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(jì)南市， 250013)

0 引言

大量的民用建筑工程實(shí)例表明，后注漿技術(shù)可以改善樁的工程性狀，提高樁的受壓承載力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其受壓承載力的增幅可達(dá)50%～260%，工程造價(jià)降低25%～50%［1-3］。與民用建筑主要受壓特點(diǎn)不同，輸電線路桿塔基礎(chǔ)要同時(shí)滿足上拔、水平力、下壓3種荷載，而國內(nèi)在這方面的研究較少。

為了解決文獻(xiàn)［2］缺少上拔、水平力荷載作用下后注漿灌注樁的計(jì)算方法問題，掌握后注漿技術(shù)在輸電線路工程中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文對輸電線路桿塔基礎(chǔ)應(yīng)用了后注漿技術(shù)，在計(jì)算方法、施工工藝方和經(jīng)濟(jì)性等面進(jìn)行了研究。

1 后注漿技術(shù)原理

后注漿技術(shù)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(yù)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(qiáng)樁的質(zhì)量穩(wěn)定性，減小樁基沉降的一種新技術(shù)［4］。后注漿灌注樁的增強(qiáng)效果如下:

(1)產(chǎn)生固化效應(yīng)。樁底沉渣及樁側(cè)泥皮因漿液滲入發(fā)生物理化學(xué)作用而固化。

(2)產(chǎn)生充填膠結(jié)效應(yīng)。樁側(cè)、樁底的粗粒土因滲入注漿液而充填膠結(jié)，其強(qiáng)度顯著提高。

(3)產(chǎn)生加筋效應(yīng)。樁底、樁側(cè)的細(xì)粒土因劈裂滲入注漿液形成網(wǎng)狀結(jié)石，產(chǎn)生加筋的效果。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

2.1 抗拔承載力實(shí)驗(yàn)簡述

在220 kV王莊輸變電工程中，進(jìn)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(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了模型土工實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)可知，后注漿灌注樁在抗拔受力時(shí)對抗拔側(cè)阻力的效果良好，但抗拔時(shí)的側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)小。這是由于受壓時(shí)后注漿灌注樁的樁端增強(qiáng)效果與樁側(cè)增強(qiáng)效果相關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步加強(qiáng)了其樁側(cè)阻力值。因此，抗拔時(shí)樁側(cè)阻力必然比受壓時(shí)小，如果工程中在抗拔計(jì)算時(shí)直接應(yīng)用規(guī)范中的受壓側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，將存在安全隱患。

2.2 抗拔計(jì)算方法

根據(jù)室內(nèi)模型土工實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場真型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的后注漿灌注樁抗拔/受壓側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)比值如表1所示，實(shí)驗(yàn)測得的抗拔增強(qiáng)系數(shù)與文獻(xiàn)［5］中的實(shí)驗(yàn)值吻合。

表1 各土層后注漿灌注樁抗拔與下壓的增強(qiáng)系數(shù)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(shù)比值在0.88～0.94之間，考慮到實(shí)驗(yàn)中作用力未完全傳遞至樁底的情況來進(jìn)行修正，認(rèn)為該值與土層具有一定的關(guān)聯(lián)性，但關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，可近似認(rèn)為該值為一固定值。建議該值統(tǒng)一取為0.9，在滿足工程安全需要的前提下方便設(shè)計(jì)取值。由此可提出后注漿灌注樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為

式中:kt為側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)的抗拔折減系數(shù)，取0. 9; λi為抗拔系數(shù)。

2.3 水平作用承載力的實(shí)驗(yàn)與分析

以水平位移量10 mm對應(yīng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場首層土為粉土，稍密狀態(tài)，從實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)可知，后注漿灌注樁在承受水平荷載時(shí)的增強(qiáng)效果良好，可以有效增強(qiáng)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(shè)計(jì)所使用，需要推導(dǎo)出后注漿灌注樁的水平荷載m值增強(qiáng)系數(shù)。當(dāng)樁頂自由且水平力作用位置位于地面處時(shí)，m值為

式中:m為地基土水平土抗力系數(shù)的比例系數(shù);νy為樁頂水平位移系數(shù);H為作用于地面的水平力;b0為樁身計(jì)算寬度;Y0為水平力作用點(diǎn)的水平位移;E為樁身抗彎剛度。計(jì)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(qiáng)系數(shù)為1.54，因此建議工程應(yīng)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(jì)算方法

(1)水平變形系數(shù)。由m值增強(qiáng)系數(shù)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(shù);kg為后注漿灌注樁的m值增強(qiáng)系數(shù)。

(2)樁側(cè)土穩(wěn)定計(jì)算。后注漿灌注樁受水平作用的樁側(cè)土穩(wěn)定計(jì)算式為

式中:σgy為后注漿灌注樁側(cè)土壓應(yīng)力;σ允為后注漿灌注樁周土抵抗水平作用的計(jì)算允許值［6］。

以最常見的樁基礎(chǔ)計(jì)算模型為例，后注漿灌注樁的樁側(cè)土穩(wěn)定計(jì)算式為

式中:φ、C為樁周土的內(nèi)摩阻角和凝聚力;γ為樁側(cè)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(zhuǎn)角、彎矩、水平力;A1、B1、C1、D1為與深度有關(guān)的函數(shù)值，具體取值可參考文獻(xiàn)［6］。

3 注漿設(shè)計(jì)

3.1 注漿裝置設(shè)計(jì)

后注漿灌注樁的樁側(cè)、樁端注漿閥布置設(shè)計(jì)是個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(yīng)充分根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件、土層的分類等進(jìn)行試布置，并結(jié)合最終受力要求進(jìn)行確定。

根據(jù)輸電工程上部桿塔的受力特點(diǎn)，采用樁端、樁側(cè)復(fù)式注漿方式較為合適。其中樁側(cè)注漿閥第1道應(yīng)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(yīng)在6～10 m之間。間距過小則浪費(fèi)材料，間距過大則注漿液上泛高度不夠。

當(dāng)有粗粒土?xí)r，應(yīng)將注漿閥設(shè)置于粗粒土層下部;對于干作業(yè)挖孔樁，應(yīng)設(shè)置于粗粒土層中部。

樁端注漿導(dǎo)管的設(shè)置根數(shù)應(yīng)根據(jù)樁徑大小進(jìn)行選擇，對于直徑不大于1.2 m的樁，應(yīng)沿鋼筋籠圓周對稱設(shè)置2根注漿導(dǎo)管;對于直徑在1.2～2.5 m之間的樁，應(yīng)對稱設(shè)置3根。對于直徑大于2.5 m的樁，應(yīng)對稱設(shè)置4根。

輸電線路樁端、樁側(cè)復(fù)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(zhì)量具有重要影響，應(yīng)嚴(yán)格按照文獻(xiàn)［2］的要求進(jìn)行工藝控制。漿液的水灰比應(yīng)根據(jù)土層類別、土的密實(shí)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(huì)增大注漿阻力，降低注漿效果。對于飽和土，水灰比應(yīng)為0.45～0. 65;對于非飽和土，水灰比應(yīng)為0.7～0. 9;對于松散碎石土、砂礫，水灰比應(yīng)為0.5～0.6。

注漿終止壓力應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)及注漿點(diǎn)深度確定，對于粘性土及粉土，注漿壓力應(yīng)為3.0～10.0 MPa;對于飽和土層注漿壓力應(yīng)為1.2～4.0 MPa。軟土應(yīng)取低值，密實(shí)土應(yīng)取高值。

正確的注漿作業(yè)起始時(shí)間和順序?qū)τ谔岣吆笞{的可靠性和有效性具有重要意義。注漿作業(yè)起始時(shí)間應(yīng)于成樁2天后進(jìn)行，不遲于成樁30天后進(jìn)行。

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

復(fù)式注漿的注漿順序應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況進(jìn)行確定，對于飽和土應(yīng)先樁側(cè)注漿后樁端注漿，對于非飽和土應(yīng)先樁端注漿后樁側(cè)注漿，樁側(cè)和樁端的注漿間隔時(shí)間應(yīng)不少于2 h。施工工藝流程如圖2所示，主要施工設(shè)備和監(jiān)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(shù)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(yè)的鉆、挖孔灌注樁也有良好的效果［2］。對于110 kV及以上各個(gè)電壓等級的送電線路桿塔灌注樁基礎(chǔ)也同樣適用。樁徑越大、樁數(shù)越多，經(jīng)濟(jì)性越好。

4.2 適用地質(zhì)條件

后注漿灌注樁的經(jīng)濟(jì)性受地質(zhì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，一般地質(zhì)條件下(以粉土、粉質(zhì)粘土為主，夾雜部分淤泥質(zhì)土)，當(dāng)直線塔基礎(chǔ)的上拔力為700 kN、下壓力為850 kN以上，或者轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)上拔力為600 kN、下壓力為750 kN以上時(shí)，采用后注漿灌注樁的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于普通灌注樁，作用力越大后注漿灌注樁的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)越優(yōu)。

5 工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性對比

后注漿灌注樁較適用于承臺灌注樁基礎(chǔ)，對于單樁或單樁帶連梁樁基礎(chǔ)也適用。單樁基礎(chǔ)樁徑、樁長均較小時(shí)，采用后注漿灌注樁的經(jīng)濟(jì)性效果不明顯;基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果測算可知，一般地質(zhì)條件下當(dāng)設(shè)計(jì)樁徑≤0.8 m，同時(shí)設(shè)計(jì)樁長≤15 m、單樁混凝土量≤15 m3時(shí)，使用后注漿灌注樁的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢不明顯;當(dāng)土層完全以淤泥或淤泥質(zhì)土為主時(shí)，采用后注漿灌注樁的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不明顯。

具有代表性的鐵塔塔型、地質(zhì)條件、樁型下的對比指標(biāo)分析測算結(jié)果見表7。

表7 工程應(yīng)用指標(biāo)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(shù)、承臺體積(樁長)，減少混凝土和鋼筋用量，經(jīng)濟(jì)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(fèi)用也會(huì)逐漸降低，整體優(yōu)勢將更加明顯。

6 Q-s曲線與位移

由實(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)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(fā)展，而非注漿灌注樁的曲線按彈塑性發(fā)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(chǔ)的拉、壓位移疊加后的不均勻位移，會(huì)造成上部桿件產(chǎn)生一定的附加應(yīng)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(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)證明，輸電線路工程采用后注漿灌注樁技術(shù)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(jié)省工程造價(jià)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(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)雖然無法等同于受壓側(cè)阻力增強(qiáng)系數(shù)，但二者之間存在著關(guān)聯(lián)性，通過設(shè)置簡單的折減系數(shù)可以計(jì)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(yōu)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(shù)的前提下，后注漿灌注樁的實(shí)際可靠度比非注漿灌注樁高。

(5)后注漿灌注樁作為文獻(xiàn)［2］推薦的一種新型樁基礎(chǔ)型式，具有計(jì)算方法簡單、施工技術(shù)成熟、施工操作簡單、附加費(fèi)用低、可靠性高、沉降量小、承載力增幅大、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)［8］，實(shí)驗(yàn)證明，這些優(yōu)點(diǎn)在輸電線路工程中也同樣適用，后注漿技術(shù)在未來的輸電線路工程中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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(編輯:張磊)