振沖碎石樁在湘江航電砂礫石基礎中的應用

田福文

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 工程概述

湘江又稱湘水，是長江第五大支流，也是湖南省境內最大的一條河流。湘江長沙航電樞紐工程（簡稱湘航）是湘江干流9級開發規劃當中的最下游一個梯級，工程位于湖南省會長沙市下游，距市中心僅（20～30）km。樞紐從左至右依次為左岸改移防洪大堤、左岸副壩及三線船閘、二線船閘、一線船閘、26孔凈寬22 m的低堰泄水閘、1孔凈寬7 m泄洪排污閘、電站廠房、蔡家洲副壩、20孔凈寬14 m的高堰泄水閘及右岸副壩。

湘航碎石樁布置在除37#～40#孔以外的閘壩基礎、兩岸翼墻底板基礎。樁長（8～12）m或到巖石層，樁徑0.5 m，總共3 000根。

壩址地層主要為第四系全新統桔子洲組（Qj）地層，覆蓋層厚度為（4.0～22.2）m，局部為 35.1 m，從上向下依次為淤泥質土、粉質粘土、細砂、卵石層。

2 碎石樁的加固原理

振沖碎石樁主要是通過擠密、排水、置換三種工作機理完成對地基的加固，使軟弱松散的砂礫石地基形成復合地基，提高承載力、增強穩定性、減少沉降量。

湘航工程主要通過碎石樁擠密作用完成對壩基砂礫石基礎的加固。碎石樁在沉管過程中，樁管對樁間砂礫石產生較大的橫向壓力，同時砂礫石在水平激振力作用下產生徑向位移，砂礫石顆粒重新排列趨向密實，從而提高砂礫石的密度，降低砂礫石的孔隙比。碎石樁施工過程中沉管反插也會使周圍砂礫石密實度增大，達到提高地基抗剪強度和抗液化能力。

3 壩基碎石樁設計

湘航右汊閘壩基礎碎石樁設計參數如下：

（1）樁間距：樁距1.80 m，行距1.80 m，按正方形布置。

（2）樁長：要求樁體穿透砂礫石層或在密實電流狀況下不再下沉，平均長（8.0～12.0）m。

（3） 樁徑：樁徑 Φ500。

（4） 樁體材料：碎石材料采用未風化（Φ20～Φ50）cm碎石，含泥量不大于5%。

（5）平面位置允許偏差不大于5 cm，個別位置可適當調整，但不得大于30 cm。

（6）垂直允許偏差不超過碎石樁長度的1.5%。

（7）必須做試樁實驗，根據試樁情況確定施工工藝參數。

（8）施工過程通過填料量、密實電流和留振時間3個參數來控制，振沖碎石樁的質量以振沖器振動時的工作電流達到規定值為控制標準。

4 振沖碎石樁施工工藝

4.1 碎石樁施工方法選擇

碎石樁施工常用的方法有：振沖置換法、射水成孔法、沉管法、強夯置換法。項目部2010年1月在右側翼墻全風化花崗巖土層區域、2010年3月在左側蔡家洲岸坡處（左岸翼墻）砂礫石基礎做了兩次試樁試驗，同年7月又在35#閘室（砂礫石基礎）上做了生產性成樁試驗，根據3次試樁成果，并結合湘江流域其它項目上碎石樁施工經驗，綜合考慮成本、工期和處理效果后，確定湘航工程碎石樁采用沉管法成樁。

4.2 碎石材料的選擇

根據湘航工程附近石料分布和碎石需求總量情況，本工程碎石樁所需碎石采取外購方式。在設計、監理和發包人共同見證下，通過對多個石料場料源進行抗壓強度、壓碎值以及含泥量的試驗和監測，最終選定丁字灣麻石場生產的花崗巖石料作為湘航沉管碎石，要求粒徑在（20～50）mm之間，且含泥量不得大于5%。

4.3 碎石樁施工設備選擇

根據壩基開挖進度，壩基碎石樁2010年7月16日才能正式開始施工，施工時段正處于主汛期。振沖碎石樁傳統施工設備為履帶式，該設備對施工地面要求相對較高，特別是施工區域地面在主汛期經常有積水，無論是施工還是文明生產需要，施工區域地面都需要鋪筑40 cm厚的級配碎石，而湘航使用的碎石是外購。如采用履帶式設備不但進度難以有保證，而且增加工程成本，因而碎石樁施工設備的選擇至關重要。

根據業主對碎石樁施工進度的要求 （2010年8月25日完成45#壩段以左碎石樁），湘航碎石樁采用DZ75KSA型液壓步履式振動沉管樁機。該設備設有4條液壓支腿和1條行走油缸以輔助行走及回轉，可自行行走及360°回轉，也可整機進行轉運，自動化程度高，施工效率高。

結合湘航右汊碎石樁工程量和業主要求的完工日期，湘航共投入4臺DZ75KSA型振動沉管樁機。DZ75KSA型振動錘具體參數見表1。

表1 DZ75KSA型振動錘具體參數表

4.4 試樁施工

試樁主要是對振沖加固參數進行驗證，以優選合適的施工參數。如制樁順序、沉管提升速度、每次提升高度、留振時間、反插深度、填料量等。

根據本工程的地層情況，2010年1月在右側翼墻（全風化花崗巖土層）區域、2010年3月在左側蔡家洲岸坡處（左岸翼墻，砂礫石地層）進行振動沉管樁試驗，單個試驗區平整面積為15m×15m，每區布置9根。通過試樁，確定本項目碎石樁施工參數如下：

（1）碎石樁采用振動沉管法施工，按照從下游向上游逐行施打。

（2） 碎石連續級配，粒徑(20～31.5)mm，灌注量按照1.25的充盈系數計算。

（3）沉管提升速度1.0 m／min，每次提升高度為1.0 m，反插深度0.5 m。

（4） 留振時間（45～50）s，留振電流（90～100）A。

（5）樁身最終骨料高出地面（0.3～0.5）m

4.5 振沖碎石樁施工

4.5.1 施工工藝流程（附圖）

附圖 振動沉管碎石樁工藝流程圖

4.5.2 施工順序

根據湘航右汊整體項目進度安排、閘壩壩基開挖進度和地層出露實際情況，并結合前期試樁結果，湘航右汊閘壩壩基碎石樁正式施工時，先在35#閘段進行生產性試驗，進一步確定和優化施工參數。在生產性試驗完成后，業主委派湖南鑫湘物探工程有限公司，按照《港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程》（JTJ 246-2004）要求，對 35#閘段試驗區進行檢測。通過檢測數據分析，試驗區域復合地基能滿足設計要求。

根據業主對碎石樁施工進度要求，湘航碎石樁分為兩個區域同時施工，其中左岸9個壩段為一個施工區域，按照35#閘壩→36#閘壩→34#閘壩→33#閘壩→32#閘壩→31#閘壩→30#閘壩→29#閘壩→28#閘壩順序從下游向上游施工。左岸5個壩段為一個施工區域，按照43#閘壩→44#閘壩→45#閘壩→46#閘壩→47#閘壩順序從下游向上游施工。每一施工區域采用兩臺DZ75KSA型振動沉管樁機進行施工。

4.5.3 施工方法

（1）清理整平施工場地，進行樁位放樣。

施工場地高程：成樁場地高程平整到20.0 m高程。

軸線放樣：根據控制點及設計圖紙，由專業測量人員測放出中樁，并加以妥善保護。

測放樁位：定位與打樁間隔不超過24 h，施工過程中，隨時復核，對因擠土作用引起的樁位偏差，及時調整。

（2）樁機就位，合攏合瓣樁尖，將管樁向下垂直，使樁尖對準樁位標記，利用錘重及沉管自重徐徐靜壓 (1～2)m后開動振動錘振動下沉。調整樁機塔架，使沉管與地面基本垂直，校正樁管垂直度應≤1.5%，校正樁管長度及投料口位置，使之符合設計樁長，設置二次投料口，

（3）啟動振動錘，將樁管下到設計深度，每下沉0.5 m 留振30 s。

（4）稍提升樁管使樁尖打開。

（5）停止振動，立即將碎石由加料口注入樁管內，灌入量按樁身理論方案量值與充盈系數計算，充盈系數不小于1.25，碎石灌注量不小于0.245 m3/m，同時做好現場施工記錄。

（6）振動提升沉管：管內灌入碎石高度大于1/3管長，開始提升沉管，派專人負責碎石灌入量，以防超灌或少灌。提升沉管前先振動1 min，再邊振動邊提升沉管，沉管提升速度為1 m/min(平均速度)，每提升高度1.0 m，留振時間（達到留振電流后持續時間）45～50s，留振電流對 74 kW 沉管機為（90～100）A，導管反插（0.4～0.5）m。

（7）提升沉管開啟第二投料口并停止振動，進行第二次投料直至灌滿。

（8）繼續邊拔管邊振動，直至拔出地面。

（9）提升樁管高于地面，停止振動進行孔口投料（第三次投料）直至地表。

（10）啟動反插，并及時進行孔口補料，直至該樁設計碎石量全部投完為止。

（11）孔口加壓至前機架抬起，完成一根樁施工。（12）移動樁架至另一孔位，重復以上操作。

（13）振動沉管碎石樁處理完成后，在樁頂上鋪填40 cm厚碎石墊層，采用18 t振動壓路機重疊輪跡碾壓4遍。

4.5.4 特殊情況處理

湘航碎石樁施工過程中，45#閘壩以右區域出現最大深度達12 m的淤泥層。原有碎石樁設計參數難以達到固結效果，為保證復合地基滿足上部結構承載力要求，設計對該部位進行深挖換填和碎石樁加密加長處理，其中45#和46#閘壩按照原設計1.8 m間距施工后，再按照梅花形中間增加1根，間排距實際為90 cm×90 cm，增加樁數237根。另右岸下游翼墻主要為淤泥質地層，間排距調整為60 cm×60 cm。

4.6 質量控制

（1）嚴格按照試樁技術參數進行施工，操作人員應記錄施工開始時間、結束時間、沉管深度、樁尖高程、提管高度、反插深度、留振時間及留振電流和投料量，同時注意各種參數的變化。

（2）碎石最大粒徑、最佳級配、充盈系數均通過試驗確定，確保碎石樁填沖連續和均勻密實。

（3）沉管達到設計深度后，碎石按分批加料，控制數量，“少吃多餐”原則進行灌注，且灌入量不少于設計值的95%。每段樁體要做到滿足密實電流、填料量和留振時間三方面的規定。當達不到規定的密實電流時，向孔內繼續加碎石并振密，直至電流值超過規定的密實電流值。

（4）振動沉管碎石樁處理完成后，在樁頂上鋪填40 cm厚碎石墊層，并采用18 t振動壓路機重疊輪跡碾壓至少6遍，保證復合地基密實度滿足設計要求。

（5）加料時應停機加料，并注意提升速度，防止因提升過高而出現斷樁或縮頸現象。

（6）沉管提升和反插速度必須均勻，每次提升高度控制在1.0 m左右，反插深度控制在50 cm以內。

（7）施工過程中及時清除提升沉管帶出的泥土，孔口泥土不得掉入孔中。

4.7 振沖碎石樁加固效果檢驗

根據規范和設計要求，在成樁1天后采用重型動力觸探檢測樁體密實度，成樁7天后采用標準貫入方法檢測樁間土密實度，成樁7天后采用淺層平板重物載荷試驗檢測單樁復合地基承載力。

湘航振動碎石樁的檢測，業主委托湖南鑫湘物探工程有限公司進行了檢測，具體檢測結果如表2。

表2 閘壩壩基碎石樁檢測數據

從表2數據可以看出，閘室復合地基承載力可取值300 kPa，壓縮模量Es均大于23 MPa（設計要求Es≥23 MPa），均能滿足設計要求。

5 總結

（1）通過振沖碎石樁的加固作用，改善了閘壩地基的力學性能，使閘壩地基承載力、沉降量、壓縮模量以及穩定性等均達到預想效果。

（2）液壓步履式振動沉管樁機對施工區域地面要求低，可在砂卵石和粉質土層上作業，施工區域不需要鋪筑碎石墊層。該設備機械化程度高、施工效率高、可自行行走及360°回轉。

（3）碎石樁具有良好的透水性，可加速地基固結，加固后地基承載力顯著提高。

（4）振沖碎石樁施工工期短、既不用水泥，又不用鋼材，可節省三材、加快施工速度，節省工程投資，是一種有效、簡便、經濟的地基加固方法。

1 GB 50287-99.水利水電工程地質勘察規范[S].

2 JTJ 246-2004.港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程[S].

3 JG J79-2002.建筑地基處理技術規范[S].

4黃生根.地基處理與基坑支護工程[M].北京:中國地質大學出版社，2004.