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(duì)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(dòng)密實(shí)。振沖器起振后，有很大的水平向振動(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)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(dòng)，振動(dòng)密實(shí)直至設(shè)計(jì)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(shí)，周圍土體也在一定范圍內(nèi)被擠密實(shí)[1，2]。

對(duì)于黏性土地基，因?yàn)轱柡蛙涴ね恋耐杆暂^差，振動(dòng)力不能使土體中的孔隙水迅速排除而減少孔隙比，此時(shí)，振動(dòng)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(huì)相對(duì)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(gè)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(duì)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(jì)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(shí)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(jì)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(gè)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(jì)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(gè)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(gè)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(shí)采用了不同的設(shè)備型號(hào)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(hào)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(jì)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(jì)要求。在滿足設(shè)計(jì)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(shí)操控平臺(tái)，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(duì)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(shí)，啟動(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(jí)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(shí)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(shí)按試驗(yàn)確定的加密電流135 A(180 A)控制，每段留振時(shí)間為10～13 s(15～18 s)。制樁振密加固至孔口設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，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(shí)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(dòng)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(shí)間是根據(jù)施工參數(shù)進(jìn)行人工控制，留振時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(duì)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(xiǎn)，節(jié)約了投資。