復(fù)雜地層振沖碎石樁施工技術(shù)研究

陳 志 剛， 侯 樹 芃， 龔 澤 鵬

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

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

據(jù)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(cè)相對(duì)較厚。覆蓋層總體上沿江心一帶的堆積層比較厚，向兩側(cè)逐漸變薄。物質(zhì)構(gòu)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(xì)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(guī)律為兩側(cè)相對(duì)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(xù)，左厚右薄，推測(cè)縱向延伸長(zhǎng)度大于300 m，向上下游側(cè)呈透鏡狀漸變尖滅。

由于施工區(qū)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(tái)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(jīng)分析，雖然該透鏡體不存在液化問(wèn)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范圍內(nèi)，高程2 480～2 466 m采用振沖碎石樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)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(tǒng)振沖器造孔卻無(wú)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(jié)性差，極易發(fā)生塌孔漏漿情況，因此，只能采用引孔成樁的施工工藝進(jìn)行地基處理。因?yàn)榈貙拥膹?fù)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)擇優(yōu)選取旋挖鉆機(jī)引孔并下設(shè)護(hù)筒的施工工藝。

2.1 改善外界施工條件

(1)對(duì)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(shí)極易導(dǎo)致鉆孔偏斜且施工難度較大，在施工前期對(duì)上部4 m范圍之內(nèi)的粒徑大于20 cm的石塊進(jìn)行換填清理。

(2)對(duì)于地下水位高及地層高飽和度，極易在造孔過(guò)程中發(fā)生塌孔風(fēng)險(xiǎn)，采用在施工平臺(tái)周邊開挖深度約3 m左右的截排水溝進(jìn)行引排。

2.2 造孔工藝性試驗(yàn)

2.2.1 引孔及護(hù)筒下設(shè)試驗(yàn)

原施工為上部2 m范圍引孔并下設(shè)護(hù)筒后進(jìn)行振沖器造孔施工，下部采用振沖器造孔施工。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，振沖器無(wú)法在該地層進(jìn)行造孔施工。經(jīng)研討分析，對(duì)于上部約12～27 m砂卵礫石層較厚，粒徑較大且較為密實(shí)，依靠振沖器擠密造孔施工較為困難。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，需對(duì)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(guò)程中，由于地層含水飽和且膠結(jié)性差而時(shí)常發(fā)生塌孔，只有通過(guò)增加護(hù)筒下設(shè)才能保證在該地層的造孔施工。由于該地層對(duì)護(hù)筒下設(shè)的摩擦阻力較大，致使護(hù)筒下設(shè)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(jìn)淤泥層、泥土層、泥(砂)層、卵(漂)石層。機(jī)鎖式鉆桿不但可以用于軟地層，還可在較硬的地層作業(yè)。機(jī)鎖桿旋挖鉆機(jī)可以鉆進(jìn)粉土、黏土、淤泥層、砂土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和卵石層[1]。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)及綜合考慮，使用旋挖鉆機(jī)摩阻式鉆桿帶截齒筒并在該地層全段下設(shè)護(hù)筒，鉆引孔能夠穿透該地層，保障成孔率。遇較大孤石時(shí)，使用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆鉆進(jìn)。護(hù)筒按照6～8 m一節(jié)進(jìn)行下設(shè)，護(hù)筒采用焊接方式進(jìn)行連接，制樁后，護(hù)筒起拔拆除。鋼護(hù)筒(壁厚30 mm、直徑1 m)頂端高出地面0.3 m，護(hù)筒埋設(shè)偏差不超過(guò)30 mm。鋼護(hù)筒下設(shè)采用旋挖鉆機(jī)鉆設(shè)直徑為1 m的導(dǎo)孔，75 t履帶吊配合ZD120A型振動(dòng)錘下設(shè)護(hù)筒是較為科學(xué)和可行的施工方案。

2.2.2 振沖器造孔試驗(yàn)

施工中，采用旋挖鉆機(jī)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(guī)加水造孔，其電流值達(dá)約350 A，多次超過(guò)荷載跳閘，均不能有效進(jìn)行造孔施工，反而極易發(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。

(2)ZCQ180型振沖器造孔(加水、風(fēng)造孔)。對(duì)ZCQ180型振沖器加裝供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)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(guò)負(fù)荷也不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度。由于供風(fēng)擾動(dòng)，孔段均出現(xiàn)不同程度塌孔現(xiàn)象。

(3)ZCQ260型振沖器造孔(加水造孔)。使用大功率ZCQ260型振沖器進(jìn)行相關(guān)造孔試驗(yàn)，其優(yōu)勢(shì)較ZCQ180型振沖器并無(wú)明顯變化，而且在施工中多次超載跳閘，說(shuō)明在該地層使用大功率振沖器設(shè)備更加危險(xiǎn)。對(duì)于振沖器無(wú)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(shí)，在長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)后析水板結(jié)，振沖器無(wú)法穿透。

2.2.3 含泥礫中粗砂層旋挖鉆機(jī)造孔試驗(yàn)

鑒于含泥礫中粗砂層的原始密實(shí)度較高，在試驗(yàn)階段采用旋挖鉆機(jī)摩阻式鉆桿帶筒鉆進(jìn)行該層上部引孔鉆進(jìn)。因該層密實(shí)度高，且處于高飽和水狀態(tài)，對(duì)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(zhuǎn)變形，甚至發(fā)生鉆桿失穩(wěn)造成彎曲[2]。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和分析，后采用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭鉆進(jìn)引孔，雖然能夠進(jìn)行部分孔段引孔，但引孔后存在垮塌情況，振沖器也無(wú)法進(jìn)行造孔施工。

為了有效切割擾動(dòng)含泥礫中粗砂層，達(dá)到振沖器下穿擠密該層的效果，反復(fù)鉆孔試驗(yàn)和研究設(shè)備相關(guān)的適用性，并根據(jù)旋挖鉆頭的選配與使用膠結(jié)好的砂卵礫石和強(qiáng)風(fēng)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(huì)收到好的效果[3]。

經(jīng)綜合試驗(yàn)情況并根據(jù)機(jī)械構(gòu)造性能，選擇對(duì)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(jī)摩阻式鉆桿或者機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆進(jìn)行引孔鉆進(jìn)施工，并且全段下設(shè)護(hù)筒；而含泥礫中粗砂層(處理層厚約4～8 m)則采用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭鉆進(jìn)進(jìn)行部分引孔，并使用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶螺旋鉆頭進(jìn)行下穿擾動(dòng)。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(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后結(jié)束造孔。在造孔過(guò)程中，將振沖器反復(fù)下沉、上提2～3遍進(jìn)行擴(kuò)孔。

2.3 清孔及加密制樁

2.3.1 清孔

當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)孔深和設(shè)計(jì)處理邊界狀態(tài)時(shí)，若返出泥漿過(guò)稠或出現(xiàn)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(zhì)材料，不使用已風(fēng)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(guò)100 mm。填料宜選擇連續(xù)級(jí)配的碎石料，小、中碎石比為1∶1，并在現(xiàn)場(chǎng)指定位置進(jìn)行拌合，然后進(jìn)行振沖填料。

樁體加密從樁底開始，加密段長(zhǎng)度約0.5 m，逐段向上進(jìn)行，同時(shí)，利用振沖器的水平振動(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，直到符合設(shè)計(jì)控制要求[5]。

利用安裝在不同設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振沖施工過(guò)程中的深度、電流、電壓和填料量等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并形成數(shù)據(jù)報(bào)告。對(duì)整個(gè)施工流程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并科學(xué)合理地錄入制樁流程數(shù)據(jù)，對(duì)制樁流程實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)管，從而有效管理工程建設(shè)質(zhì)量。

3 質(zhì)量檢查

3.1 樁體直徑檢查

根據(jù)過(guò)程施工質(zhì)量管控，制樁后樁體有效平均樁徑均大于1 m，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。按要求抽檢部分樁體試驗(yàn)施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1 部分樁體試驗(yàn)施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

3.2 樁體密實(shí)度檢測(cè)

樁體完整性及密實(shí)程度檢驗(yàn)。選用重載動(dòng)力觸探或超重載動(dòng)力觸探進(jìn)行測(cè)試，抽檢樁體參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T5214-2016)及《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ340-2015)關(guān)于碎石樁密實(shí)程度的關(guān)系，N63.5與碎石樁密實(shí)程度的關(guān)系為修正后大于10擊即可判定為密實(shí)，N120與碎石樁密實(shí)程度的關(guān)系為修正后大于11擊即可判定為密實(shí)，密實(shí)程度均判定為很密實(shí)。樁體密實(shí)度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

3.3 樁間土處理效果檢測(cè)

根據(jù)對(duì)樁間土在振沖樁施工前后檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比：

B區(qū)承載力原始特征值是500 kPa，經(jīng)過(guò)樁體處理后提升至大于700 kPa，較原始地基提升約40%；C區(qū)承載力原始特征值是410 kPa，經(jīng)過(guò)

表2 樁體密實(shí)度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)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(qū)與B區(qū)區(qū)別較大，主要原因是C區(qū)部位地層中含泥，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)整體承載力改善存在一定的影響，而B區(qū)不含泥。從分析結(jié)果判定，制樁加密后的樁間土能夠滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

3.4 單樁荷載試驗(yàn)

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

圖1 單樁荷載試驗(yàn)曲線圖

承載力特征值經(jīng)檢測(cè)能夠滿足單樁設(shè)計(jì)850 kPa的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于液化層埋深、地層構(gòu)造復(fù)雜無(wú)法使用常規(guī)振沖設(shè)備進(jìn)行地基加固處理的地層，通過(guò)施工工藝的試驗(yàn)性探索、相關(guān)施工設(shè)備的選型、施工工序的銜接、加密制樁相關(guān)控制參數(shù)的控制，同時(shí)借鑒當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)地層的處理經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)引孔式振沖法很好地處理了復(fù)雜的地層問(wèn)題，其適用性在引孔與下設(shè)護(hù)筒后得到了極大的提升。通過(guò)該復(fù)雜地層下的振沖碎石樁引孔及下設(shè)護(hù)筒施工，對(duì)引孔過(guò)程中旋挖鉆機(jī)的鉆桿形式及在各類地層情況下的鉆頭適用性進(jìn)行了進(jìn)一步的探索。對(duì)于上部較為松散但質(zhì)地堅(jiān)硬的地層一般可采用摩阻式鉆桿或者機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆進(jìn)行引孔鉆進(jìn)施工，對(duì)于埋設(shè)較深摩阻較大的地層可采用機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭、螺旋鉆頭進(jìn)行一定深度的造孔與地層切割。在引孔及下設(shè)護(hù)筒滿足常規(guī)振沖器造孔后再使用振沖器進(jìn)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(jīng)驗(yàn)。隨著以后工程情況的特殊性以及需處理地層的復(fù)雜性，振沖法加固處理還需不斷地探索，以便適應(yīng)于更復(fù)雜的地基加固處理。