后注浆灌注桩在输电线路工程中应用的探讨

姜宏玺，孙宗德

(山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013)

0 引言

灌注桩基础是输电线路中针对软弱地基土等特殊地质条件下采用的一种基础型式。普通钻(冲、挖)孔灌注桩以其适应性强、成本适中、后期质量稳定、承载力大等优点广泛地应用于输电线路工程中，但桩基础的费用比普通开挖基础要高很多，这样就增加了工程的整体造价，限制了桩基在输电线路工程中的使用。如果能使桩基的造价降低，将会是一种经济性和安全合理性的最佳结合。

2008年我国新修订的《建筑桩基技术规范》增加了一种新的桩基型式——PPG后注浆灌注桩，这是一种近年来在建筑行业被广泛采用的新的桩基型式，应用于北京国家体育场(鸟巢)、中央电视台新址等重要工程，经济合理、安全可靠，如果将其应用在输电线路中可以有效解决桩基的造价过高的问题。

1 PPG桩简介

后注浆灌注桩(Cast-in-place pile post grouting,简写PPG)是目前建筑行业极力推广的一种新型的桩基型式，也是规范推荐的新的桩基施工工艺。PPG技术最早出现于1961年国外Maracaibo大桥工程，北京国家体育场(鸟巢)、中央电视台新址、首都国际机场扩建等国家重点工程均采用了该技术。PPG后注浆技术是在桩体混凝土初凝后，通过在桩底、桩侧用注浆泵将水泥浆或水泥与其他材料的混合浆液，通过预置于桩身中的管路压入桩周或桩端土层中，桩侧注浆会使桩土间界面的几何和力学条件得以改善，桩端注浆可使桩底沉渣、施工桩孔时桩端受到扰动的持力层得到有效的加固或压密，并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，增强桩承载状态的稳定，减小桩基沉降。实践证明，后注浆法可以提高承载力40%～100%，沉降减小20%～30%。而且适用性特别强，除沉管灌注桩外均适用PPG技术。

2 工作原理

PPG后注浆桩的增强机理:

1)后注浆对桩侧、桩端土的加固效应。

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。

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；

加筋效应:桩底、桩侧的细粒土因劈裂注浆形成网状结石，显示加筋效应。

2)后注浆对桩侧阻力、桩端阻力的增强特征。桩底注浆使端阻力增长60%以上；由于浆液上扩，桩底注浆使桩底以上10～20 m的侧阻力增长20%～80%；桩底、桩侧复式注浆可使侧阻、端阻均获得提高。

图1 PPG桩的加固示意图

3 计算公式

PPG后注浆桩的单桩极限承载力可按下列公式计算:

式中:βsi，βp分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数，对于中砂，βsi规范取值在1.7～2.1，βp规范取值在2.6～3.0，经过这样修正后的单桩承载力提高很大。

上拔的极限承载力可按下列公式计算:

λi为抗拔系数。同样因为有了侧阻力增强系数βsi，单桩承载力可以达到原来的1.4～2.1倍。

4 工程应用中的技术经济对比

PPG后注浆桩在工程中已经有了广泛的应用，表1中所列的是在北京地区部分具有代表性后注浆工程的实验对比结果。

从表中可以看出，根据已建工程施工后的实测桩极限载荷试验值来分析，PPG桩的极限承载力均为未注浆的普通灌注桩的一倍以上，在桩径不变的情况下桩长可减少50%左右，从理论上可以节省材料量50%左右。这大大降低了桩基的整体造价。

表1 PPG桩与普通桩的经济性对比

5 在输电线路中应用的探讨

输电线路中的桩基设计和建筑桩基有所不同，既是承压桩，又是抗拔桩，还是抗水平力桩，根据输电线路的具体特点对PPG桩进行具体分析。

5.1 下压承载力计算

PPG桩的下压同建筑桩基的下压完全一样，以中砂为例，βsi规范取值在1.7～2.1，βp规范取值在2.6～3.0，这样修正后的单桩承载力可提高1.9倍左右，理论上可以节省桩长50%左右，节省混凝土和钢筋量50%左右。实际工程中由于土层的不同，综合起来比普通桩基础承载力可以大40%～100%，节省混凝土和钢筋量30%～40%左右。

5.2 上拔承载力计算

从理论上分析，桩侧压力灌浆既使桩侧的泥皮与土进行了混合与挤密处理，又使土体与桩身混凝土联结成整体，浆液硬化后的结石还会在桩侧形成楔体。这些都会使桩与土之间的磨擦面积增大，提高侧摩阻力。这一优势可以适用于抗拔桩设计当中。

从计算上来看，对于PPG桩的抗拔能力，规范中5.3.10条只给了单桩极限承载力的计算公式，没有明确区分上拔和下压承载力计算公式，为此请教了《建筑桩基技术规范》的编写者——刘金波博士，得到的结论是:采用桩侧注浆能提高抗拔承载力，计算范围按规范即可，最大可取12 m，侧阻力增强系数应取规范规定的低值。以中砂为例，βsi规范取值在1.7～2.1，上拔时取1.7，以桩侧土全部为中砂为例，采用PPG后注浆，可以提高承载力1.7倍，理论上可以节省混凝土和钢筋量40%左右。实际工程中由于土层的不同，综合起来比普通桩基础承载力可以大25%～70%，节省混凝土和钢筋量20%～30%左右。

由于建筑桩基对后注浆抗拔运用的较少，建议在输电线路工程中使用时应结合工程实际，通过实验来验证增强系数的取值的合理性问题。

5.3 水平承载力计算

送电线路的桩基是要抵抗很大水平力的桩基，需要考虑桩侧土稳定计算，当地表有较厚的淤泥层时，位移和桩侧土压力会不满足，从而对桩径大小造成控制，有时需要加大桩径来满足要求，增加了造价。PPG桩通过后注浆，桩侧土被明显压实、加固，抵抗桩侧土压力的能力明显增大，桩的位移得到控制，这样可以减小桩径，降低造价。

普通灌注桩有时需要设置连梁来协调4个塔腿抵抗水平力，采用后注浆后对桩侧软弱土的固化、加筋效果使桩侧土压力、桩头位移得到明显改善，从而使桩间的联梁尺寸可以减小或取消，降低了造价。

5.4 耐久性问题

抗拔桩与承压桩相比，桩的耐久性问题需要考虑。线路基础规范要求在环境对基础有腐蚀作用时混凝土不允许出现裂缝，桩基础受到上拔力很难做到这一点，或者虽然能做到但桩径加大很多，经济性较差。采用后注浆工艺后，可以考虑调整后注浆的施工工序来提高桩基整体的耐久性。具体在施工中可以将后注浆的时间调整到对桩基础先施加一定应力之后，混凝土受拉超过弹塑性变形后会开裂，然后进行后注浆，后注浆的浆液会填补桩身受拉后的产生的裂缝，对于解决混凝土开裂后钢筋锈蚀的问题会有一定效果，一定程度上提高了桩基的耐久性。

5.5 沉降问题

采用PPG桩后，沉降量明显减少(民用建筑工程的实际测量发现最终沉降量在10 mm左右)，总沉降量可以降低20%～30%，这主要是由于采用后注浆固化了桩底沉渣、虚土，同时桩端有扩底效应，另一方面，由于注浆需较高的压力，一般大于1MPa，相当于大约100 m高的水头压力，对桩端土进行了预压和加固，因此采用PPG后注浆后由于沉降对上部杆塔产生的附加应力很小。

5.6 桩施工质量问题

灌注桩都存在着桩底沉渣(虚土)无法清理干净或虚土过厚等问题，因而制约了其承载能力和工程质量的稳定性。对于一些桩基施工中出现的塌空等质量问题，后注浆都可以进行有效的弥补，提高桩基的安全度。

6 设计中的一些观点和分析

在设计中,首先要针对工程中具体的地质情况选用合适的桩基础型式。如果地质条件是粗颗粒的砂质土、碎石土、卵石等，采用PPG后注浆灌注桩尤为合适，因为βsi修正系数高，承载力的提高很大，节省材料量的效果很明显。

其次，在设计中要充分利用PPG桩的特点，PPG桩在承压时桩端、桩侧都可以修正提高，而上拔时只是桩侧修正，因此PPG桩承压时节省材料量要更明显，而抗拔时要稍差些。在工程中可以根据这个特点进行设计，比如一般的承台桩主要是承压控制，上拔力由于承台自重的抵消而减小，一般不控制桩长桩径，采用PPG桩正好可以发挥其承压能力强的特点，能更有效的减低材料量。对于单桩如果是上拔控制则只能节省混凝土和钢筋量20%～30%左右，对于单桩加连梁基础，由于后注浆后桩侧土压力明显增强，位移减小，故除了节省桩长外还可以减小连梁的截面尺寸，有效的降低材料量。

第三，充分利用在桩底或桩侧一点注浆，通过浆液扩散、蔓延，可以将桩身10～20 m范围内侧阻力提高的特点，合理设计桩长，比如普通灌注桩桩长24 m，改为PPG后注浆法后可将桩数量保持不变，桩长调整为12 m，这样设置一个桩底注浆即可加固整个桩身，减少了材料量50%左右，同时因为大大缩短了桩的设计长度，方便了施工，降低了施工费用，缩短了工期，具有良好的经济效益和社会效益。

以输电线路工程中普通的直线塔和转角塔的作用力为例，进行计算比较，得到经济对比如表2所示。

表2 PPG桩与普通灌注桩的技术经济对比分析

从表2可以看出PPG桩在输电线路工程中的运用是具有优势的，是经济性与安全合理性的最佳结合。

7 进一步优化

考虑到输电线路的桩基与建筑上用的单纯承压桩，有着很大的不同，除了抵抗下压力外还要抵抗较大的水平力，因此桩钢筋量明显要大，为了能进一步降低桩的钢筋用量，对PPG桩进行了进一步优化，采用了直桩斜插式PPG后注浆桩基础，即将桩采用插入角钢(偏心布置)与铁塔连接，这种方式的优点是，由于插入角钢是偏心插入的，在基础顶部有一个偏心距，因此使竖向力会对桩体产生一个反向的弯矩，抵消一部分桩端水平作用力对基础的弯矩，使桩基础的配筋会相应减少，这样的好处是受力更加合理，柱的偏压、偏拉配筋都相应减少、桩侧土应力也相应减少，桩顶位移减小，因而基础更加合理。

这样做的另一个特点是充分利用了桩基础的桩径比较大，能将插入角钢直接埋入基础之中，取消了塔脚板和地脚螺栓，节省了铁塔钢材，减少了施工运输总量。

8 优点

通过以上分析得知PPG后注浆桩在输电线路工程中运用具有以下优点:

(1)大幅度提高单桩承载力，单桩承载力可提高40%～100%，可有效的减少桩长和桩径，降低工程总造价25%～35%，工期可缩短1/3左右，经济效益可观，应用前景广阔，对于输电线路工程中常用的人工挖孔桩等均有良好的适用性。

(2)有效减少杆塔沉降，实测数据显示，总沉降量可以降低20%～30%，对于耐张塔可以减少拉压基础在软弱性地基土的沉降差异，减少对杆塔的附加应力。

(3)后注浆技术成熟，该技术目前已应用于全国二十多个省市数以千计的桩基工程中，有专业的施工队伍，施工技术相对较成熟，是国家《建筑桩基技术规范》中明确提倡的新施工工艺工法。

(4)设计上简单易行，与普通灌注桩的计算原理基本一致，桩受力机理、加强机理清晰明了，概念准确可靠。

(5)提高了桩基的可靠性。钻孔灌注桩属于隐蔽工程，一些小的塌孔、清底不充分等质量问题不易被发现，影响桩的承载力。采用PPG后注浆可以对可能存在的上述问题进行有效的补救，提高了工程的可靠性。

9 结语

PPG后注浆桩具有承载力大、经济合理、安全可靠、施工简单易行等特点，在输电线路工程中运用是具有优势的，是经济性与安全合理性的最佳结合。相信PPG后注浆直桩斜插式基础会在以后的输电线路工程中得到广泛的应用。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会.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.

[3]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.