深厚砂層地基振沖灌漿加固處理技術研究

劉海軍

(吉林省現代城建軌道交通勘察設計院有限公司，長春 130031)

0 引言

對于在砂土特別是厚層砂土地基中修建結構物，大都困難重重，經常會導致基坑不能成形或即使成形也不穩定，容易出現垮塌事故［1-2］。福堂水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內的長江一級支流岷江中上游，設計裝機容量360 MW。閘址距汶川縣城15 km，最大閘高31 m，閘長187 m。閘基防滲采用混凝土防滲墻，墻軸線長195.81 m，墻深18～45 m，直線工期120 d。依據壩址地質條件和壩體形狀與尺寸、壩體土體自重及其承受的附加應力，綜合正常設計及施工技術，在澆筑防滲墻時必須采取開挖置換的方法進行地基處理。但是，如果在揭露出深厚砂層過程中，開挖至厚砂層地下水位以下時，再采取置換處理已不現實:一是不能確保工期，二是成本太高，三是壩體安全與穩定得不到保證。

福堂水電站閘基防滲墻軸線0+090～0+110.0段出現面積為500 m2，厚3～15 m、寬約20 m的深厚砂層，且大部分砂層處于地下水位以下。河床地層結構有3層，具體如下:①填土層:灰色、褐色，松散至稍密，主要由山坡土組成，含有碎石和大量黏土，層厚1～3 m。②粉質黏土層:黃褐色，砂及粉質土層，系堰塞湖相沉積物，一般厚3～15 m，透水性微弱。③松散砂卵石層:卵石含量約占5% ～8%，其余大部分為灰褐色的砂粒，砂粒徑為0.2～3.0 mm，承載力較低，遇水易液化，厚度為10～20 m。

從施工實踐看，在上述厚砂層特別是在地下水位以下開挖并澆筑防滲墻時，砂層都會出現流態并且基坑垮塌嚴重，基坑成形困難，嚴重影響大壩的穩定和工程建設的安全、質量與工期。因此，必須研究出更為合理及可行的閘基防滲處理方法和技術，才能確保混凝土防滲墻成槽施工順利、安全，并完全達到閘基承載力要求。

1 加固處理方案分析

1.1 處理后壩體強度要求分析

因砂土的粘聚力基本為零，其內摩擦角等力學參數和強度指標均較差，必須增大砂土地基的強度并適當降低其可壓縮性。依據地基處理理論要求［3-4］，結合厚層砂開挖難以成形的實際情況，選擇振沖碎石樁作為散體材料樁。利用碎石置換砂土以及通過擠密土體而形成較高強度的樁柱體，來提高承載力并減小沉降，從而加固砂土，使得基坑能夠成形且穩定。由電站大壩設計規模及成壩后的蓄水高度分析，結合河床基礎承載要求與沉降允許范圍，經振沖加密處理后的復合地基壓縮模量和抗剪強度等指標應比原土層有較大提高。在振沖后，內摩擦角提高到23°以上，壓縮模量應大于23 MPa，復合地基承載力須大于200 kPa，并具有抗液化能力，才能滿足壩體承載力要求。

1.2 處理方案分析

振沖設備選擇適合深層砂粒地層振沖處理的100 kW振沖器。振沖器具有穿透力強、造孔速度快、“抱孔”現象少且成樁深度大等優勢。按地基加固技術［5］，得出具體設計方案及其參數如下:

1)振沖碎石樁的間排距為1.5～2.0 m，平均間排距1.7 m，按梅花形布置;

2)振沖深度以穿過深厚的砂層為原則(3～15 m)，個別孔深達20.0 m;

3)孔位誤差不大于10 cm，密實電流為80～130 A，留振時間為10～15 s，加密段長0.5 m，填料粒徑為20～40 mm。

4)振沖加固后地表1m左右范圍內由于上部壓力小，密實度不易保證，作挖除處理。

2 加固處理施工及其效果分析

施工過程中，振沖加固地層的順序視土質和現場條件而定，一般可由里向外施工或由一邊向另一邊順次進行施工。由于福堂水電站地層條件較差，并且在振沖加固范圍附近有易受振沖影響的坡體，因而采用鄰近坡體的一邊開始施工，逐步向遠坡體方向推移。福堂電站砂層處理施工中，制作碎石樁441根，平均樁長13.5 m，總進尺5 953.5 m，每 m2平均填料0.9 m3，共回填碎石5 400 m3，獲得了較好的效果。

2.1 施工工藝及流程

施工工藝及流程為:確定孔位→吊車和振沖器就位→啟動振沖器→振沖器沖貫入地層直達設計深度→下入填充料(二級配碎石)并自下而上分段振沖密實→全孔加固結束形成樁后→固結灌漿→孔位轉移，具體見圖1。

圖1 施工工藝流程

2.2 振沖施工

1)造孔:振沖器貫入地層造孔時，振沖時的水壓大小主要取決于地層情況，一般保持0.03～0.08 MPa，貫入速度一般在1～2 m/min內，振沖造孔施工見圖2。

圖2 振沖造孔施工

2)填料:采用自下而上邊振動邊填料的方法，從孔口四周均勻下料，填料時保持小水量供給，使填料處于飽和狀態。當填料粒徑較大時，將振沖器提出孔口再加填料，每次加料數量不超過成樁面0.5 m，填料后保證振沖器能貫入到原提起前深度，防止發生漏振。

3)振密:振沖樁的密實程度以振沖器電機工作時顯示的電流為控制標準，福堂水電站砂層中使用100 kW振沖器施工，當電流值達到80～130 A時為振沖密實。

4)灌漿:振沖完畢后，采用0.5∶1.0的純水泥漿進行充填式灌漿處理。因振沖時填入了級配料，在灌漿時能順利灌入水泥漿液，整個砂及級配料形成一個二級配混凝土實體，能達到混凝土防滲墻成槽及壩基承載力要求。

5)施工質量控制:影響振沖施工質量的主要因素包括制樁電流、加密段長度、留振時間、填料量等。由于工程設計要求比較高，施工難度大，故針對在該地層中的粉土樁體不易密實的問題，采取了適當提高制樁電流、延長留振時間、減小加密段長度、孔位的偏差控制等相應措施，以保證該土層部位樁體的密實度，從而確保振沖施工質量。

2.3 加固效果檢測與分析

砂土處理后，測得相對密度由53%提高到80%以上，為原始密度的 150.9%。另外依據檢測技術［6-7］，采用標準貫入試驗、靜力承載力試驗以及局部開挖檢查等方法，在施工7 d后對福堂電站砂層處理效果進行了檢測。

1)標準貫入檢驗:振沖施工完畢后，對部分振沖樁進行了標準貫入檢驗。在此僅列出5-4#孔標準貫入檢驗結果，見表1。由表1可知，經振沖后，壩基砂層平均標貫數由12.5擊提高到37.8擊，為原來擊數的302.4%，大大增強了地基承載力。

表1 5-4#檢查孔標準貫入檢驗成果統計

2)復合地基承載力試驗:振沖施工完畢后，對3根樁進行了單樁復合地基承載力試驗，試驗結果見表2。由表 2可知，加固處理后，地基承載力平均達231.5 kPa，最大沉降為52.13 mm，達到設計要求。

表2 加固后地基承載力試驗結果

3)復合地基變形模量及文克爾系數(即基床系數)分析:依據文獻［8］，對加固后地基變形模量進行分析，結果見表3。由表3可知，在相同參數條件下，因散粒體構成碎石樁使其密實度受到較大影響，試驗得出的變形模量差異較大，符合實際情況。

表3 計算分析結果

4)復合地基承載力分析結果見圖3。從圖3可知，11-5#樁的復合地基載荷試驗P-S曲線沒有明顯拐點，與復合地基的工程特性相符合。

依據載荷試驗結果，綜合其他檢測方法得出的試驗數據，分析出復合地基承載力特征值為230 kPa，復合地基變形模量為 25 MPa，文克爾系數為 0.019 N/mm3。說明采用振沖灌漿加固后，砂土的各力學指標得到較好的改善，樁體密實度良好，地基承載力得到了較大的提高，完全可以滿足工程實際需要。

圖3 11-5#樁的復合地基荷載試驗P-S曲線

3 結論

1)福堂水電站閘基砂層抗震加固工程表明，對砂土特別是厚砂層采用振沖灌漿加固處理方案是切實可行的。施工中采用的碎石樁及其布置參數，以及每m2用碎石填料0.5 m3，可使砂土的各項力學指標得到較好的改善且樁體密實度良好。地基承載力得到了顯著提高，可確保電站閘基混凝土防滲墻成槽施工，完全能夠滿足工程實際需要。

2)應用100 kW振沖器在振沖施工中具有較大的優越性，施工效率大幅提高，對碎石樁及樁間土加密效果顯著增強，并能解決部分土層中因含大塊石而無法成孔問題。

3)因砂土地基本身及施工條件的復雜性，采用振沖灌漿方法對其加固處理，還須對碎石樁規格、樁位參數、填料量及其對砂土地基強度的影響進行進一步研究。

［1］王峰.振沖法加固軟土地基的設計、施工及其發展［J］.江蘇建筑，2009(4):70-73.

［2］李增華.振沖碎石樁加固鐵路路基的設計與應用［J］.鐵道建筑，2009(12):89-91.

［3］鮑德松，于洪剛，張全勇.振沖碎石樁技術在地基處理中的應用［J］.巖土工程界，2009，12(11):31-33.

［4］楊玉春，郜玉虎，孫艷春.振沖法加固地基設計［J］.黑龍江水利科技，1998(14):61-63.

［5］龔曉南.地基處理新技術［M］.西安:陜西科學技術出版社，1997.

［6］唐賢強.地基工程原位測試技術［M］.北京:中國鐵道出版社，1993.

［7］馮偉，王俊杰，楊偉.哈達山工程土壩砂土振沖加密試驗檢測分析［J］.資源環境與工程，2009，23(5):663-666.

［8］中華人民共和國建設部.GB50021—94 巖土工程勘察規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，1995.