振沖砂石樁在羅家堡水庫大壩基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用

潘 紅 嶺

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

振沖法對于處理軟弱地基，特別是加固覆蓋層較深的軟弱地基發(fā)揮了其施工設(shè)備簡單、操作簡便、施工速度快、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的特點(diǎn)。筆者根據(jù)羅家堡水庫工程振沖砂石樁的施工情況，詳細(xì)介紹了振沖砂石樁在壩基處理中的應(yīng)用。

振沖砂石樁施工采用振沖器沖孔并將填入的砂石料振動密實(shí)。振沖器起振后，有很大的水平向振動力及端部射水的沖擊力，利用高壓水以2 m/min的速度將振沖器擠入地基中并下沉到加固設(shè)計標(biāo)高處，在軟弱土層中形成孔眼，然后清孔，逐步將孔眼內(nèi)的稠泥漿用高壓水清洗并排出孔外，沖孔形成后向孔內(nèi)添加粗砂、礫石、碎石、卵石等填料，其粒徑為5～200 mm。振沖器振動砂石料由下至上逐段進(jìn)行，當(dāng)每段填料在振沖器的強(qiáng)大推力下達(dá)到設(shè)計要求的密實(shí)度后，振沖器即可向上提升，進(jìn)行上一段填料的振動，振動密實(shí)直至設(shè)計頂高程，進(jìn)而形成一根具有一定直徑和一定密實(shí)度的振沖樁體，與此同時，周圍土體也在一定范圍內(nèi)被擠密實(shí)[1，2]。

對于黏性土地基，因?yàn)轱柡蛙涴ね恋耐杆暂^差，振動力不能使土體中的孔隙水迅速排除而減少孔隙比，此時，振動力主要是將添加的填料擠密并將其擠密到周圍黏土中形成粗大密實(shí)的樁柱，使樁柱與軟性黏土一起構(gòu)成復(fù)合地基。復(fù)合地基承受荷載后，由于原地基和樁柱的材料變形模量不同而使土中的應(yīng)力重新分布，應(yīng)力會相對集中到樁柱上去，因此，在沒有提高軟黏土承載能力的情況下，整個地基承載力得到了提高[3]。

羅家堡水庫壩址位于重慶市黔江區(qū)馬喇鎮(zhèn)肖家河河床上，是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉和供水等綜合效益的中型水利工程。擋水建筑物為瀝青混凝土心墻石渣壩，壩頂寬7 m，壩底寬度為125.5 m，最大壩高30.7 m，壩頂軸線長203.4 m。

該工程河床部位覆蓋層厚達(dá)35.1 m，待清除表面的腐植土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土后，主要由粉質(zhì)黏土和碎石土組成。土層含水率為33%～41%，飽和度為100%，壓縮系數(shù)為0.51～6.2 MPa-1，具有高壓縮性、低強(qiáng)度、低承載力的特點(diǎn)。需對大壩軟弱地基進(jìn)行處理。待清除覆蓋層表面的腐植土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土后，大壩基礎(chǔ)置于經(jīng)振沖砂石樁處理后的基礎(chǔ)上。Φ1 m振沖砂石樁共計打入119 203 m。

2 壩基處理方案

為保證壩坡穩(wěn)定和減少壩體沉降，同時加快施工期土層固結(jié)速度，提高復(fù)合地基承載力，確保大壩基礎(chǔ)加固達(dá)到設(shè)計和有關(guān)規(guī)范要求，壩基采用Φ1 m的振沖砂石樁進(jìn)行處理，振沖砂石樁樁底至巖層頂面。振沖砂石樁的間距布置分兩種情況，在壩體主要受力區(qū)樁體間距為1.5 m×1.5 m，其余區(qū)域?yàn)?.8 m×1.8 m。

該工程壩基振沖樁工程施工分為A、B、C、D、E、F、G、H共8個施工區(qū)，振沖樁各區(qū)覆蓋層厚度均不相同。A、B、C、D區(qū)位于大壩中心位置，覆蓋層深度約為20～35 m，振沖樁工程量約為86 000 m，其中A、B施工區(qū)樁體間距為1.5 m×1.5 m，C、D施工區(qū)樁體間距為1.8 m×1.8 m，樁體采用等邊三角形布置；E、F區(qū)位于大壩左岸且靠近左岸岸坡，覆蓋層深度約為10～20 m，振沖樁工程量約20 000 m，樁體間距為1.8 m×1.8 m，樁體采用等邊三角形布置；G、H區(qū)位于大壩右岸且靠近右岸岸坡，部分振沖樁在肖家溝河溝內(nèi)，覆蓋層深度約為6～10 m，振沖樁工程量約為14 000 m，樁體間距為1.8 m×1.8 m，樁體采用等邊三角形布置。振沖砂石樁布置情況見圖1。

圖1 振沖砂石樁平面布置圖

根據(jù)設(shè)計文件要求，在主體工程樁施工前需進(jìn)行振沖砂石樁施工試驗(yàn)，以確定可以指導(dǎo)主體工程樁施工的各項(xiàng)施工參數(shù)。

3 生產(chǎn)性工藝試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置

該工程試樁共布置了4個試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)共設(shè)置50根振沖砂石樁，樁體采用等邊三角形布置，每個試驗(yàn)區(qū)振沖砂石樁深度不同且樁體間距不同，具體情況見表1。

①試驗(yàn)1區(qū)，位于壩體上游、覆蓋層10～20 m區(qū)域，樁間排距為1.8 m，試樁數(shù)量為7根。

②試驗(yàn)2區(qū)，位于壩體下游、覆蓋層20～35 m區(qū)域，位于河床中間位置，樁間排距為1.8 m，試樁數(shù)量為7根。

表1 試驗(yàn)區(qū)振沖砂石樁布置情況表

③試驗(yàn)3區(qū)，位于壩體下游、覆蓋層20～35 m區(qū)域，位于河床中間位置，樁間排距為1.5 m，試樁數(shù)量為29根。 1.5 m×1.5 m的振沖砂石樁位于大壩基礎(chǔ)主要受力區(qū)，需增加試樁數(shù)量。

④試驗(yàn)4區(qū)，位于壩體下游左岸側(cè)、覆蓋層4～10 m區(qū)域，樁間排距為1.8 m，試樁數(shù)量為7根。

3.2 試樁機(jī)械的配置

振沖砂石樁的施工機(jī)械主要為振沖器及吊裝設(shè)備。由于不同功率的振沖器貫入深度不同，且大壩基礎(chǔ)中存在粗大木材、施工過程中容易發(fā)生抱卡導(dǎo)桿的情況而影響施工功效及質(zhì)量，試樁施工時采用了不同的設(shè)備型號及配套設(shè)備。振沖器選用150 kW、130 kW振沖器，起吊設(shè)備采用汽車吊及履帶吊。試樁區(qū)的機(jī)械配置情況見表2，不同型號振沖器的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)見表3。

3.3 施工參數(shù)的選取

根據(jù)不同試樁設(shè)備且依據(jù)工程設(shè)計要求及試驗(yàn)結(jié)果確定的試樁參數(shù)見表4。

表2 振沖砂石樁各試樁區(qū)設(shè)備配置表

表3 振沖器主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)表

表4 振沖樁擬定施工參數(shù)表

4 振沖砂石樁的施工方法

4.1 施工工藝

擬定施工設(shè)備及施工參數(shù)后，進(jìn)行試樁施工并檢測其施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求。在滿足設(shè)計要求的情況下，利用確定的施工參數(shù)進(jìn)行工程樁施工。

4.2 施工準(zhǔn)備

振沖樁施工前，先進(jìn)行三通一平，施工定位測量放線、定軸線，用木樁將軸線定位在不易被破壞的基坑側(cè)面，將軸線用全站儀引入基坑內(nèi)并用竹簽標(biāo)示樁位，以免漏孔、漏振，搭建好臨時操控平臺，設(shè)置排水溝、集水坑及沉淀池等。

4.3 定位與造孔

振沖器起吊設(shè)備(汽車吊或履帶吊)就位后應(yīng)平整穩(wěn)固，確保在施工中不發(fā)生傾斜、位移，然后起吊振沖器對準(zhǔn)樁位，開啟供水泵。待振沖器下端射水口出水的水壓(0.3～0.8 MPa)、水量達(dá)到工藝要求時，啟動振沖器，拉緊防扭繩索，待振沖器內(nèi)的偏心塊達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，下放振沖器使其貫入地基中進(jìn)行造孔。造孔過程中，振沖器應(yīng)始終保持懸垂?fàn)顟B(tài)以保證垂直成孔，造孔過程中，記錄造孔時的水壓、電流值、造孔速度及返水情況。根據(jù)施工參數(shù)，該工程造孔水壓采用0.3～0.8 MPa；振沖器貫入速率不超過2 m/min；振沖器下沉過程中的電流值不超過電機(jī)的額定值，造孔過程中將隨時清理孔口泥渣，振沖器每貫入土中1～2 m孔段記錄一次造孔電流、水壓和時間，直至貫入到施工圖規(guī)定的完孔深度。當(dāng)造孔完畢，將振沖器上下反復(fù)提拔2～3次，以保證造孔的孔徑。振沖砂石樁定位及造孔情況見圖2。

圖2 振沖砂石樁的定位造孔

4.4 填料與制樁

成孔后即可進(jìn)行填料及制樁工序。制樁時將水壓控制在0.1～0.5 MPa。填料方式主要有連續(xù)填料、間斷填料、強(qiáng)迫填料三種方法。連續(xù)填料法優(yōu)先于后兩種方法，尤其適合深度較大的振沖砂石樁。孔壁較穩(wěn)定且孔深小于6 m的振沖砂石樁適用于間斷填料法。強(qiáng)迫填料適用于大功率振沖器。該工程大壩基槽軟弱，振沖器提出孔口后孔壁容易塌落，加入回填料時，容易導(dǎo)致樁體沉降。

振沖砂石樁樁體回填料采用粗砂+碎石，最大粒徑為20 cm，禁止采用單級配石料，砂石料應(yīng)采用砂石、卵石、角礫、粗(中)砂等性能穩(wěn)定的硬質(zhì)材料，含泥量不大于5%。回填料由裝載機(jī)連續(xù)加料，加料不能過猛[4]。

樁體質(zhì)量采用加密電流、留振時間、加密段長度作為控制標(biāo)準(zhǔn)。加密自孔底開始，逐段向上。振沖器每次上提50～60 cm，逐段做好振密搭接，以防漏振。加密時按試驗(yàn)確定的加密電流135 A(180 A)控制，每段留振時間為10～13 s(15～18 s)。制樁振密加固至孔口設(shè)計標(biāo)高時，先停止振沖器運(yùn)轉(zhuǎn)，再停止供水泵。振沖樁填料、制樁情況見圖3。

圖3 振沖砂石樁填料與振密

4.5 振沖質(zhì)量控制

振沖砂石樁質(zhì)量控制的關(guān)鍵主要是加密電流的大小、留振時間的設(shè)定及留振長度的控制。

加密電流控制系統(tǒng)與振沖器配套的自動控制系統(tǒng)為振沖器的一整套設(shè)備，因此，控制系統(tǒng)的設(shè)置是施工的關(guān)鍵，亦將減少人為操作引起的質(zhì)量問題。

留振時間是根據(jù)施工參數(shù)進(jìn)行人工控制，留振時間要控制在10～12 s。留振長度根據(jù)振沖器導(dǎo)桿上焊刻的標(biāo)尺進(jìn)行控制，須將其控制在0.5～0.6 m。制樁完成后，保證樁體平均樁徑不小于設(shè)計樁徑1 m。

5 施工質(zhì)量的檢測、檢驗(yàn)方法

振沖砂石樁施工結(jié)束后，待復(fù)合地基應(yīng)力釋放后方能進(jìn)行質(zhì)量檢測，黏土地基間隔時間為3～4周，粉土地基為2～3周。

振沖樁施工質(zhì)量的檢驗(yàn)主要采用復(fù)合地基承載力試驗(yàn)。復(fù)合地基承載力試驗(yàn)采用靜載試驗(yàn)，承載力試驗(yàn)所用的承壓板為正方形。承壓板的中心應(yīng)與樁的中心保持一致[5]。該工程試驗(yàn)樁經(jīng)檢測得知：復(fù)合地基承載力達(dá)到220 kPa，樁體干密度及密實(shí)度均滿足設(shè)計要求，所選用的參數(shù)合理，滿足施工需要。

6 結(jié) 語

振沖法加固地基應(yīng)用廣泛，對處理堆石壩基礎(chǔ)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)施工機(jī)具簡單、施工工藝容易操作，施工速度快，質(zhì)量容易控制，地基加固效果好。

(2)與傳統(tǒng)開挖換填工藝相比，避免了出現(xiàn)深基坑、大開挖等施工情況，降低了安全風(fēng)險，節(jié)約了投資。