0 引言

　　目前，输变电工程的基础形式主要有岩石锚固基础、掏挖类基础、大开挖基础和钻孔灌注桩基础，各类基础的优缺点及适用条件如表1所示。

　　经比较，钻孔灌注桩基础具有施工方便、安全性好的优点。当地基承载力不满足要求，应该优先采用掏挖类基础和钻孔灌注桩基础。但是，普通泥浆护壁钻孔灌注桩存在工艺繁杂、桩体混凝土质量及承载力的稳定性差，质量事故概率高等问题;泥皮的润滑效应及孔底沉渣的软垫效应又造成桩承载力低、施工效率低、泥浆污染生态环境等缺点。为克服普通钻孔灌注桩存在的上述问题，长螺旋压灌桩(简称CFA工法，continuous flight auger piles)在20世纪90年代中期采用长螺旋钻孔泵送混凝土工艺。为克服普通钻孔灌注桩存在的上述问题，我国在20世纪90年代开始采用长螺旋钻孔压灌桩，即采用长螺旋钻机钻孔至设计标高，利用混凝土泵将超流态细石混凝土从钻头底压出，边压灌混凝土边提升钻头直至成桩，混凝土灌注至设计标高后，再借助钢筋笼自重或利用专门振动装置将钢筋笼一次插入混凝土桩体至设计标高，形成钢筋混凝土灌注桩。该类桩由于桩侧无泥皮，桩底无沉渣，较大幅度地提高了桩承载力。在国外，采用上述桩型已有30多年的历程，但尚无科学的插筋方法，同时，由于目前的质量检验方法与工艺不完全适合，影响了该技术的推广应用。

　　  

　　表1 输变电工程基础类型比较 

　　 

　　 

　　

　　地质聚合物(geopolymer)，简称地聚合物，是以天然矿物、固体废弃物以及人工硅铝化合物等为原材料的新型胶凝材料。其中，在土木工程领域内应用最为广泛的地聚合物为偏高岭土(metakaolin),20世纪80年代开始用于高强混凝土的外加材料。研究表明，偏高岭土10%～15%替代水泥基材，可以提高混凝土抗拉强度1.3倍，抗压强度2.0倍。同时，普通硅酸盐水泥市售价格300～400元/t，偏高岭土的细度325目售价约400元/t，经济性高。

　　本文旨通过对压灌桩技术施工工艺、质量评价、设计计算和地聚合物材料特性的研究进行总结，进而对地聚合物和螺旋钻孔压灌桩结合的技术在输变电工程中的应用进行展望。

　　1 压灌桩施工工艺与质量评价研究

　　1.1 施工工艺

　　长螺旋钻孔压灌桩是在长螺旋干钻法基础上发展而来的成桩技术，工艺原理为:采用长螺旋钻机钻至设计标高，利用混凝土泵将混凝土从钻头底部压出边灌注边提钻至成桩，然后将钢筋笼一次插入桩体，形成钢筋混凝土灌注桩的施工方法。灌注桩直径一般为400～800mm，钻孔深度30m以内，单桩承载力特征值1 200～3 000kN。与普通混凝土灌注桩相比具有以下优点:(1)受地下水位和复杂地质情况影响较小，能在有软土、流砂层、砂卵石层、有地下水等复杂地质条件下成桩;(2)不需要设置泥浆池和沉淀池，减少了临时用地，没有泥浆污染，符合环境保护和绿色施工技术标准要求;(3)由于混凝土是从钻杆中心压入孔中，成孔、成桩由同一台机器一次完成，混凝土密实，并对桩孔周围土有渗透、挤密作用，因此单桩承载力高，抗拔能力强。

　　长螺旋钻孔压灌桩施工过程如图1所示。当螺旋钻钻入地面时，螺旋钻的钻杆充满土壤，提供横向支撑并保持钻孔的稳定性(见图1a)。同时，通过泵送混凝土/水泥浆混合物，将螺旋钻从钻孔、混凝土或砂/水泥浆中抽出，通过螺旋钻管道的空心部分泵送至螺旋钻底部，为钻孔提供连续支撑(见图1b)。拔出螺旋钻后，立即将钢筋混凝土CFA桩的钢筋放入流动的混凝土/水泥浆的孔中(见图1c)。

　　

　　图1 CFA桩施工过程 

　　 

　　1.2 桩型比选

　　螺旋钻孔压灌桩与钻孔灌注桩(bored pile)和沉管挤密桩(driven pile)相比，由于施工工艺的不同，造成3种桩体对土体应力状态的改变不同。由于沉管桩施工过程的挤土作用，对土体有效应力改变最大，因而相同荷载下桩体的沉降最小。如图2所示，钻孔压灌桩的沉降介于沉管挤密桩和钻孔灌注桩之间。

　　

　　图2 不同类型桩基础的荷载-沉降曲线对比 

　　 

　　美国深基础研究所1990年制定了压灌桩的使用手册，内容包括材料、施工方法、机械和承载力。欧洲规范则采用两种不同的压灌桩:一种是长螺旋连续钻孔压灌桩，主要在常规钻机连续成孔后，提升过程中灌注混凝土;一种是钻孔灌注螺旋桩(screw piles,SPS)，主要采用带有螺旋翼的钻头成孔，成孔形状为螺旋形，放置钢筋笼后压入混凝土成桩，这种成桩方式的桩体直径通常在300～800mm，桩长可以达到30m。

　　CFA桩和SPS桩的施工方法具体如图3所示。CFA桩施工过程中，土的开挖采用一种双螺旋翼钻头，由上部的大直径扩大头和下部的螺旋钻头构成。当达到掘进深度(见图3a)，钻头提升0.5m，从钻头底部中心的小孔通过高压注入混凝土或水泥砂浆，然后钻头和注浆管继续提升，形成桩体(见图3b)。当钻头完全提出钻孔，开始将绑扎好的钢筋笼插入桩体(见图3c)。为了克服插入钢筋笼带来的阻力，通常采用机械振动的方法沉入钢筋笼。SPS桩施工过程中，通常采用厚翼缘的单独扩大钻头掘进(见图3b)。如果是在黏聚力较好的黏性土，则易形成螺旋型桩体;如果在砂砾土或饱和砂土中，则易形成坍孔或颈缩。最后，插入小直径套管和钢筋笼，高压注入混凝土或水泥砂浆形成桩体(见图3c)。

　　

　　图3 CFA桩和SPs桩施工过程示意 

　　 

　　1.3 质量评价

　　CFA桩通常为圆柱体，而SPS桩通常为螺旋形，两者相比较，SPS桩对混凝土的强度和流动性要求更高。O’Neill指出，在CFA桩或SPS桩在钻孔与提升的过程中，由于坍孔和颈缩，桩侧土体的侧压力系数K减小。这种侧压力系数的减小会对周围建筑产生影响，并产生桩身的质量缺陷。因此，压灌桩施工过程中，通常控制4个参数:螺旋钻扭矩、贯入速率、注浆压力、充盈系数(真实的混凝土密度与理论混凝土密度的比值)，以上参数主要通过机械自带的传感器系统实时记录。通过以上参数对比，可以推测成桩的质量，例如，如果灌入压力低于总的侧压力，且充盈系数同时<1，则说明该部位有可能发生了颈缩现象。此时可采用减慢提升速度、增大注浆压力的措施对该段桩体重新注浆。另外，扭矩和灌入速率的变化，也可以用来校正地质勘察过程中对地质分层的划分是否合理。Massarsch和Wetterling提出将变截面体施工机械应用在CFA桩中，主要通过可折叠螺旋翼将底部桩体截面扩大，并发现该桩体的承载力高于一般的CFA桩。

　　Viggiani提出一种简单的方法在施工过程中估算桩体周围是否为主动土压力。d₀为钻杆直径，v为钻头灌入速率，Δt时间内排出土的体积V_d为:

　　

　　 

　　土体由于钻头旋桩而被带出的土体积V_r为:

　　

　　 

　　式中:d为螺旋翼缘的外径;n为钻孔的钻速;p为每转下降的高度;如果土体未发生颈缩，则V_d≥V_r，则下沉速度应该为:

　　

　　 

　　2 压灌桩承载力计算方法研究

　　2.1 承载力计算基本过程

　　与其他类型的深基础类似，CFA桩的总轴向抗压(R_T)计算为侧阻力(R_S)和端承力(R_B)的组合:

　　

　　 

　　为了计算总侧摩阻力，必须首先将桩长划分为N个桩段。特定桩段“i”(长度L_i，直径D_i)的侧阻力是通过将桩段的单位侧剪切阻力f_s,i乘以桩段的表面积(πD_iL_i)得到的。通过将所有N个桩段相加，得出总侧摩阻力如下:

　　

　　 

　　端承力R_B采用如下公式计算:

　　

　　 

　　式中:q_p为端部承载力(kPa);D_B为端部直径。

　　对于端承桩，桩侧相对于周围土壤的垂直位移较小，通常<10mm。端承构件在较大位移下充分发挥作用，通常在桩端移动5%～10%的桩直径范围内。而对于沉管预制桩，沉桩过程中产生较大的桩侧阻力，会在较小的垂直位移下产生端部阻力。因此，CFA桩荷载试验的荷载-沉降曲线可能比典型打入桩的荷载-沉降曲线略缓，因此，用于计算沉管预制桩极限承载力的方法如果用于CFA桩，可能计算比较保守。

　　Reese和O’Neill提出作图法估算桩侧摩阻力和桩端承载力。位移(以直径比表示)对应的CFA桩阻力可由该CFA桩的计算极限阻力乘以给出的标准化系数得出。美国国有公路运输管理员协会AASHTO的设计指南认为，端部位移等于桩直径的5%时，极限端部承载力将发挥作用，Brown等提出的关于CFA桩阻力的研究使用了类似的定义。荷载作用下桩身的弹性压缩对桩身相对周围土的位移分布影响很小。对于CFA桩的典型桩长和荷载水平而言，弹性压缩相对较小，通常可以忽略不计。针对黏性土和无黏性土，以往研究则给出了不同的设计方法。

　　2.2 黏性土中CFA桩设计方法

　　美国联邦高速公路管理局FHWA采用的方法是应用最广泛的预测黏性土中CFA桩侧摩阻力和端承阻力的方法，桩侧的极限侧摩阻力(f_s)计算如下:

　　

　　 

　　式中:S_u为桩身土体的不排水抗剪强度;α为折减系数，其变化如下:

　　

　　 

　　式中:P_a是标准大气压，对于1.5<S_u/P_a≤2.5，α在0.55～0.45呈线性变化。

　　如果桩底位于黏土层，则侧摩阻力对桩承载力的贡献可忽略不计。如果顶层是黏性的，且暴露在大气中时，土体可能会从桩顶收缩。如果可能存在这种情况，则侧摩阻力贡献应忽略土体顶部1.5m或气候影响深度中较大者。该方法中，极限端阻力(q_p)计算如下:

　　

　　 

　　式中:S_u为桩端与桩端以下土的平均不排水抗剪强度;N_c^*为承载力系数。N_c^*值计算如下:对于200kPa≤S_u≤250kPa，且桩长L≥3d,N_c^*=9;若S_u<200kPa,L≥3d，则:

　　

　　 

　　式中:L为桩顶以下埋置长度，I_r为刚度指标，计算如下:

　　

　　 

　　式中:E_s指的是桩端下方土的不排水变形模量，由三轴试验或现场试验确定。如果CFA的桩身长度小于3倍桩直径，应降低极限单位端部承载力(q_p)。对于L<3d，有:

　　

　　 

　　Coleman和Arcement在现场荷载试验的基础上，对洪积和沉积软土提出经验计算方法，并对FHWA推荐的方法进行改进。对于不排水剪切强度S_u<150 kPa的情况，折减系数α可以采用如下公式进行估算:

　　

　　 

　　其试验数据如图4所示。但是以上公式是建立在密西西比州和路易斯安娜州当地经验的基础上，具有一定局限性。

　　

　　图4 折减系数α与不排水剪切强度S_u的经验关系 

　　 

　　2.3 无黏性土中CFA桩设计方法

　　对于无黏性土中CFA桩承载力的计算，美国联邦高速公路管理局FHWA推荐采用标准贯入试验(SPT)结果，使用SPT N₆₀值(每0.3m的锤击数)进行计算。

　　桩身的极限侧摩阻力(f_s)估计为:

　　

　　 

　　式中:K为土侧压力系数;σ'_v为垂直有效应力;φ为土的有效内摩擦角。β因子定义为:

　　

　　 

　　并且限制为0.25≤β≤1.2。桩身的β系数估计为:

　　

　　 

　　式中:Z为计算深度;N为0.3m的贯入击数。极限单位端阻力(q_p)估计为:

　　

　　 

　　式中:N₆₀为桩尖附近桩锤效率60%时的SPT-N值，通常取桩尖上方约1根桩直径至下方2或3根桩直径的深度间隔内的平均值。

　　Coleman和Arcement针对侧摩阻力<200kPa的粉土和砂土，提出了修正公式:

　　

　　 

　　式中:Z_m为平均深度，且β因子应限定在0.2～2.5。以上方法与FHWA提出的预测方程的比较如图5所示。

　　

　　图5 β因子与深度的经验关系比较 

　　 

　　2.4 群桩效应

　　群桩的承载力不一定是群桩内单桩承载力之和，单个桩的影响区可能与其他桩相交，这取决于桩间距，如图6所示。群桩效应通常用群桩效应系数η_g定义:

　　

　　 

　　式中:R_ug为桩群的极限阻力;R_u,i为桩群中第i根桩的极限阻力。

　　

　　图6 群桩效应示意 

　　 

　　挤密作用通常会增加周围土壤的有效应力，因此当作用区重叠时，可产生大于单个桩承载力总和的群桩承载力。相反，开挖桩(如钻孔桩和CFA桩)由于土体开挖，通常会降低周围土体的有效应力，对先前完成桩的横向约束力产生不利影响。目前，CFA群桩的设计一般采用常规钻孔桩的群桩效应系数。

　　对于无黏性土，国外CFA群桩效应系数常采用规范AASHTO(2002)的规定，即对于中心间距2.5倍桩径范围，η=0.65;对于中心间距为6.0倍直径范围，η=1.0。但是，小尺度试验结果表明，桩中心距约为3～4倍直径时，η可达到1.0或更高，0.67可能是η的下限值。因此，直接采用AASHTO(2002)规范可能会导致对CFA群桩承载力的估计偏于保守。

　　在黏性土中，CFA桩的群桩效应仍采用常规钻孔桩的块体破坏模型计算，η限制为1.0。其承载能力R_Block由群桩外围的侧摩阻力和端部的承载力之和计算:

　　

　　 

　　式中:D,Z,B分别代表群桩块体的深度、长度和宽度。但是，目前尚无研究对该计算方法进行现场验证。

　　3 高强度混凝土材料研究

　　以偏高岭土为代表的地聚合物，是高岭土热处理过程中的一个中间产物。在水泥基材料体系内部发挥火山灰效应的过程，实际上是经过高温煅烧后的高岭土内部活性Si O₂和Al₂O₃等氧化物与水泥水化产物Ca(OH)₂的反应过程。国内外学者自20世纪80年代，已经开始将偏高岭土应用到混凝土添加剂，同时发现其能有效改善混凝土强度和耐腐蚀性等，具有广阔的应用前景。

　　基于大量的室内试验结果发现，在混凝土中掺入一定量的偏高岭土后，能够快速提高混凝土块体的早期抗压强度。同时，Shekarchi等发现偏高岭土还可以提高水泥基材料的抗拉强度以及抗弯强度。此时，对应的块体总孔隙率以及大孔隙体积均大幅度降低，而胶结性水化产物的数量与混凝土浆液水化过程中释放的能量却大幅增加;除此之外，其亦能够提高混凝土的抗侵蚀及抗冻融劣化等能力，提高结构耐久性。

　　Li等^[20]采用MTS伺服式万能试验机，对掺量0%,5%,10%,15%偏高岭土混凝土的轴拉强度展开研究。试验结果表明，偏高岭土对混凝土的流动性影响较小，只需适当增加高效减水剂的掺量即能保持与基准混凝土相同。混凝土中掺入10%～15%的偏高岭土能有效提高轴拉强度。偏高岭土掺量为5%～10%时，轴拉应力-应变曲线与x轴包围的面积显著增加，间接表明混凝土的冲击韧性得以有效改善，早期抗压强度提高更为显著。邓永锋等^[32]采用无侧限抗压强度分析研究了偏高岭土对水泥土的力学强度的影响规律，试验结果表明:地聚合物掺入水泥土后，水泥土的无侧限抗压强度得到了大幅度的提高，活性区域和惰性区域组成，转折点对应的偏高岭土掺量为3%，如图7,8所示。

　　

　　图7 水泥土无侧限抗压强度与偏高岭土掺量间的关系 

　　 

　　

　　图8 强度增量比与养护时间增量的关系 

　　 

　　通过以上研究发现，偏高岭土添加剂可以有效提高混凝土的抗拉强度，通过配合其他添加剂，可进一步减少配筋率，从而降低压灌桩造价，解决后插筋困难的问题。

　　4 结语

　　综上所述，从施工工艺来看，与普通灌注桩施工工艺相比，长螺旋钻孔压灌桩施工，不需要泥浆护壁，无泥皮，无沉渣，无泥浆污染，施工速度快，造价较低。从成桩质量来看，由于灌压桩体的充盈系数大，与桩壁结合紧密，有效提高了桩侧摩阻力和抗拉拔承载力。从计算方法来看，由于应用时间较短，尚无相关成熟的计算方法。从桩身材料来看，采用偏高岭土结合压灌技术，则可以既提高抗拉强度、抗压强度和耐久性，又可以解决压灌技术后插筋困难的缺点。因此，地聚合物高强度混凝土材料和螺旋钻孔压灌桩工艺结合，在输变电基础工程中具有良好应用前景。