输电线路工程预应力灌注桩防蚀设计及施工工艺

谈 磊， 宁帅朋， 韩丽婷

(1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102; 2. 南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211800)

输电线路工程预应力灌注桩防蚀设计及施工工艺

谈 磊1， 宁帅朋1， 韩丽婷2

(1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102; 2. 南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211800)

盐渍土地区地下水腐蚀作用会严重降低输电线路工程桩基的耐久性。预应力灌注桩通过桩身增设预应力筋，采用有粘结后张法施加预应力，显著地改善了结构的耐久性。通过算例发现预应力筋的增设可以有效提高桩身裂缝控制等级，减少基础材料用量。采用复合材料护筒代替钢护筒，降低了工程造价，减少了现场工作量。本文给出了预应力灌注桩的设计方法、施工流程以及预应力钢筋笼的制作和力筋的张拉与锚固两项关键工艺的施工要点。

灌注桩；强腐；预应力；玻璃钢护筒；施工工艺

0 前言

目前工程应用较多的基础防腐[1-4]技术包括隔离防腐[5,6]、抗裂防腐[7]、密实防腐[8,9]和钢筋阻锈[10]等。2012年国家电网直流建设部关于哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路工程专门召开基础防腐措施讨论会，初步形成了线路工程腐蚀地区基础设计方案。对于强腐蚀地区方案要求混凝土强度等级为C40，最大水胶比0.36，最小水泥用量340 kg/m3；开挖基础表面及其垫层顶面全部采用防腐蚀涂层(HCPE)进行防护，厚度不小于300 μm；垫层混凝土最低强度等级C25，最小厚度100 mm；灌注桩基础[11-13]钢筋混凝土保护层最小厚度65 mm；Cl-强腐蚀地区的基础混凝土中应添加钢筋阻锈剂。针对强腐蚀地区，根据工程经验，在水位变化区域增设钢护筒提高桩基耐久性。

提高混凝土致密性和涂刷防腐涂层是增强桩身耐久性的两种方式，然而桩身混凝土在拉力或弯矩作用下出现裂缝，桩身的耐久性将大打折扣。预应力混凝土结构是改善构件抗裂性的有效途径。预应力在桩基工程中应用较少，主要为预应力管桩[14]。预应力管桩现场施工需要大型机械进行送桩，对于输电线路工程施工成本较高，不利于推广。天津市建科院[15]针对沿海地区环境，首次提出灌注桩施加预应力的施工工艺，解决建筑物上浮的抗拔桩问题。采用灌注桩与预应力结合的方式能有效降低线路工程施工对大型机械的要求，降低施工成本。

1 预应力灌注桩概况

预应力灌注桩防腐的设计理念是控制桩身受力，通过增设预应力筋，使桩身在受拉力或弯矩作用下混凝土处于持续受压的状态，不产生受力裂缝，降低腐蚀水体侵入到混凝土内部的速率，改善桩身防腐性能。

预应力采用有粘结后张法进行施加。预应力筋孔道注浆，可以提高预应力筋的耐腐蚀性，保证力筋的张拉效果，减少预应力损失。

一般情况下，在地表4～6 m以下盐渍土含盐量相对地表的超强盐渍土降低较多。对于桩长较大的灌注桩，预应力筋可仅布置在桩身上部受弯易开裂且桩身周边土层存在侵蚀水体区域。

2 预应力灌注桩设计

2.1 下压桩设计

2.1.1 单桩竖向极限承载力

单桩竖向极限承载力标准值Quk，可按式(1)计算：

Quk=qpkAp+u∑qsikli

(1)

式中：qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；Ap为桩底横截面面积；u为桩身周边长度；li为第i层土的厚度。

单桩竖向承载力特征值Ra，可按式(2)计算：

Ra=Quk/K

(2)

式中：K为安全系数，取K=2。

2.1.2 桩身配筋计算

预应力灌注桩的纵向受力钢筋，由普通钢筋以及部分预应力钢筋组成，沿周边间隔均匀布置。对于圆形截面钢筋混凝土桩，其正截面受弯承载力应符合以下规定：

(3)

(4)

αt=1.25-2α

(5)

式中：Mmax为桩身最大弯矩；A为桩截面面积；r为桩半径；α为应于受压区混凝土截面面积的圆心角与2的比值；As为全部纵向普通钢筋的截面积；fpy为预应力筋的抗拉强度设计值；Ap为全部纵向预应力筋的截面积；rs为纵向钢筋重心所在圆周的半径；αt为纵向受拉钢筋截面积与全部纵向钢筋截面积的比值。

2.1.3 桩身抗裂验算

结构受力裂缝控制等级分为三级，普通灌注桩桩身裂缝控制等级为三级。预应力灌注桩建议控制等级为一级，即混凝土不产生拉应力进行设计。桩的裂缝验算按式(6)计算：

σck-σpc≤0

(6)

式中：σck为抗裂验算边缘的混凝土法向应力；σpc为扣除全部预应力损失后抗裂算边缘混凝土的预压应力。

混凝土法向应力按式(7)计算：

σck=Mmax/W

(7)

式中：W为桩截面惯量。

2.2 上拔桩设计

单桩抗拔竖向极限承载力标准值Tuk，按式 (8) 计算：

Tuk=u∑iqsikli

(8)

抗拔桩的配筋计算见公式 (9)：

T≤fyAs+fpyAp

(9)

式中：T为桩顶拉力。抗拔桩的抗裂验算与下压桩相同。

2.3 算例

为对比钻孔(挖孔)灌注桩与预应力灌注桩的差异，分别对两种桩型进行配筋计算及抗裂验算，比较分析预应力灌注桩的经济性及抗裂性能。

桩身混凝土采用C40，普通受力钢筋采用HRB335，预应力筋采用预应力螺纹钢筋，屈服强度标准值fpyk取1080 N/m2，箍筋采用HPB300。杆塔采用国家电网典型设计的2F4-SJ1，呼高15 m，杆塔的基础作用力如表1所示，工程所在地地质条件如表2所示，设计结果比较如表3所示。表3中Nmax为最大下压力；Nx,Ny分别为最大下压力对应的x，y方向的水平力；Tmax为最大上拔力；Tx，Ty分别为最大上拔力对应的x，y方向的水平力。

表1 杆塔基础作用力Table 1 Forces of tower foundation

表2 主要岩土设计参数Table 2 Main geotechnical parameters

表3 桩基设计结果比较Table 3 Comparison of pile foundation design results

从表3可以看出：

(1) 对于普通灌注桩，可以通过增大配筋面积控制桩身裂缝。在不考虑桩身裂缝的情况下，单桩的钢筋用量为0.83 t。为将桩身裂缝控制在0.2 mm以下，单桩钢筋用量增至1.24 t，增加了将近50%。说明采用增设普通钢筋的方式控制裂缝，以此来提高桩身的耐久性是非常不经济的。

(2) 采用预应力灌注桩，在不开裂的情况下，钢筋用量增至1.01 t，相比于采用增大配筋控制裂缝的方式，减少了18%的钢筋用量。在整个寿命周期，桩身混凝土始终处于受压的状态，显著地改善了桩身的耐久性。

3 GFRP护筒

对于常规的隔离防腐一般采用钢护筒的形式，成本较高。本文推荐采用玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastic，GFRP)护筒。

采用GFRP护筒的主要作用是将桩基与腐蚀环境隔离，直接降低桩身与腐蚀盐类的接触。同时GFRP护筒可以起到稳定孔壁、防止坍孔、固定桩位及保护操作原地面的作用[16]，如图1所示。

图1 预应力灌注桩Fig.1 Prestressed cast-in-place pile

与钢护筒相比，GFRP材料本身防腐性能较高，表面无需进行防腐处理，减少了现场工作量。对于不同的地质条件，可根据线路环境选择合适的基体材料。

GFRP护筒埋设深度可根据地质、地下水位、盐渍土竖向的分布确定。一般情况下，在地表4～6 m以下盐渍土含盐量相对地表的超强盐渍土降低较多，因此护筒埋设深度建议取5～8 m。GFRP护筒厚度可根据桩径和管材规格进行选择，建议壁厚选取在20～50 mm之间。GFRP护筒每米造价仅为钢护筒的50%左右。

由于城镇直埋供热管道外壳一般为“玻璃钢”，材料属性与GFRP属性近似，所以GFRP护筒区域侧阻力计算方法建议参照“GJJ/T81—2013城镇直埋供热管道工程技术规程”关于管道摩擦力的计算方法进行设计校核。GFRP护筒与土层之间单位长度的侧阻力计算见式(10)和式(11)：

(10)

K0=1-sinφ

(11)

式中：F为单位长度摩擦力；μ为摩擦系数；Dh为护筒外径；K0为土压力系数；φ为土内摩擦角；γ为土的重度，地下水位线以下取浮重度。

GFRP管材管壁的粗糙度较低，为提高GFRP护筒桩的侧阻力，可以通过一些构造措施，如增设表面凹槽，提高护筒与土体及混凝土之间的机械咬合力。

对于人工挖孔桩，GFRP护筒的埋设可以采用挖坑埋设法；对于钻孔灌注桩，可以采用扩孔放置法。挖坑埋设GFRP护筒的过程为：

(1) 开挖埋设GFRP护筒的土层，开挖时以桩中心为圆心，开挖半径取GFRP护筒半径200～300 mm，挖至设计埋深。

(2) 人工配合吊机吊放GFRP护筒就位，可采用十字交叉法校正GFRP护筒的位置，控制GFRP护筒中心线偏位≤50 mm，垂直度偏差≤1%。轻压就位后的护筒，使其顶面水平、四周稳固。

(3) GFRP护筒内浇筑混凝土，在此过程中不断校核GFRP护筒的平面位置和垂直度，直至埋设结束。

GFRP护筒桩扩孔放置法施工流程与挖坑埋设法的不同之处在于，先钻孔，后放置GFRP护筒：

(1) 旋挖钻机钻孔，对于埋设GFRP护筒的土层，钻孔时以桩中心为圆心，半径取GFRP护筒半径200～300 mm。

(2) 同挖坑埋设法的步骤(2)和(3)。

成桩后，GFRP护筒作为结构防腐的一部分，不得取出，且其顶部应与设计桩头平齐，即确保GFRP护筒伸入承台中且深度不小于100～150 mm。GFRP护筒的顶端宜高出地面300 mm。

利用管约束核心混凝土,除具有高效、施工便捷及耐腐蚀性好等优点外，还表现出：(1) 管的约束作用使核心混凝土处于三向受力状态，横向变形受到限制，承载能力得到了提高；(2) 混凝土能缓解管这种薄壁构件的屈曲[16]。

4 预应力灌注桩施工工艺

预应力灌注桩施工工艺流程见图2。与常规灌注桩相比，其主要区别在于预应力钢筋笼的制作及力筋的张拉与锚固。

4.1 钢筋笼制作及放置

预应力筋外套波纹管与普通钢筋、箍筋一同绑扎。预应力筋和普通钢筋沿桩周均匀间隔布置。波纹管需用定位筋固定牢固，每40 cm设置一道U字形架立筋，以免在混凝土浇筑过程中发生移位。

预应力筋底部可采用螺丝端杆锚具，保证后续能有效张拉预应力。力筋与孔道要求完全对中，且与桩身长度方向完全平行。波纹管底部需进行密封，防止混凝土浇筑过程中，进入波纹管内。锚具涂刷油漆类防腐涂料进行防腐处理。

对于多节钢筋笼，可将首节钢筋笼下放至钻孔，于孔位位置焊接普通钢筋，套筒连接预应力筋，同时保证波纹管连接的密实性。

图2 预应力灌注桩施工流程Fig.2 Construction flow of prestressed cast-in-place pile

4.2 力筋的张拉与锚固

对于预应力灌注桩，由于桩身完成浇筑后，底部锚具无法再调整，对底部锚具的安全性要求较高。

待混凝土强度达到设计强度的70%方可进行力筋的张拉。张拉前必须对混凝土强度、构件端部预埋件等进行全面校核。

图3 夹片锚具配套示意图Fig.3 Schematic diagram of clip anchor

预应力灌注桩上部张拉端一般采用带锥孔锚板的夹片锚具，如图3所示。张拉时，每个锥孔穿进一根钢筋，张拉后各自采用夹片将孔中的钢筋抱夹锚固，每个锥孔各自成为一个独立的锚固单元。

预应力的张拉采用双控，以张拉力控制为主，校核钢筋实际伸长量。张拉顺序采用分批对称张拉。锚固阶段锚具和力筋的内缩量应符合设计要求。

力筋张拉完成后，孔道注浆。注浆液采用高强、微膨胀水泥基注浆液，注浆压力大于2 MPa。在高应力作用下，预应力筋容易生锈，力筋张拉完成后，应尽快注浆。

5 结语

预应力灌注桩采用后张法有粘结预应力的工艺对灌注桩施加预应力，主要有以下优点：(1) 桩身混凝土持续处于受压的状态，不产生受力裂缝；降低腐蚀水体侵入到混凝土内部的速率，显著地提高了桩身防腐性能。(2) 增设GFRP护筒，将桩基与腐蚀环境隔离，与钢护筒相比，造价降低50%左右。(3) 增设预应力筋，减少桩身混凝土和钢筋的用量，降低工程造价。

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谈 磊

谈 磊 (1974—)，男，江苏南京人，高级工程师，从事输电线路杆塔结构设计及研究(E-mail:lvjian@jspdi. com.cn )；

宁帅朋(1993—)，男，河南新乡人，助理工程师，从事线路结构设计 (E-mail:ningshuaipeng@163.com)；

韩丽婷(1971—)，女，江苏南京人，副教授，从事土木工程领域科研及教学工作(E-mail: han-liting@163.com)。

(编辑陈 娜)

Anti-corrosionDesignandConstructionTechnologyforPrestressedCast-in-placePilewithSeriousCorrosioninTransmissionLineTowers

TAN Lei1， NING Shuaipeng1， HAN Liting2

(1. China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd., Nanjing 211102, China；2. College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China)

Due to serious corrosion of ground water in saline soil area, the durability of pile foundation is seriously reduced in transmission line towers. Prestressed cast-in-place pile, which was reinforced with prestressing tendon in pile body and applied prestress by the post tension method, provides significant improvement in construction durability. Through numerical examples, it is found the additional prestressing tendon can effectively increase pile body crack-control level and reduce material dosage in foundations. The advantage of GFRP guard barrel replacing steel guard barrel are narrated with the reduction of the construction costs and the local workload. The design method of prestressed cast-in-place pile, construction process and manufacture method of prestressed steel cage with tensioning and anchoring constructions control points are recommend in the paper.

cast-in-place pile; serious corrosion; GFRP guard barrel; construction technology

TU448

A

2096-3203(2017)06-0063-05

2017-07-05；

2017-08-31

江苏省产学研前瞻性联合研究项目(-S-B-Y-2-0-1-6-0-20488)