(1)最大风的工况组合

采用最大风的设计风荷载效应，与冲刷效应进行叠加。冲刷效应作为可变荷载取最大冲刷深度的效应乘以可变荷载的组合值系数，该系数取0.5～0.7。

(2)最大冲刷的工况组合

采用最大冲刷的效应，与风荷载效应进行叠加。风荷载效应作为可变荷载取最大风荷载的效应乘以可变荷载的组合值系数，该系数取0.5。

(3)验算碰撞荷载等的偶然工况组合

采用漂浮物、水流、冰凌等效应叠加最大冲刷效应作为偶然作用的代表值，最大风荷载作为与偶然作用同时出现的可变荷载。可变荷载的组合值系数取0.5。同时整个组合不乘以荷载分项系数1.35，即整个组合乘以 1/1.35≈0.75。

经过计算，本工程第1和第3工况组合控制桩基础的材料量。

4 大跨越桩基础的后注浆设计优化

后注浆对桩侧、桩端土的加固效应分为固化效应、充填胶结效应和加筋效应。

(1)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)充填胶结效应:桩侧、桩底的粗粒土因渗入注浆而显示充填胶结效应，使其强度显著提高;

(3)加筋效应:桩底、桩侧的细粒土因劈裂注浆形成网状结石，起到加筋效应。

后注浆技术的优点有以下几点[4－5]:

(1)大幅提高单桩的承载力;

(2)改变沉降曲线线型，提高工程可靠度;

(3)对桩基质量进行弥补;

(4)明显降低桩基沉降;

(5)缩短施工工期，减少施工难度。

4.1 桩径优化

第2层土层为稍密粉土，地质条件较差，桩侧水平抗力系数的比例系数较小，控制桩径的选择，尤其是对于水平力较大、悬臂较长的大跨越桩基础。采用桩侧后注浆技术后，桩侧土被注浆液充填胶结和产生加筋效应而得到加强，水平抗力系数的比例系数可增大 40%[7－9]，经过计算，在同等桩数不变的情况下，桩径可相应减少0.1 m～0.2 m，详见表4。

采用后注浆桩，桩侧m值可以提高到8 400，桩端的水平位移为5.9 mm，满足规范的要求，相比非注浆桩，可以节省混凝土 477.4 m3，节省钢筋55.6 t，经济效益巨大。

SZK大跨越塔的基础平面布置方式见图2。

表4 后注浆与非后注浆桩径优化

图2 SZK大跨越基础平面图

4.2 桩长优化

在桩径确定的情况下，在桩的上拔、下压承载力的计算过程中，桩长一般不会形成控制，桩长通常是由持力层的深度以及冲刷深度来确定的。可靠的持力层位置较深，桩长较长，材料量较大。采用后注浆桩后，可以在地质报告中推荐的持力层的上部合适的深度选择土层，通过桩端注浆把原本厚度、压缩性、强度均不理想的土层变为可靠的持力层。

以本工程为例，地质报告提出，第5层土由于其强度、压缩性等条件不适宜作为桩基持力层，但第5层厚度为10.2 m，完全穿透势必造成较大的浪费。如果直接选择第5层作为持力层，必然会面临桩静载试验时刺穿持力层，桩侧摩阻力由静摩阻力变为滑动摩阻力，从而桩端阻、侧阻均小于规范推荐值的平均值的的问题。采用后注浆桩对桩端注浆后，桩尖下土体可被注浆液固结2 m～3.5 m，桩端端阻力可以达到 1 200 kPa 以上[7－9]，满足桩端持力层厚度、压缩性和强度的要求，详见下表5。

虽然后注浆桩桩长比非注浆桩短了10.0 m，但提供的下压抗力比后者提高了15.8%，提供的上拔抗力比后者提高了16.5%，桩基础材料量可以节省20%。而且后注浆桩比非注浆桩的可靠性都有所提高。

表5 后注浆与非后注浆桩长优化

5 最终方案及经济性对比

桩端注浆方案:由于需要对第5层土层进行加固处理，因此本工程最终采用了桩端桩侧复式注浆方案，桩端注浆采用2根注浆导管对称设置。

桩侧注浆方案:考虑到本工程为4承台4×4桩布置方式，桩与桩之间距离较小，注浆效果较好，因此本工程最终采用了每隔10 m设置1道桩侧注浆阀的方式，共布置3层，注浆导管采用DN25钢管，厚度为 3.25 mm。

桩基础后注浆布置方案如图3所示。

图3 SZK大跨越基础注浆布置图

采用后注浆优化设计后的桩基础与非注浆桩基础的经济性对比见表6。

表6 后注浆与非后注浆的经济性对比

采用优化设计后的后注浆桩基础可比非注浆桩减少造价30%。

6 结语

(1)大跨越桩基础由于其具有作用力较大、安全性要求较高、基础材料量较大的特点，尤其适应于后注浆桩基础。采用后注浆桩可以明显缩小桩长、桩径，提高单桩承载力，减少基础沉降，提高可靠性，降低施工难度，是未来输电线路基础设计上的一个新方向[10－15]。

(2)目前后注浆桩基础在国内大跨越基础设计中应用较少。通过油城－黄河大跨越基础的后注浆桩的设计、施工，证明后注浆桩操作简单，技术成熟，具有良好的经济效益和社会效益，可以在以后的大跨越工程中进行推广。

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