沖擊引孔輔助振沖工藝處理復雜地層液化技術

□文/陳紅超

沖擊引孔輔助振沖工藝處理復雜地層液化技術

□文/陳紅超

為消除處于震區的某水電站下臥軟弱液化層的危害，工程需要穿透上部深厚漂卵石覆蓋層，對下部液化砂層進行處置。采用沖擊引孔結合振沖工藝在工程現場進行試驗，經過數據分析與對比，驗證了該工藝處理復雜液化地層的可行性。

振沖；液化；復雜地層；沖擊；引孔

振沖工藝對碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土及濕陷性土等地基加固處理、各類可液化土的加密和抗液化處理，已經在多個國家多個領域內應用。

楊玉光等[1]介紹了振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應用，采用ZCQ-75KW振沖器，連續填料、強迫制樁施工工藝，平均制樁深度為基礎墊層以下5 m，檢測結果滿足工程要求。陳東乾[2]介紹了平潭長江澳風電廠振沖地基處理方案，設計樁長9 m，樁徑0.7 m，采用ZCQ-30KW振沖器成樁，消除了砂土液化。許詩貴[3]介紹了杞麓湖隧道進口基礎處理方法，地基為第四系湖積層，系可塑及軟塑狀淤泥質粘土，采用ZCQ-50KW振沖器，振沖深度5～12 m，通過檢測，振沖樁的密實度、承載力及沉降量均達到標準。林代銳[4]結合工程實例介紹了振沖碎石樁在砂土地基處理中的應用，主要采用ZCQ-30KW，在粘土和粉細砂地基中制樁長度約6 m，檢測結果表明加固后地基抗液化性質良好。上述工程主要在砂土、淤泥質土等相對單一軟弱層中利用振沖工藝處置，工藝較為成熟，工程質量可靠。對于孤漂卵石層下臥的液化砂層處置，單靠振沖工藝無法滿足要求。在陰坪水電站首部樞紐工程項目上對這種復雜地層液化處置進行了試驗研究。

1 工程概況

陰坪水電站首部樞紐位于北部文縣弧形構造帶、西部岷江—雪山—虎牙斷裂帶和東南部龍門山斷裂帶所圍限的楔形地塊的中南部，地震頻發。樞紐地層情況復雜，地基自上而下分8層，在地基⑦、⑥層中有大量孤漂石及漂木，振沖碎石樁底線應穿過⑤層（液化砂層）底線至少1 m，振沖器無法直接貫入，利用擊成孔輔助振沖工藝進行現場試驗。

2 地質勘察

2.1 原始覆蓋層物理力學性能

經現場勘察，試驗水電站閘壩區原始地層性能參數見表1。

表1 閘壩區原始覆蓋層物理力學參數

地層結構層次復雜，存在軟弱下臥層，承載力、壓縮模量、抗剪強度低且存在液化層。

2.2 地層分布

河谷呈不對稱“U”型，為較典型的橫向谷。河床覆蓋層主要由砂卵礫石、砂及壤土組成，自上而下分為8層。

1）⑧層。褐黃色粉砂質壤土層，鉆孔揭示該層厚0～5.92 m。結構疏松，為崩坡積、沖積混合成因。碎礫石主要為二云母石英片巖，土為淺黃色壤土，可見大量植物根系。

2）⑦層。含漂砂卵礫石層，厚2.83～8.25 m，該層結構較松散，漂（塊）卵礫石粒徑20～30 cm，卵石粒徑5～8 cm、礫石粒徑0.5～1 cm，圓～次圓狀；砂為灰褐色中細砂。

3）⑥層。深灰色粉砂質壤土層，厚0～8.78 m，最小埋深3.15 m。結構較緊密，含水量較高，呈軟塑～流塑狀，含有機質。

4）⑤層。砂層，厚2.37～20.16 m，最小埋深4.9 m，分布較連續，河床附近較厚，向岸坡方向變薄，上游較厚達18.83～20.16 m，下游變薄僅2.37 m。該層主要為灰褐～黃褐色粉細砂～中粗砂，二者界限不明顯，以粉細砂夾中粗砂透鏡體更常見。該層結構較松散，見3～5 cm碎石包含物。

5）④層。深灰色粉砂質壤土層，層厚0～8.52 m，最小埋深9.1 m。該層結構較緊密，多呈硬塑狀。

6）③層。塊碎石土層，分布較連續，層厚0～8.47 m，塊石粒徑40～60 cm；碎石粒徑3～10 cm，多呈棱角狀，部分呈次圓狀；礫石粒徑1～2 cm，次棱角狀；土為砂土。

7）②層。深灰色粉砂質壤土層，層厚0～18.0 m，該層結構緊密，多呈硬塑狀。

8）①層。含漂砂卵礫石層，分布于河谷底部，該層厚度變化較大，厚0～55.21 m。漂石粒徑30～50 cm；卵石粒徑5～15 cm及2～3c m。

3 設計要求

要求處理后的第⑤、⑥層復合地基壓縮模量和抗剪強度比原土層有較大提高；復合地基⑤、⑥層分層承載力＞0.35 MPa并具有抗液化能力。故采取振沖碎石樁工藝對地基進行處理。

4 振沖碎石樁作用原理

4.1 抗液化

針對砂性土及少粘性土，振沖法主要是通過振密、排水減壓以及預振效應增強抗液化能力。

4.2 改善復合地基工程性態

針對復合地基工程特性，振沖碎石樁主要功能有減少地基的沉降和不均勻沉降，提高地基的承載力與穩定性以及發揮墊層作用。

4.2.1 減少地基的沉降和不均勻沉降

復合土層的壓縮模量[5]

n——樁土應力比，σp/σs=n，σp為樁頂壓力，σs為樁間土上壓力；

Ep——復合地基中碎石樁的壓縮模量，MPa；

Es——樁間土的壓縮模量，MPa。

由式（1）可知，復合土層的壓縮模量大于原土的壓縮模量且隨置換率m、樁土應力比n的增大而增大，即樁愈密，樁愈強硬，復合地基的沉降就愈小，相應的不均勻沉降也隨之減少。

4.2.2 增大地基承載力與穩定性

1）復合地基的承載力[5]

軟弱層承載力較低，要求作用在頂面處的附加應力及自重應力之和不超過此層修正后的承載力。

式中：Pz——軟弱下臥層頂面處的附加應力標準值；對于矩形基礎kPa；其中P0為基底平均應力標準值，kPa；b為基礎底面寬度，m；l為矩形基礎底邊長度，m；θ為地基壓力擴散角，（°）；對于z＜0.25b、θ=0，Pcz為軟弱下臥層頂面處的自重應力標準值，kPa；

faz——軟弱下臥層頂面處的經深度修正后地基承載力特征值，kPa；

fak——地基承載力特征值，kPa；

ηb、ηd——基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數；

r、rm——基礎以下土的重度和基礎以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

d——基礎埋置深度，m。

2）振沖樁復合地基的承載力[5]

式中：fsp，k——復合地基承載力標準值，實為樁土共同協調的承載力標準值，kPa；

m——面積置換率；

n——樁土應力比；

fsk——樁間土承載力特征值，kPa；

fpk——樁體單位截面積承載力特征值，kPa。

3）復合土體抗剪強度Ssp為碎石樁體與樁間土抗剪強度共同組成[5]

復合地基抗剪強度指標

式中：CspCs——復合土體和樁間土的凝聚力；kPa；

μp——應力集中系數；

P——復合地基上作用荷載的平均強度，kPa；

rp——碎石樁密度，kg/m3；

Z——柱條復合土體的研究點的弧段深度，m；

θ——滑動面在地基某深度處的剪切面與水平面的夾角，（°）；

φs、φp——樁間土和碎石樁的內摩擦角，（°）；

m——面積置換率；

n——樁土應力比。

5 振沖碎石樁試驗方案

5.1 樁孔布置

振沖碎石樁以等邊三角形布置，設計成樁直徑為1 m，樁間距為1.5 m，振沖碎石樁底線應穿過⑤層（砂層）底線至少1 m。在試驗施工區鉆5個檢測孔，其中JBT1、JBT2做地震波速測試、樁間土標貫、注水試驗并取芯，JBZ1、JBZ2、JBZ3做樁身觸探，JBZ2做樁身取芯，檢測鉆孔布置見圖1。

圖1 試驗孔布置

5.2 填料要求

采用具有良好級配的碎石，其飽和抗壓強度＞40 MPa，含泥量（＜0.075 mm）≯5%且無腐蝕性、性能穩定，不得使用強風化易軟化的石料。材料粒徑20～100 mm，個別最大粒徑≯120 mm。

5.3 振沖施工參數

振沖施工參數見表2。

表2 振沖施工參數

5.4 振沖施工流程

振沖施工流程見圖2。

圖2 振沖施工工藝流程

6 試驗結果

試驗結果見表3-表6。

表3 振沖試驗樁間土標貫成果(修正后)

表4 振沖試驗區JBT1鉆孔地震波速砂土液化判別

續表4

表5 振沖試驗樁身（超）重力觸探試驗成果

表6 振沖試驗區單樁豎向抗壓靜載試驗結果

7 結論

1）復合地基承載力驗算滿足工程要求。

2）經過振沖處理后，第5、6層承載力、抗剪強度較原地層明顯提升。

3）通過前后地震波速數據分析，第5、6層經振沖工藝處理后基本消除了液化風險，滿足了工程需要。

4）通過試驗可知，沖擊鉆引孔輔助振沖工藝，可以有效地克服復雜地層，處理其下臥軟弱液化層。

[1]楊玉光，魏鳴冬，陳忠文，等.振沖碎石樁在大沙河倒虹吸工程中的應用[J].東北水利水電，2005，23（12）：25-26.

[2]陳冬乾.振沖碎石樁在平潭長江澳風電場的應用[J].電力勘察設計，2005，（6）：19-22.

[3]許詩貴.振沖樁在杞麓湖隧道進口基礎處理中的應用[J].云南水力發電，2006，22（3）：29-33.

[4]林代銳.振沖碎石樁在砂土地基處理中的應用[J].工程技術與管理，2006，（25）：16-17.

[5]何廣訥.振沖碎石樁復合地基[M].北京：人民交通出版社，2001.

TU472

C

1008-3197（2016）06-68-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2016.06.023

2016-10-31

陳紅超/男，1981年出生，工程師，中國水電基礎局有限公司，從事工程技術管理工作。