高原地區(qū)大壩基礎(chǔ)振沖碎石樁施工研究

趙如陽 賈洪波

(中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 工程概況

巴塘水電站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治區(qū)的界河上，右岸為西藏昌都市芒康縣，左岸為四川甘孜藏族自治州，施工區(qū)域平均海拔2500m。

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120m，壩軸線方向約180m，最大埋深距地面約20m。經(jīng)分析雖然該透鏡體不存在液化問題，但其力學(xué)指標(biāo)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(shí)提高心墻部位地基承載力，采用碎石振沖樁進(jìn)行處理。大壩基礎(chǔ)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+273.12，2480～2466m高程采用振沖碎石樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

碎石樁樁徑1.0m，等邊三角形布置，樁間距3.0m；振沖碎石樁法處理后復(fù)合地基承載力特征值要滿足設(shè)計(jì)要求；砂礫石基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值550kPa；砂層透鏡體基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值400kPa。

2 工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)段河谷相對(duì)較窄，現(xiàn)代主河床位于右側(cè)，壩前左側(cè)為寬緩一級(jí)階地，平面形態(tài)呈凸向岸外“月牙”形，地面高程2491～2495m，內(nèi)側(cè)坡腳地形低洼。壩址區(qū)水流平緩，枯水期水位2486m(2006年11月)，河床地面高程2483m。

據(jù)目前勘探資料，河床覆蓋層厚17.70～58.80m，河心縱向覆蓋層厚35.35～55.55m，下游側(cè)相對(duì)較厚。覆蓋層總體上呈江心一帶堆積層較厚，向兩側(cè)逐漸變薄。覆蓋層以砂卵礫石層為主，局部夾有含礫中粗砂、含泥礫粉細(xì)砂透鏡體，分布厚度變化較大，一般埋深大于20m。河床覆蓋層按其顆粒組成、分布層次等，自下而上大致可分為4大巖組。

Ⅰ巖組(Qal-Ⅰ)——含泥礫中細(xì)砂層：該巖組分布于河床中心部位、覆蓋層底部，厚度7.40～9.95m，向上下游側(cè)呈透鏡狀漸變尖滅。

Ⅱ巖組(Qal-Ⅱ)——砂卵礫石層：分布于河床覆蓋層中下部，揭露層厚4.7～25m，埋深18～33m，其中河床部位埋深較大，分布規(guī)律為兩側(cè)薄河心厚。

Ⅲ巖組(Qal-Ⅲ)——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12～26m，橫向分布連續(xù)，左厚右薄，推測(cè)縱向延伸長度大于300m，向上下游側(cè)呈透鏡狀漸變尖滅。

Ⅳ巖組(Qal-Ⅳ)——砂卵礫石層：分布于河床覆蓋層上部，層厚12～27m，分布規(guī)律為兩側(cè)相對(duì)較薄河心厚，局部夾有含礫中粗砂層透鏡體。

河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 試驗(yàn)樁施工

3.1 試驗(yàn)樁布置

試驗(yàn)區(qū)分為B、C兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，B區(qū)位于壩右0+180.12處的平行于壩體的直線上，范圍為壩上0-012.00～壩下0+013.00之間；C區(qū)位于壩右0+091.72處的平行于壩體的直線上，范圍為壩上0-012.00～壩下0+013.00之間，設(shè)計(jì)樁徑為1.0m。

由于河床水位保持于2484m左右，為保障施工平臺(tái)干地作業(yè)，施工平臺(tái)設(shè)置于2485m高程，部分施工區(qū)域?yàn)楹哟苍嫉貙樱溆嗖糠譃榛靥钍┕ぁ?/p>

3.2 振沖碎石樁生產(chǎn)性工藝探索

試驗(yàn)B區(qū)及C區(qū)揭露地質(zhì)情況基本與設(shè)計(jì)地質(zhì)層面吻合，振沖碎石樁施工區(qū)2485m高程以下0～5m左右層面孤石含量較大。

試驗(yàn)B區(qū)=2485m高程以下5～13m為砂卵礫石層，其粒徑相對(duì)較大，卵礫石含量較大，猜測(cè)與截流拋填及白格堰塞湖沖刷有一定關(guān)系，該地層膠結(jié)性較差。中部13～18m為含礫中粗砂層，該層上層部位有部分粉細(xì)砂夾雜礫石，下部礫石占比較多。約18m以下為砂卵礫石層，其地層堅(jiān)硬。

試驗(yàn)C區(qū)=2485m高程以下5～13m為砂卵礫石層，越靠近左岸側(cè)含泥量較大，且含泥深度越大，該部位為岸坡部位，其下部孤石量較大，且塊徑較大。13～16m為含泥礫中粗砂層，由于該部位處于透鏡體消融部位，其層厚區(qū)別較大。

分別在試驗(yàn)B區(qū)(地層中上部孤、漂石未經(jīng)挖除)和試驗(yàn)區(qū)B內(nèi)(地層上部2.0m深度范圍內(nèi)孤、漂石已基本挖除)進(jìn)行試驗(yàn)，均下設(shè)約6.0m護(hù)筒。

振沖碎石樁實(shí)際施工期間對(duì)振沖器造孔進(jìn)行了一系列的改進(jìn)與調(diào)試，在最初摸索階段旋挖鉆機(jī)引孔8m左右時(shí)，使用ZCQ180型振沖器常規(guī)加水造孔，其電流值達(dá)約350A，多次超過荷載跳閘，均不能有效進(jìn)行造孔施工，極易發(fā)生埋設(shè)振沖器事故，同時(shí)對(duì)振沖器本身的損害較大。后續(xù)施工中又對(duì)ZCQ180型振沖器加裝供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行造孔施工，其功效較只加水方式有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在造孔施工中電流依舊超過負(fù)荷，也不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度。且由于供風(fēng)擾動(dòng)，孔段均出現(xiàn)不同程度塌孔現(xiàn)象[1]。

在探索造孔過程中，使用大功率ZCQ260型振沖器進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，在更換了大功率振沖器后，其優(yōu)勢(shì)較ZCQ180型振沖器無明顯變化，在該地層下大功率振沖器設(shè)備使用更加危險(xiǎn)。

至此從護(hù)筒下設(shè)著手改進(jìn)工藝，將護(hù)筒下設(shè)增加至約13m，上部試驗(yàn)旋挖鉆機(jī)造孔后，再試驗(yàn)旋挖鉆機(jī)螺旋鉆頭擾動(dòng)切割下部，再使用振沖器進(jìn)行造孔作業(yè)，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，該施工工藝能夠在該地層特性下順利成樁[2]。

同時(shí)在試驗(yàn)C區(qū)采取同樣工藝進(jìn)行施工，其功效從兩天成樁1根提升為一天成樁3根，很大程度上提升了施工功效。

3.3 振沖碎石樁試驗(yàn)樁施工

3.3.1 造孔清孔

針對(duì)地基處理振沖碎石樁的實(shí)際情況，考慮縮短工期、節(jié)約成本、降低造價(jià)等因素，采用“上部回填部分及Ⅳ巖組(Qal-Ⅳ)——砂卵礫石層旋挖鉆機(jī)造孔+下部振沖器造孔制樁”的施工工藝[3]。

對(duì)于Qal-Ⅳ部位，由于膠結(jié)性差及地下水飽和度較高且水壓較大，造孔難度較大，針對(duì)該地層的特殊性，對(duì)上部孤石及塊石進(jìn)行換填，使用旋挖鉆機(jī)引孔穿透該層并在該地層全段下設(shè)護(hù)筒，保障該地層成孔率。護(hù)筒按照6～8m一節(jié)進(jìn)行下設(shè)，護(hù)筒連接采用焊接，制樁后進(jìn)行護(hù)筒起拔拆除。鋼護(hù)筒(壁厚20mm、直徑1m)頂端高出地面0.30m，護(hù)筒埋設(shè)偏差不超過30mm。鋼護(hù)筒下設(shè)采用旋挖鉆機(jī)鉆設(shè)直徑為1.0m的導(dǎo)孔，75t履帶吊配合ZD120A型振動(dòng)錘下設(shè)護(hù)筒。

造孔過程中，振沖器應(yīng)下沉、上提反復(fù)2～3遍擴(kuò)孔，確保填料順暢，保證樁徑滿足設(shè)計(jì)要求。

在達(dá)到設(shè)計(jì)孔深及設(shè)計(jì)處理邊界條件后，返出泥漿過稠或存在樁孔縮頸現(xiàn)象時(shí)宜進(jìn)行清孔，一般清孔2～3遍，直至孔口返出泥漿變稀，振沖器電流基本為其空載電流值[4]。

3.3.2 填料制樁

采用含泥量小于5%的碎石等硬質(zhì)材料，不使用已風(fēng)化及易腐蝕、軟化的石料。填料粒徑宜為20～80mm。最大粒徑不大于100mm。填料應(yīng)采用連續(xù)級(jí)配的碎石料，小、中碎石比為 1 ∶1，在現(xiàn)場指定位置進(jìn)行拌和，經(jīng)過拌和后進(jìn)行振沖填料。

樁體加密從樁底標(biāo)高開始，加密段長度不得超過0.50m，逐段向上進(jìn)行，中間不得漏振。依靠振沖器的水平振動(dòng)力將填入孔中的石料不斷擠向側(cè)壁土層中同時(shí)使填料擠密，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

通過安裝在不同設(shè)備上的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)振沖施工過程中的深度、電流、電壓、填料量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，科學(xué)記錄制樁過程數(shù)據(jù)，對(duì)制樁過程進(jìn)行監(jiān)督，有效控制施工質(zhì)量[5]。具體施工技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 技 術(shù) 參 數(shù)

3.3.3 質(zhì)量檢測(cè)

施工質(zhì)量檢測(cè)時(shí)先進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)樁體密實(shí)度，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)樁間土處理效果。檢測(cè)應(yīng)在成樁1天后進(jìn)行。對(duì)每個(gè)試驗(yàn)區(qū)選取3根振沖碎石樁作為試驗(yàn)樁，對(duì)其進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)，在三根試驗(yàn)樁中部位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，觸探擊數(shù)應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求[6]。

由于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)不適用于砂卵礫石層地基檢測(cè)，因此對(duì)樁間土處理效果采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)[7]。

4 檢測(cè)結(jié)果

4.1 樁間土處理效果

B區(qū)樁間土處理效果分析如下：

制樁前：制樁前樁間土采用重型動(dòng)力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法)對(duì)樁間土進(jìn)行檢驗(yàn)，BJ-1試驗(yàn)孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于16.2，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于11.5，參照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 32/J 12—2005)承載力特征值fk=500kPa。

制樁后：制樁后樁間土采用超重型動(dòng)力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法)對(duì)樁間土進(jìn)行檢驗(yàn)，BJ-2試驗(yàn)孔試驗(yàn)平均N120擊數(shù)為大于14.4，修正后平均N120擊數(shù)為大于9.8，參照《成都地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB 51/T 5026—2001)承載力特征值fk>700kPa。[8]

C區(qū)樁間土處理效果分析如下：

制樁前：制樁前樁間土采用重型動(dòng)力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法)對(duì)樁間土進(jìn)行檢驗(yàn)，CJ-1試驗(yàn)孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于20.0，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于12.2，參照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 32/J 12—2005)承載力特征值fk=410kPa。

制樁后：制樁后樁間土采用重型動(dòng)力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法)對(duì)樁間土進(jìn)行檢驗(yàn)，CJ-2試驗(yàn)孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于20.3，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于12.9，參照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ 32/J 12—2005)承載力特征值fk>470kPa。[9]

4.2 樁體施工成果

B試驗(yàn)區(qū)共選取3根試驗(yàn)樁，分別為B1、B2、B3，C試驗(yàn)區(qū)共選取3根試驗(yàn)樁，分別為C1、C2、C3，樁體資料、施工情況統(tǒng)計(jì)見表3、表4。

表3 B試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)樁統(tǒng)計(jì)

表4 C試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)樁統(tǒng)計(jì)

4.3 樁體檢測(cè)成果

4.3.1 B試驗(yàn)區(qū)樁體檢測(cè)

B試驗(yàn)區(qū)B1樁體采用重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢驗(yàn)，全孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于27.4，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于16.9，參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實(shí)程度為很密實(shí)。

B試驗(yàn)區(qū)B2樁體采用超重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢驗(yàn)，全孔試驗(yàn)平均N120擊數(shù)為大于23.4，修正后平均N120擊數(shù)為大于16.7，參照《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340—2015)密實(shí)程度為很密實(shí)。

B試驗(yàn)區(qū)B3樁體采用超重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢驗(yàn)，全孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于24.8，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于17.5，參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實(shí)程度為很密實(shí)。

4.3.2 C試驗(yàn)區(qū)樁體檢測(cè)

C試驗(yàn)區(qū)C1樁體采用重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢驗(yàn)，全孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于28.7，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于19.1，參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實(shí)程度為很密實(shí)。

C試驗(yàn)區(qū)C2樁體采用重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢驗(yàn)，全孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于27，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于18.9，參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實(shí)程度為很密實(shí)。

C試驗(yàn)區(qū)C3樁體采用超重型動(dòng)力觸探進(jìn)行檢驗(yàn)，全孔試驗(yàn)平均N63.5擊數(shù)為大于26.6，修正后平均N63.5擊數(shù)為大于16.9，參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實(shí)程度為很密實(shí)。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)成果樁間土承載力在振沖樁施工前后有明顯的提高。

a.B試驗(yàn)區(qū)承載力特征值從原始500kPa提升至大于700kPa，較原始地基提升約40.00%。

b.C試驗(yàn)區(qū)承載力特征值從原始410kPa提升至大于470kPa，較原始地基提升約14.63%。經(jīng)分析，其改善效果與B試驗(yàn)區(qū)區(qū)別較大的主要原因是C區(qū)部位地層中含泥，而B試驗(yàn)區(qū)則不含泥。

制樁加密后的樁間土承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求。處理后砂礫石基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值大于550kPa；砂層透鏡體基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值大于400kPa。

根據(jù)樁體相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，樁體密實(shí)程度均為很密實(shí)，能夠滿足樁體施工要求。

B、C試驗(yàn)區(qū)內(nèi)試驗(yàn)樁施工樁徑均大于設(shè)計(jì)樁徑1.0m，并且孔深均與設(shè)計(jì)深度基本吻合，因此對(duì)上部砂卵礫石層下設(shè)護(hù)筒及該層全段引孔的施工工藝在該地層情況下是適宜的，同時(shí)在試驗(yàn)施工工藝及參數(shù)下能夠滿足樁體施工相關(guān)要求[10]。

6 結(jié) 語

根據(jù)施工過程資料及檢測(cè)結(jié)果分析，振沖碎石樁制樁相關(guān)控制參數(shù)在本試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)條件下是適宜的；對(duì)上部砂卵礫石層全段下設(shè)護(hù)筒及在該層全段引孔的施工工藝在該地層情況下是合理的；終孔參照結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求，該結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是適用的；對(duì)于上部塊石及孤石進(jìn)行換填施工是合適的；對(duì)于振沖施工過程中特殊情況采取的處理措施是適宜的。