振沖法在水利水電工程中的應(yīng)用

王曉鵬

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

0 前 言

振沖法于20世紀(jì)30年代始創(chuàng)于德國，1937年首次用于處理柏林某大樓砂基。中國在20世紀(jì)70年代中期引進(jìn)，目前已廣泛應(yīng)用于水利水電、火力發(fā)電廠、公路、鐵路及石油、化工等工業(yè)和民用建筑工程的地基處理。

水利水電系統(tǒng)是最早引進(jìn)振沖技術(shù)的行業(yè)，早在1978年采用振沖法成功地處理了北京官廳水庫主壩壩基的中細(xì)砂層，使該層砂土達(dá)到了9度地震烈度時防止液化的要求。1982年北京市向陽閘閘基處理是中國新建水利工程中最早應(yīng)用振沖法。1985年在四川省銅街子水電站處理左岸副壩深槽地基，采用振沖法穿過8 m厚漂卵石夾砂層加密下臥粉細(xì)砂層是目前國內(nèi)外采用振沖法貫穿最粗粒徑的地層；1997年、2000年分別在三峽水利樞紐二期圍堰水下拋填風(fēng)化砂和黃壁莊水庫副壩振沖法處理深度超過30 m，表明中國在采用國產(chǎn)電動型振沖器振沖技術(shù)及處理深度諸方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

振沖法處理技術(shù)在水利水電工程應(yīng)用具有廣闊的前景，可以處理土石堤壩及其松軟地基、可以用于新建水利水電工程，也可用于已建病險堤壩加固，提高堤壩及構(gòu)筑物的強(qiáng)度和抗滑、抗震穩(wěn)定性。

1 振沖法的分類及其適用范圍

振沖法可從不同角度進(jìn)行分類。

1.1 按施工工藝分類

振沖法施工可分為濕法和干法2類。干法振沖在施工中不加水沖，常輔以壓縮空氣以利造孔和加密；濕法振沖在施工中輔以壓力水沖，有利造孔和加密，還能對振沖器起到冷卻作用，保證機(jī)具正常地運(yùn)行。干法振沖不用水、不排出泥漿，成孔時將土擠入周圍土體中進(jìn)行加密，但要求振沖器具有冷卻系統(tǒng)，目前中國的潛水電動機(jī)型振沖器不適合干法振沖。干法振沖適用的土類、制樁深度等均受限制，中國很少采用。本文內(nèi)容均指濕法振沖或叫振動水沖法，簡稱振沖法。

1.2 按對地基土加密效果分類

振沖法施工則又可分為振沖置換和振沖加密2類。其中，當(dāng)?shù)鼗两?jīng)過振沖法處理后其強(qiáng)度沒有得到明顯的提高時，將部分的地基土置換出去，采用強(qiáng)度較高的碎(卵)石樁柱與周圍土組成復(fù)合地基，從而提高地基強(qiáng)度的方法稱為振沖置換方法；而當(dāng)經(jīng)過振沖法處理后地基土強(qiáng)度有明顯提高時稱為振沖加密。

由于振沖法加固地基采用的施工機(jī)具較為簡單且操作方便，同時其加固質(zhì)量容易得到控制，且加固時不需鋼材水泥，僅用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的工程造價較低的碎(卵)石，因此具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

振沖法幾乎適用于各類土層，用以提高地基的強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定性，減少沉降量。振沖法是加強(qiáng)砂土抗震和防止液化的有效處理措施。對于處理不排水抗剪強(qiáng)度小于20 kPa的淤泥、淤泥質(zhì)土及該類土的人工填土地基時，應(yīng)在施工前通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。對卵(碎)石土采用振沖法處理，要通過現(xiàn)場造孔試驗，驗證選定的振沖器造孔能否達(dá)到要求處理的深度。

2 振沖法施工工藝

采用振沖法施工通常情況下包括造孔、清孔、填料以及加密4道工序。

2.1 造 孔

造孔工藝是保證整個施工質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)，在施工過程中應(yīng)符合以下要求：

(1) 將振沖器對準(zhǔn)樁位，其對準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于100 mm。施工過程中，先開啟壓力水泵，待振沖器末端的出水口開始噴水后，再開啟振沖器，當(dāng)其運(yùn)行正常后進(jìn)入造孔程序。

(2) 造孔時，振沖器應(yīng)始終保持懸垂?fàn)顟B(tài)。由于橡膠減震器聯(lián)結(jié)振沖器和導(dǎo)管，于是導(dǎo)管允許有稍微的偏斜，但偏斜角度不宜過大，以防止振沖器偏離貫入方向。

(3) 地基土質(zhì)以及振沖器類型和水沖壓力等影響造孔工藝的速度和能力。因此，在施工過程中，施工人員難以完全控制造孔的速度，而只能控制最大造孔速度，通常情況下，造孔施工的最大速度應(yīng)控制在小于2 m/min。

(4) 壓力水容易對松散粉細(xì)砂、粉土、粉煤灰、淤泥土等造成沖刷，因此該類土質(zhì)下其造孔深度允許小于設(shè)計深度30 cm以上。為減輕壓力水對設(shè)計孔深下土層的沖刷破壞，待倒入填料后，振沖器夾帶石料再向下貫入至設(shè)計深度。

(5) 振沖器貫入速度和土質(zhì)條件決定水沖壓力的大小，當(dāng)振沖器貫入速度慢或土質(zhì)較為堅硬時，可加大水沖壓力，反之則宜減少水沖壓力。通常情況下，水沖壓力位于0.3～0.8 MPa之間。在對松散的粉細(xì)砂、砂質(zhì)粉土或粉煤灰地基實施造孔工藝時，其水量宜少，以防止隨返水帶出大量泥砂。

(6) 造孔時，如振沖器出現(xiàn)上下顛動或工作電流大于電機(jī)額定電流，經(jīng)反復(fù)沖擊后亦無法貫入時，應(yīng)停止造孔，并及時調(diào)整施工參數(shù)。

2.2 清 孔

造孔時，如返出的泥漿較稠，或孔中有狹窄、縮孔地段，應(yīng)采取清孔工藝。清孔時，可將振沖器提出孔口，或在狹窄、縮孔地段上下提拉振沖器實現(xiàn)擴(kuò)孔，從而使孔口返出泥漿變稀，振沖孔順直通暢有利于下一步進(jìn)行填料。

2.3 填 料

在造孔或清孔結(jié)束后，可將填料倒入孔中，填料方式可采用強(qiáng)迫填料法、連續(xù)填料法或間斷填料法3種方式。

(1) 強(qiáng)迫填料法。強(qiáng)迫填料法一般只適用于大功率振沖器施工，該方法是利用振沖器的自身重量和振動作用來實現(xiàn)填料的挾送，將位于孔上部的填料輸送至孔下部需要填料的位置。該方法要求振沖器在填料滿孔條件下向下貫入，所受貫入阻力較大。填料時，要求避免工作電流大于電機(jī)的額定電流，否則填料不能達(dá)到需要加密地段。

(2) 間斷填料法。間接填料法一般適用于樁長小于6 m且孔壁穩(wěn)定時。采用間接填料法進(jìn)行填料時，應(yīng)先將振沖器提出孔口，然后倒入一定數(shù)量的填料，通常填料高度為1.0 m左右，最后將振沖器貫入孔中，將填料振搗密實。由于在間斷填料施工時，每次均將振沖器提拉出孔口，因此采用手推車進(jìn)行填料比較適合該施工工藝。但同時由于填料過程中需每次提放振沖器，因此間接填料工藝所花費(fèi)時間較多，施工效率較低，尤其對于孔的深度較深時，填料很難沉落到孔底。

(3) 連續(xù)填料法。當(dāng)樁長較大時，通常采用連續(xù)填料方式。在采用連續(xù)填料進(jìn)行制樁時，與間接填料方式不同，振沖器不提拉出孔口，并向孔內(nèi)連續(xù)進(jìn)行填料，填料自動沉落于孔底并被振搗密實，直至達(dá)到設(shè)計要求高程。連續(xù)填料施工工藝中，要求填料速度和數(shù)量能保證孔中不缺填料，這是由于當(dāng)缺乏填料或填料不足時，振沖器在孔中振動和壓力水沖刷將導(dǎo)致孔徑不斷擴(kuò)大，從而難以實現(xiàn)加密成樁。由于連續(xù)填料對填料速度和數(shù)量要求嚴(yán)格，因此通常采用裝載機(jī)作業(yè)。當(dāng)采用30 kW振沖器進(jìn)行施工時，也可采用手推車填料，但應(yīng)組織足夠多的車輛和人力以滿足連續(xù)填料要求的填料速度和數(shù)量，保證孔中不缺填料。

2.4 加 密

加密是振沖法處理地基的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常情況下分為填料加密和不填料加密。填料振沖加密是指將填入孔中的填料擠振密實，而后者則是完全利用地基土的自身振動密實。樁體加密控制標(biāo)準(zhǔn)一般可分以下3種：

(1) 填料量控制標(biāo)準(zhǔn)。填料量控制標(biāo)準(zhǔn)是指在樁體加密過程中采用每延米填入填料數(shù)量作為樁體加密控制標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)通常適用于均勻土質(zhì)場地。目前單純采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行樁體加密控制的較少。當(dāng)施工場地土質(zhì)變化較大時，在采用相同填料量加密后，加密效果不理想，這是由于施工場地土質(zhì)的不均勻引起土質(zhì)強(qiáng)度不均勻，從而導(dǎo)致地基在沿垂直方向和水平方向都不能達(dá)到均勻，也正因為如此，目前樁體加密較少采用單純填料量作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 電流控制標(biāo)準(zhǔn)。電流控制標(biāo)準(zhǔn)是指在樁體加密過程中采用振沖器的電流達(dá)到設(shè)計確定值作為樁體加密控制標(biāo)準(zhǔn)。在樁體加密施工過程中，振沖器啟動后，在貫入土層后受周圍土體的剪切約束，為克服其阻力振沖器工作電流就會升高，即電機(jī)輸出功率增大，從而保持自由振動狀態(tài)。施工過程中，周圍土體的約束力越大，振沖器的工作電流就會越大。設(shè)計確定的振沖器工作電流值實際上就是振沖器啟動后在貫入土層前運(yùn)行的電流，即空載電流，增加某一增量得到的電流值。當(dāng)采用樁體加密過程中采用統(tǒng)一的加密電流值時，針對松軟的地基土就需要加入較多的填料量，而針對堅硬的地基土?xí)r則需要填入的填料量較少，且地基處理后強(qiáng)度相對比較均勻。

(3) 加密電流、留振時間、加密段長度控制標(biāo)準(zhǔn)。目前此標(biāo)準(zhǔn)已廣泛應(yīng)用于振沖法施工過程中，這是由于樁體加密效果在與加密電流值大小有關(guān)的同時，也和達(dá)到該電流值維持時間的長短有關(guān)，因此采用這3種指標(biāo)作為控制標(biāo)準(zhǔn)能有效保障樁體加密質(zhì)量。留振時間是指施工中振沖器達(dá)到加密電流后的振動時間。

在采用加密電流、留振時間及加密段長度作為加密控制標(biāo)準(zhǔn)時，填料量指標(biāo)僅作為參考標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)加密施工中出現(xiàn)填料數(shù)量過少情況，特別是針對以置換性質(zhì)為主的加固，應(yīng)給予充分重視；當(dāng)填料量與設(shè)計要求相差較大，應(yīng)及時研究解決，可以通過設(shè)計變更加密技術(shù)參數(shù)，調(diào)整填料量以保證工程質(zhì)量。

無論采用上述哪一種加密控制標(biāo)準(zhǔn)，樁體加密時均應(yīng)從樁底標(biāo)高開始，逐段向上進(jìn)行，中間不得漏振。樁體加密段長度越小加密效果越好，而加密段越長加密效果越差。樁體加密過程中，加密水壓宜控制在0.1～0.5 MPa。加密施工過程中，每加密1.0～2.0 m應(yīng)記錄電流、水壓、時間及填料量等，且記錄應(yīng)及時、準(zhǔn)確、字跡清晰，不得隨意涂改。待加密結(jié)束后，應(yīng)先停止振沖器運(yùn)行，后停止水沖。

3 振沖法施工中常見問題及處理方法

(1) 樁位偏差控制。由于土質(zhì)不均勻，周圍土質(zhì)強(qiáng)度有所差別，在造孔施工過程中，孔位極易向土質(zhì)偏軟的一側(cè)偏移，此時應(yīng)調(diào)整振沖器造孔位置，將振沖器向硬土一側(cè)偏向，偏移量根據(jù)施工現(xiàn)場具體情況而定，也可在偏移一側(cè)倒入適量填料進(jìn)行糾正。如若由于振沖器垂直度差而導(dǎo)致的孔位偏移時，應(yīng)及時調(diào)整振沖器的垂直度，特別要注意減震器部位的垂直度。在施工中由于從一側(cè)填料擠壓振沖器導(dǎo)致孔位偏移時，應(yīng)改變填料方向，從孔的四周進(jìn)行填料。當(dāng)樁位偏差超過施工規(guī)范或設(shè)計要求時，應(yīng)重新造孔，加密成樁。

(2) 孔口返水控制。當(dāng)遇到強(qiáng)透水性砂層時，導(dǎo)致孔口返水少，這時應(yīng)加大供水量。當(dāng)孔內(nèi)有堵塞部分從而導(dǎo)致孔口返水少時，應(yīng)采取清孔措施，增加孔徑，清除堵塞，以達(dá)到返水要求。

(3) 填料控制。當(dāng)孔口比較窄小，孔中出現(xiàn)孔段堵塞，填料不暢時，應(yīng)使用振沖器將孔口擴(kuò)大，同時鏟去孔口泥土。當(dāng)填料過快、過多時，填料把振沖器導(dǎo)管卡住，填料下不去，這時應(yīng)暫停填料，慢慢上下活動振沖器直至消除石料抱導(dǎo)管，填料順暢。填料過程中，應(yīng)注意裝載機(jī)裝料的多少及散落的數(shù)量，并核對施工場地的填料總量及填孔的填料總量。

(4) 串樁控制。當(dāng)土質(zhì)松軟、樁距過小或成樁直徑過大時，已經(jīng)成樁的碎石進(jìn)入附近施工的孔中，此時，在施工過程中應(yīng)擴(kuò)大樁距或?qū)⒊蓸吨睆娇s小，重新加密被串樁，且加密深度應(yīng)超過串樁的深度。當(dāng)在原樁位振沖器不能貫入孔中實現(xiàn)重新加密時，可在旁邊采取補(bǔ)樁措施，補(bǔ)樁長度應(yīng)超過串樁深度。

4 振沖法施工質(zhì)量檢測與驗收

振沖法處理工程屬隱蔽工程，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計和規(guī)范規(guī)定的要求進(jìn)行質(zhì)量檢測與驗收。通常情況下質(zhì)量檢測驗收內(nèi)容主要包括2個方面:① 對樁長、樁數(shù)、樁位、樁徑等數(shù)量尺寸上的檢測；② 對樁體質(zhì)量、樁間土加密效果、復(fù)合地基承載力及變形模量等方面的檢測。檢測點的布置應(yīng)具有代表性，并應(yīng)分布均勻。在建筑物重要部位、不同土質(zhì)有代表性地區(qū)以及施工中出現(xiàn)異常的地段，應(yīng)布置檢測點。

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