復雜地層振沖碎石樁施工技術研究

陳 志 剛， 侯 樹 芃， 龔 澤 鵬

(華電金沙江上游水電開發有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

傳統振沖碎石樁是使用振沖器進行造孔后填料密實，其對地層的穩定性及可鉆性有較高的要求。隨著地層的復雜多變，振沖碎石樁造孔工藝也隨著處理地層的復雜性而改變。

據勘探資料，河床覆蓋層厚17.7～58.8 m，江心縱向覆蓋層厚35.35～55.55 m，下游側相對較厚。覆蓋層總體上沿江心一帶的堆積層比較厚，向兩側逐漸變薄。物質構成主要以砂卵礫石層為主，局部夾有含礫中粗砂、含泥礫粉細砂透鏡體，分布厚度變化較大，埋深大于20 m。河床覆蓋層按其顆粒組成、分布層次等，自上而下大體可分為：

(1)回填碎石土：為開挖棄渣料，主要為含泥砂卵礫石，局部含塊石及孤石。

(2)砂卵礫石層：分布于河床覆蓋層上部，層厚12～27 m，分布規律為兩側相對較薄，局部夾有含礫中粗砂層透鏡體。

(3)含泥礫中粗砂層：分布于河床覆蓋層中上部，揭露該巖組埋深12～26 m，橫向分布連續，左厚右薄，推測縱向延伸長度大于300 m，向上下游側呈透鏡狀漸變尖滅。

由于施工區域地下水較為飽和，且降水難度較大，為保證振沖碎石樁干地施工，河床水位必須保持在振沖碎石樁施工平臺高程1 m以下左右。

河床壩基心墻下存在范圍較小的砂層透鏡體，其范圍在壩上下游方向延伸約120 m，壩軸線方向約180 m，最大埋深距地面約20 m。經分析，雖然該透鏡體不存在液化問題，但其力學指標低于相鄰砂卵礫石層，且心墻正好坐落在該透鏡體上。為避免不均勻沉降造成心墻局部破壞，同時提高心墻部位地基承載力，采用碎石振沖樁進行處理。大壩基礎振沖碎石樁施工范圍為壩上0-012～壩下0+013，壩右0+089.12～壩右0+273.12范圍內，高程2 480～2 466 m采用振沖碎石樁對基礎進行加固處理。

2 振沖碎石樁施工

由于需處理的砂層透鏡體位于回填碎石土及砂卵礫石層下，造孔需穿透上部回填碎石土及砂卵礫石層，而傳統振沖器造孔卻無法穿透上部砂卵礫石層。由于地下水位較高，地層飽和度較大，致使上部回填碎石土及砂卵礫石層膠結性差，極易發生塌孔漏漿情況，因此，只能采用引孔成樁的施工工藝進行地基處理。因為地層的復雜性及外界施工條件的局限性，從施工合理性及工期要求通過現場試驗擇優選取旋挖鉆機引孔并下設護筒的施工工藝。

2.1 改善外界施工條件

(1)對于上部回填碎石土及砂卵礫石層，局部存在較大粒徑的卵石及孤石，在引孔時極易導致鉆孔偏斜且施工難度較大，在施工前期對上部4 m范圍之內的粒徑大于20 cm的石塊進行換填清理。

(2)對于地下水位高及地層高飽和度，極易在造孔過程中發生塌孔風險，采用在施工平臺周邊開挖深度約3 m左右的截排水溝進行引排。

2.2 造孔工藝性試驗

2.2.1 引孔及護筒下設試驗

原施工為上部2 m范圍引孔并下設護筒后進行振沖器造孔施工，下部采用振沖器造孔施工。后經現場試驗，振沖器無法在該地層進行造孔施工。經研討分析，對于上部約12～27 m砂卵礫石層較厚，粒徑較大且較為密實，依靠振沖器擠密造孔施工較為困難。

經過現場試驗，需對于上部回填碎石土層及砂卵礫石層采用全段引孔穿透。在引孔過程中，由于地層含水飽和且膠結性差而時常發生塌孔，只有通過增加護筒下設才能保證在該地層的造孔施工。由于該地層對護筒下設的摩擦阻力較大，致使護筒下設同樣存在一定的難度。

摩擦式鉆桿常用于較軟地層的鉆孔施工，可鉆進淤泥層、泥土層、泥(砂)層、卵(漂)石層。機鎖式鉆桿不但可以用于軟地層，還可在較硬的地層作業。機鎖桿旋挖鉆機可以鉆進粉土、黏土、淤泥層、砂土層、強風化巖層和卵石層[1]。經過現場多次試驗及綜合考慮，使用旋挖鉆機摩阻式鉆桿帶截齒筒并在該地層全段下設護筒，鉆引孔能夠穿透該地層，保障成孔率。遇較大孤石時，使用旋挖鉆機機鎖式鉆桿帶截齒筒鉆鉆進。護筒按照6～8 m一節進行下設，護筒采用焊接方式進行連接，制樁后，護筒起拔拆除。鋼護筒(壁厚30 mm、直徑1 m)頂端高出地面0.3 m，護筒埋設偏差不超過30 mm。鋼護筒下設采用旋挖鉆機鉆設直徑為1 m的導孔，75 t履帶吊配合ZD120A型振動錘下設護筒是較為科學和可行的施工方案。

2.2.2 振沖器造孔試驗

施工中，采用旋挖鉆機引孔穿透回填碎石土層及砂卵礫石層。

(1)ZCQ180型振沖器造孔(加水造孔)。使用ZCQ180型振沖器常規加水造孔，其電流值達約350 A，多次超過荷載跳閘，均不能有效進行造孔施工，反而極易發生埋設振沖器事故，同時對振沖器本身的損害較大。

(2)ZCQ180型振沖器造孔(加水、風造孔)。對ZCQ180型振沖器加裝供風系統進行造孔施工，其效果較只加水方式更好，但在造孔施工中，盡管電流超過負荷也不能達到設計深度。由于供風擾動，孔段均出現不同程度塌孔現象。

(3)ZCQ260型振沖器造孔(加水造孔)。使用大功率ZCQ260型振沖器進行相關造孔試驗，其優勢較ZCQ180型振沖器并無明顯變化，而且在施工中多次超載跳閘，說明在該地層使用大功率振沖器設備更加危險。對于振沖器無法在含泥礫的粗砂層中振沖造孔，主要原因是砂層原始層狀較為密實，在長時間振動后析水板結，振沖器無法穿透。

2.2.3 含泥礫中粗砂層旋挖鉆機造孔試驗

鑒于含泥礫中粗砂層的原始密實度較高，在試驗階段采用旋挖鉆機摩阻式鉆桿帶筒鉆進行該層上部引孔鉆進。因該層密實度高，且處于高飽和水狀態，對摩阻式鉆桿損傷較大且不易成孔，致使旋挖鉆桿易被破壞，破壞形式大多為疲勞斷裂與扭轉變形，甚至發生鉆桿失穩造成彎曲[2]。經過多次試驗和分析，后采用旋挖鉆機機鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭鉆進引孔，雖然能夠進行部分孔段引孔，但引孔后存在垮塌情況，振沖器也無法進行造孔施工。

為了有效切割擾動含泥礫中粗砂層，達到振沖器下穿擠密該層的效果，反復鉆孔試驗和研究設備相關的適用性，并根據旋挖鉆頭的選配與使用膠結好的砂卵礫石和強風化巖石，需配備錐形螺旋鉆頭、雙層底旋挖鉆斗(粒徑大的用單口，粒徑小的用雙口)和合金斗齒(子彈頭)，才會收到好的效果[3]。

經綜合試驗情況并根據機械構造性能，選擇對該處地層采用上部回填碎石土及砂卵礫石層(處理層厚約4～12 m)采用旋挖鉆機摩阻式鉆桿或者機鎖式鉆桿帶截齒筒鉆進行引孔鉆進施工，并且全段下設護筒；而含泥礫中粗砂層(處理層厚約4～8 m)則采用旋挖鉆機機鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭鉆進進行部分引孔，并使用旋挖鉆機機鎖式鉆桿帶螺旋鉆頭進行下穿擾動。含泥礫中粗砂層及下部砂卵礫石層(處理層厚約6～10 m)使用振沖器下穿造孔至深入下部砂卵礫石持力層，達到設計標準后結束造孔。在造孔過程中，將振沖器反復下沉、上提2～3遍進行擴孔。

2.3 清孔及加密制樁

2.3.1 清孔

當達到設計孔深和設計處理邊界狀態時，若返出泥漿過稠或出現樁孔縮頸跡象，需要清孔2～3遍，直至孔口返出泥漿變稀為止[4]。

2.3.2 填料制樁

使用含泥料不低于5%的碎石等硬質材料，不使用已風化、易腐蝕或軟化的石料。填料粒徑以20～80 mm為佳，最大粒徑不超過100 mm。填料宜選擇連續級配的碎石料，小、中碎石比為1∶1，并在現場指定位置進行拌合，然后進行振沖填料。

樁體加密從樁底開始，加密段長度約0.5 m，逐段向上進行，同時，利用振沖器的水平振動力將填入孔中的石料不斷擠向側壁土層中，同時使填料擠密，直到符合設計控制要求[5]。

利用安裝在不同設備上的數據采集傳感器，可以實現對振沖施工過程中的深度、電流、電壓和填料量等進行實時的監控，并形成數據報告。對整個施工流程實現動態監控，并科學合理地錄入制樁流程數據，對制樁流程實施嚴格監管，從而有效管理工程建設質量。

3 質量檢查

3.1 樁體直徑檢查

根據過程施工質量管控，制樁后樁體有效平均樁徑均大于1 m，滿足相關設計要求。按要求抽檢部分樁體試驗施工統計數據見表1：

表1 部分樁體試驗施工統計數據表

3.2 樁體密實度檢測

樁體完整性及密實程度檢驗。選用重載動力觸探或超重載動力觸探進行測試，抽檢樁體參照《水電水利工程振沖法地基處理技術規范》(DL/T5214-2016)及《建筑地基檢測技術規范》(JGJ340-2015)關于碎石樁密實程度的關系，N63.5與碎石樁密實程度的關系為修正后大于10擊即可判定為密實，N120與碎石樁密實程度的關系為修正后大于11擊即可判定為密實，密實程度均判定為很密實。樁體密實度檢測統計見表2。

3.3 樁間土處理效果檢測

根據對樁間土在振沖樁施工前后檢測進行對比：

B區承載力原始特征值是500 kPa，經過樁體處理后提升至大于700 kPa，較原始地基提升約40%；C區承載力原始特征值是410 kPa，經過

表2 樁體密實度檢測統計表

樁體處理后提升至大于470 kPa，較原始地基提升約14.63%。

分析其改善效果，C區與B區區別較大，主要原因是C區部位地層中含泥，泥質結構對整體承載力改善存在一定的影響，而B區不含泥。從分析結果判定，制樁加密后的樁間土能夠滿足設計相關要求。

3.4 單樁荷載試驗

為判定碎石樁單樁的承載力，進行了碎石樁單樁承載力原位靜載荷試驗，試驗采取堆載法，載荷板直徑為1 m，從P-s單樁荷載試驗曲線(圖1)上看，0～8級近乎于直線，可以確定為壓密變形階段，對應的荷載1 000 kPa定為臨塑荷載，從第9級往下為塑性變形階段，沒有明顯的陡降段，P-s曲線上拐點沒有出現，并且按照規范其沉降總量也未達到載荷板直徑的6/100，樁體整體性未出現損壞。承載力P0=1 000 kPa，E0=67.4 MPa。

圖1 單樁荷載試驗曲線圖

承載力特征值經檢測能夠滿足單樁設計850 kPa的要求。

4 結 語

對于液化層埋深、地層構造復雜無法使用常規振沖設備進行地基加固處理的地層，通過施工工藝的試驗性探索、相關施工設備的選型、施工工序的銜接、加密制樁相關控制參數的控制，同時借鑒當前國內外相關地層的處理經驗，通過引孔式振沖法很好地處理了復雜的地層問題，其適用性在引孔與下設護筒后得到了極大的提升。通過該復雜地層下的振沖碎石樁引孔及下設護筒施工，對引孔過程中旋挖鉆機的鉆桿形式及在各類地層情況下的鉆頭適用性進行了進一步的探索。對于上部較為松散但質地堅硬的地層一般可采用摩阻式鉆桿或者機鎖式鉆桿帶截齒筒鉆進行引孔鉆進施工，對于埋設較深摩阻較大的地層可采用機鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭、螺旋鉆頭進行一定深度的造孔與地層切割。在引孔及下設護筒滿足常規振沖器造孔后再使用振沖器進行造孔與制樁施工，在一定程度上突破了固有的振沖碎石樁的適用性，為以后類似地層的加固處理提供了一定的施工經驗。隨著以后工程情況的特殊性以及需處理地層的復雜性，振沖法加固處理還需不斷地探索，以便適應于更復雜的地基加固處理。