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計研究院，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。各水工建筑物基礎均為深厚堰塞湖相堆積層，為軟基，基礎承載力低，設計布置有深約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2 413孔對地基進行處理加固。振沖碎石樁開始施工時遇到貫入速度減慢(幾小時～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，如果不進行施工工藝改進，將大大影響工程進度。

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。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)構松散，零星含朽木塊、木屑，隨機分布，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要求》[2]，閘室基礎共布置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。為達到要求，現(xiàn)場施工設計振沖深度為24 m。

最初近50孔振沖碎石樁開始生產(chǎn)性試驗時采用的是傳統(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。施工基本程序為：造孔→清孔→填料→加密。

試驗于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，振沖器一般在18～19 m貫入速度較慢(幾小時～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，振沖器一般在18 m前貫入速度較慢(幾小時)，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，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，為防止下部軟土層沉陷，平整場地未挖除地表砂礫石層。

3 取樣試驗及原位測試

為解決上述問題，我院進行了專題勘察[3]，對涉及基礎處理的Q42al-②漂(卵)礫石夾砂進行了N120超重型動力觸探原位測試，對Q4ys-②砂壤土層、Q4ys-③壤土層進行了N63.5標準貫入和室內(nèi)物理力學試驗。各土層N120超重型動力觸探試驗指標統(tǒng)計見表1，N63.5標準貫入試驗指標統(tǒng)計見表2。

觀察組患者不良反應發(fā)生率為16.25%，對照組患者不良反應發(fā)生率為12.86%，兩組相比，差異無統(tǒng)計學意義，見表4。

從原位測試和室內(nèi)物理力學試驗分析，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～密實層。

表1 N120超重型動力觸探試驗指標統(tǒng)計表

表2 N63.5標準貫入試驗指標統(tǒng)計表

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。標準貫入錘擊數(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。中上部結(jié)構層次明顯，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)當時近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”等硬層沒有關系。其主要原因為：

(1)與Q4ys-③層壤土層(埋深15.1～42.5 m)縮孔有密切關系，如振沖時返出的泥漿較稠，孔中有狹窄或縮孔段未及時進行清孔、擴孔，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，沖擊造孔未進行護壁，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)與振沖設備功率有關系，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行護壁，防止造孔或振沖成樁時將上部漂石帶入壤土層縮孔段；

(4)如振沖時返出的泥漿較稠，遇到壤土層縮孔段應進行清孔、擴孔。清孔可將振沖器提出孔口或在需要擴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專題勘探資料及對施工工藝的建議，改進了施工工藝，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直接振沖且未對上部砂卵石層進行挖除或護壁，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到事半功倍的效果。