深厚覆蓋層振沖碎石樁貫入速度減慢原因及施工工藝

楊 培 忠

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 611731)

1 概 述

工程首部樞紐由擋泄水建筑物和右岸取水建筑物組成。擋水建筑物沿壩軸線呈一直線布置，壩軸線總長269.19 m。從左至右布置有：左岸混凝土心墻土石壩、5孔泄洪閘、1孔沖沙閘、儲門槽壩段、右岸混凝土心墻土石壩。右岸心墻土石壩的上游側(cè)布置右岸取水建筑物。各水工建筑物基礎(chǔ)均為深厚堰塞湖相堆積層，為軟基，基礎(chǔ)承載力低，設(shè)計(jì)布置有深約10～25 m不等的振沖碎石樁(樁徑0.8～1 m，間排距1.8 m×1.8 m～2.5 m×2.5 m，梅花形布置)共計(jì)2 413孔對地基進(jìn)行處理加固。振沖碎石樁開始施工時(shí)遇到貫入速度減慢(幾小時(shí)～1天),貫入困難，功效低問題，懷凝下伏有“砂礫石層”或“孤塊石層”等硬層，如果不進(jìn)行施工工藝改進(jìn)，將大大影響工程進(jìn)度。

2 振沖碎石樁施工情況

前期地勘資料[1]顯示，河床閘基段覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)堰塞湖相堆積層，少量沖積層和崩坡積層，總厚度70～103.3 m，具多層結(jié)構(gòu)。河床及漫灘表層為2.7～9.6 m厚的沖積堆積Q42al-②漂(卵)礫石夾砂，其下部為堰塞相堆積的Q4ys-②砂壤土、Q4ys-③壤土層，其中砂壤土層結(jié)構(gòu)松散，零星含朽木塊、木屑，隨機(jī)分布，高程不統(tǒng)一，一般長約3～4 cm，粗約2～5 cm，偶夾2～3 cm卵石。壤土層土質(zhì)較純，可塑狀，脫水干裂，遇水崩解，手拍有水泄現(xiàn)象，鉆探中常縮徑。根據(jù)《振沖碎石樁施工技術(shù)要求》[2]，閘室基礎(chǔ)共布置371孔振沖碎石樁，樁徑0.8 m，孔深20 m，間排距2 m×2 m，梅花形布置，要求深入壤土層2 090高程。為達(dá)到要求，現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)振沖深度為24 m。

最初近50孔振沖碎石樁開始生產(chǎn)性試驗(yàn)時(shí)采用的是傳統(tǒng)施工工藝，即直接振沖造孔、清孔、加料振密，采用的振沖器功率為125 kW。樁體材料采用砂卵石料，控制粒徑2～15 cm。施工基本程序?yàn)椋涸炜住蹇住盍稀用堋?/p>

試驗(yàn)于2010年11月9日開工。據(jù)施工資料反映，2010年11月9日～11月30日期間施工的振沖碎石樁造孔深度一般17～18 m，最深20～23.5 m，振沖深度一般6～7 m，最小1～1.2 m。填料振沖時(shí)，振沖器一般在18～19 m貫入速度較慢(幾小時(shí)～1天)，功效低，懷凝下伏有“砂礫石層”或“孤塊石層”等硬層。

2010年11月30日～12月20日期間施工的振沖碎石樁造孔深度一般10～12 m，振沖深度一般12～14 m。填料振沖時(shí)，振沖器一般在18 m前貫入速度較慢(幾小時(shí))，功效低，懷凝下伏有“砂礫石層”或“孤塊石層”等硬層。

2010年12月20日～12月31日期間施工的振沖碎石樁嘗試不造孔，直接振沖。填料振沖時(shí)，振沖器一般在14.5～16 m處貫入速度較慢(0.5～1 h)，功效低，懷凝下伏有“砂礫石層”或“孤塊石層”等硬層。

值得注意的是，振沖施工時(shí)，為防止下部軟土層沉陷，平整場地未挖除地表砂礫石層。

3 取樣試驗(yàn)及原位測試

為解決上述問題，我院進(jìn)行了專題勘察[3]，對涉及基礎(chǔ)處理的Q42al-②漂(卵)礫石夾砂進(jìn)行了N120超重型動力觸探原位測試，對Q4ys-②砂壤土層、Q4ys-③壤土層進(jìn)行了N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入和室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。各土層N120超重型動力觸探試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1，N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表2。

觀察組患者不良反應(yīng)發(fā)生率為16.25%，對照組患者不良反應(yīng)發(fā)生率為12.86%，兩組相比，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表4。

從原位測試和室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)分析，樞紐區(qū)Q42al-②漂(卵)礫石夾砂動力觸探錘擊數(shù)N120=0.9～6擊/10 cm，局部N120=6.5～15.1擊/10 cm，大多為松散～稍密層，局部屬中密～密實(shí)層。

表1 N120超重型動力觸探試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

Q4ys-②砂壤土層>0.075 mm顆粒含量為51.6%，0.075～0.005 mm含量為39.5%，<0.005 mm含量為8.9%，屬重砂壤土；天然干密度為1.65 g/cm3，天然含水量為24.5%，孔隙比為0.66，液性指數(shù)為0.70，壓縮系數(shù)為0.104 MPa-1，屬中等壓縮性，結(jié)構(gòu)松散。其中輕壤土夾層屬透鏡體，液性指數(shù)為0.26，可塑狀。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5=3～13擊/30 cm，平均8.1擊/30 cm，變形模量E0=13.3 MPa，承載力低。

Q4ys-③壤土層>0.075 mm顆粒含量為1.0%，0.075～0.005 mm含量為82.5%，<0.005 mm含量為16.5%，大多為重或中粉質(zhì)壤土；天然干密度為1.36 g/cm3，天然含水量為40.3 %，孔隙比為2.01，液性指數(shù)為0.79，壓縮系數(shù)為0.336 MPa-1，屬中等壓縮性，呈可塑狀。其中輕粉質(zhì)壤土夾層屬透鏡體，液性指數(shù)為0.86，軟塑狀。

4 專題勘察與前期勘察對比

專題勘察與前期勘察查明，首部樞紐河床閘基段覆蓋層均由第四系全新統(tǒng)沖積堆積層、堰塞湖相堆積層和崩坡積堆積層組成，總厚度70～103.3 m，具多層結(jié)構(gòu)。中上部結(jié)構(gòu)層次明顯，變化不大，均為Q42al-①地表砂壤土層、Q42al-②漂(卵)礫石夾砂、Q4ys-②砂壤土層、Q4ys-③壤土層及Q4col+dl孤塊碎石土層等。專題勘察與前期勘察河床中上部各土層土性特征列于表3。

從表3可以看出，專題勘察與前期勘察河床中上部各土層從埋深、分布高程、厚度及土性特征等方面綜合對比，河床覆蓋層結(jié)構(gòu)層次明顯，尤其是上部漂(卵)礫石夾砂與砂壤土層分界線清楚，各層分布高程、厚度接近，土性特征一致。專題勘察河床左岸堰塞堆積層下未見崩坡積層分布，右岸揭示崩坡積層埋深10 m以下，與前期勘察一致。因此，專題勘察與前期勘察河床中上部覆蓋層除施工區(qū)域改造外，基本無多大變化。

表3 專題勘察與前期勘察河床中上部各土層土性特征對比表

5 振沖碎石樁貫入速度減慢原因分析

根據(jù)當(dāng)時(shí)近50根樁的施工情況和前后期地質(zhì)資料分析，振沖碎石樁在振沖成樁的過程中貫入速度減慢，遇到困難與懷凝下伏有“砂礫石層”或“孤塊石層”等硬層沒有關(guān)系。其主要原因?yàn)椋?/p>

(1)與Q4ys-③層壤土層(埋深15.1～42.5 m)縮孔有密切關(guān)系，如振沖時(shí)返出的泥漿較稠，孔中有狹窄或縮孔段未及時(shí)進(jìn)行清孔、擴(kuò)孔，不利填料沉落；

(2)平整場地未挖除地表2.7～9.6 m厚的砂卵石層，沖擊造孔未進(jìn)行護(hù)壁，且1 m口徑的套

管僅下到1 m左右的深度，未將上部砂卵石層隔離，致使沖擊造孔及填料振沖時(shí)上部均有部分漂石(>20 cm)塌孔隨沖擊鉆或振沖器帶入到壤土層縮孔段受阻；

(3)與造孔深度有關(guān)系，造孔深度越深，漂石帶入軟土層越多，反之造孔深度越淺，漂卵石帶入軟土層較少；

(4)與振沖設(shè)備功率有關(guān)系，最先采用的振沖器功率僅125 kW，偏小。

6 施工工藝建議

(1)建議采用CZ系列型鋼絲繩沖擊鉆機(jī)先引孔，后振沖[4]，引孔深度根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件而定；

(2)采用大功率的振沖設(shè)備[2]，如150 kW或180 kW振沖器施工；

(3)建議施工振沖碎石樁前挖除較厚的砂卵石層，保留1～1.5 m厚的砂卵石作為施工平臺，沖擊造孔采用水泥或泥漿對砂卵石層進(jìn)行護(hù)壁，防止造孔或振沖成樁時(shí)將上部漂石帶入壤土層縮孔段；

(4)如振沖時(shí)返出的泥漿較稠，遇到壤土層縮孔段應(yīng)進(jìn)行清孔、擴(kuò)孔。清孔可將振沖器提出孔口或在需要擴(kuò)孔段上下提拉振沖器，使孔口返出泥漿變稀，振沖孔順直通暢以利填料沉落；

(5)由于下部砂壤土、壤土層易被壓力水沖刷，上部漂石易被帶入軟土層，建議引孔深度宜淺。

該工程閘壩地基振沖碎石樁處理于2010年11月開始，遇到上述問題后于2011年1月采用了勘測單位的詳細(xì)專題勘探資料及對施工工藝的建議，改進(jìn)了施工工藝，施工順利，于2012年12月完成了全部振沖碎石樁地基處理，縮短了工期，取得了顯著的成效。

7 結(jié) 語

丹巴關(guān)州水電站壩基覆蓋層深厚，為軟基，下部壤土層具有縮孔特性，振沖碎石樁開始施工時(shí)直接振沖且未對上部砂卵石層進(jìn)行挖除或護(hù)壁，致使上部部分漂石塌孔帶入下部壤土層縮孔段受阻，不利填料沉落，是振沖成樁的過程中貫入速度減慢、貫入困難、功效低的主要原因。2014年12月電站大壩開始下閘蓄水，正式發(fā)電。據(jù)近一年的變形觀測資料，閘壩沉降變形量在2～3 cm內(nèi)，壩基處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明地質(zhì)提出的施工建議是可行的。從該工程出發(fā)，筆者認(rèn)為，深厚覆蓋層振沖碎石樁只要采用正確、合理的施工工藝同樣可以達(dá)到事半功倍的效果。