基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁施工質(zhì)量評價方法研究

庹曉軍 劉強 曹瑞瑯 趙宇飛 何瑞良

摘要：拉哇水電站工程壩址區(qū)存在地質(zhì)條件復雜、分層多樣的深厚覆蓋層，需利用振沖碎石樁大面積處理后才能作為上游圍堰的地基。工程中振沖碎石樁最大加固深度超過70 m，而目前規(guī)范中所推薦施工質(zhì)量檢測方法的適用范圍為20 m以內(nèi)，因此需要結(jié)合實際工程開展超深振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測新方法研究。以鉆孔隨鉆測試技術(shù)為新思路，結(jié)合拉哇水電站地基處理施工特點，形成了基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測新方法，介紹了具體的檢測過程、指標和評價依據(jù)及工程案例，并討論了鉆孔過程指數(shù)和動力觸探平均修正錘擊數(shù)的驗證關(guān)系。該方法可為類似工程中的超深碎石樁施工質(zhì)量控制和評價提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：振沖碎石樁;軟弱地基;質(zhì)量檢測;鉆孔隨鉆測試;重型動力觸探;拉哇水電站

中圖法分類號：TV553 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.010

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0059 - 06

0 引 言

在水利、工民建及公路等工程中，常用振沖法進行軟弱地基加固。振沖法具有質(zhì)量可靠、造價低、進度快、施工簡便、節(jié)約鋼材和水泥等特點[1]。該法利用振沖器在高壓水流作用下，邊振邊沖，在地基中成孔，然后在孔內(nèi)分批填入碎石等堅硬材料，填料在振沖器的水平向振動力作用下被振密，制成樁體，與樁間土構(gòu)成復合地基共同承擔上部荷載[2]，如圖1所示。

拉哇水電站是國家“西電東送”持續(xù)基地和西南水電基地建設(shè)的重大工程，其上游圍堰地基基礎(chǔ)為典型的湖相沉積覆蓋層，深達70 m。為保證圍堰建設(shè)、大壩基坑開挖和大壩填筑施工安全，需通過振沖碎石樁對圍堰地基進行針對性地處理，以加速深厚覆蓋層的排水固結(jié)，提高其承載力，保證圍堰堰體穩(wěn)定[3]。但是，目前國內(nèi)外的振沖碎石樁在施工設(shè)備、施工工藝及施工質(zhì)量控制等均集中在50 m深度范圍以內(nèi)[4]。針對施工質(zhì)量，在評價樁身密實性時采用重型觸探及超重型觸探方法，而在現(xiàn)行的國家及行業(yè)標準規(guī)范GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》中，僅給出了20 m深度內(nèi)的桿長修正系數(shù)和修正方法，桿長超過20 m的修正方法尚無統(tǒng)一標準。因此，亟需開展針對超深覆蓋層的振沖碎石樁施工過程監(jiān)控與施工質(zhì)量評價方法研究，以確保拉哇水電站整個工程安全可靠地建設(shè)和運行。

本文結(jié)合拉哇水電站上游圍堰深厚覆蓋層的地質(zhì)特性，開展了相關(guān)的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量的隨鉆測試。通過對振沖碎石樁樁體隨鉆數(shù)據(jù)的挖掘與分析，建立了新的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量評價方法，并且和常規(guī)的重型動力觸探方法進行了對比，驗證了所提出方法的可行性與適用性。

1 振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測現(xiàn)狀

1.1 振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測方法

振沖碎石樁對地基的加固原理主要是振沖擠密和置換作用，無論是何種作用方式都要求振沖樁密實，并對樁間土形成不同程度擠密，因而施工質(zhì)量檢測針對的是碎石樁及樁間土。

現(xiàn)行規(guī)范推薦的碎石樁復合地基密實性檢測方法中，對樁體采用的是重型動力觸探試驗，對樁間土采用的是標準貫入、靜力觸探和動力觸探（圖2）試驗[5]。此外，一些學者提出了探索性方法，主要是利用碎石樁質(zhì)量檢測儀檢測樁體[6]和用瑞利波檢測樁間土[7]。然而無論是觸探試驗、標準貫入試驗，還是瑞利波法等，均屬于淺層勘探手段，檢測深度有限，所以振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測問題一直難以解決。

1.2 超深振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測難點

對于深層覆蓋層的圍堰基礎(chǔ)振沖碎石樁，不僅因樁長較深而檢測困難，還面臨復雜地質(zhì)條件和特殊施工環(huán)境等問題，給碎石樁質(zhì)量檢測帶來諸多難題，主要包括：

（1）圍堰基礎(chǔ)一般位于河床上，而截流之前河床無法出露，必須在河床上填筑一定高度的施工平臺方可進行振沖碎石樁施工。因此，圍堰基礎(chǔ)在施工期深埋地下，無法開展原位檢測，樁徑、承載力等均無法直接測得。

（2）碎石樁從施工平臺頂部開始施工，常常需穿過回填平臺、砂卵礫石層、粉細砂層、粉土和黏性土互層、崩坡積層等復雜地層，約束力不同造成其成樁密實度等均有一定差別，而常規(guī)動力觸探屬于抽檢，無法給出整根碎石樁密實程度的連續(xù)分布情況。

（3）現(xiàn)行規(guī)范GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》在對碎石土利用重型動力觸探和超重型動力觸探進行密實狀態(tài)評價時，需進行桿長修正，而規(guī)范中給出的桿長修正范圍只含20 m以內(nèi)（重型為20 m、超重型為19 m），對于超深振沖碎石樁，如何客觀評價其20 m以外樁身的密實性是檢測的重難點。

2 基于隨鉆技術(shù)的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測新方法

2.1 鉆孔隨鉆技術(shù)測試系統(tǒng)和特點

鉆孔過程中鉆具與振沖碎石樁體直接接觸，鉆具響應信息綜合反映了碎石樁體的性質(zhì)。因此，鉆孔過程本身就是一種定量測定碎石樁質(zhì)量的原位試驗，是超深振沖碎石樁密實狀態(tài)檢測的新思路。

為了建立鉆具響應參數(shù)和超深振沖碎石樁密實狀態(tài)的關(guān)系，研發(fā)了地質(zhì)鉆機隨鉆監(jiān)測系統(tǒng)（圖3），并運用于鉆孔原位測試過程。如圖4所示，這個系統(tǒng)由高精度數(shù)字傳感器、自動采集儀以及數(shù)據(jù)分析軟件組成。

通過激光位移傳感器（圖4（b））監(jiān)測鉆進位移（S，mm），激光傳感器的標靶放置在隨鉆桿移動的鉆機磨盤上，監(jiān)測精度可達0.1 mm。在鉆機鉆桿上設(shè)立特殊的標志點，轉(zhuǎn)速傳感器（圖4（d））安裝在距離標志點10～12 mm處，用于監(jiān)測鉆頭轉(zhuǎn)速（N，r/s），并通過非接觸式空氣耦合裝置傳輸數(shù)據(jù)信號。壓力傳感器（圖4（e））安裝于鉆機推進裝置的輸油管道，用于監(jiān)測鉆進壓強（P，MPa）。P，N以及S會被同步實時采集，數(shù)據(jù)采樣時間間隔為1 s，并傳輸給數(shù)據(jù)自動數(shù)據(jù)采集儀（圖4（c））和數(shù)字傳輸模塊網(wǎng)絡云端（圖4（f））。

2.2 基于隨鉆技術(shù)碎石樁施工質(zhì)量檢測原理

在均勻介質(zhì)中，采用同樣的鉆進壓力和鉆頭轉(zhuǎn)速，其鉆進速度是穩(wěn)定的[8]。在碎石樁體中，穩(wěn)定鉆速的明顯變化由碎石樁體密實度差異造成。如圖5所示，在碎石樁密實度較高時，鉆進速度較小;反之，碎石樁密實度較低時，鉆進速度會相應較大。

考慮到鉆進壓力和鉆進轉(zhuǎn)速會對鉆進速度造成影響，因此必須要對鉆進速度做歸一化處理，形成鉆孔過程指數(shù)（Drilling Process Index，以下簡稱“DPI”），其計算公式為

[DPI=αVF-0.5N-0.5]? ? ? ? ?（1）

式中：α為常量，是與碎石強度有關(guān)的常數(shù);F為鉆進壓力，kN;V為鉆進速度，mm/s;N為旋轉(zhuǎn)速度，r/min。

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場檢測結(jié)果（圖5），初步建立的鉆孔過程指數(shù)和振沖碎石樁密實狀態(tài)關(guān)系如表1所示。

鉆機壓力主要取決于3部分：①鉆機油壓;②鉆桿自重;③鉆桿與孔壁摩擦。碎石樁鉆進時，通常采用金屬套管保護孔壁，鉆桿與孔壁的摩擦可忽略。因此，鉆進壓力可表示為

[F=PA+mgh]? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[P]為隨鉆壓強檢測值，MPa;[A]為鉆機油缸作用面積，cm2;[m]為單位長度的鉆桿質(zhì)量，mg;[g]為重力加速度，m/s2;[h]為鉆桿深度，m。

3 工程案例分析

3.1 工程概況和施工方案

拉哇水電站位于金沙江水電基地川藏界河段（圖6），為金沙江上游水電13級開發(fā)中第8級，水電站樞紐由擋水、泄水及引水發(fā)電建筑物組成，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高239 m。

工程區(qū)河床覆蓋層中堰塞湖相沉積物厚約50 m，具有厚度大、抗剪強度指標低、滲透系數(shù)低、承載力低等特性。在此類地層上填筑圍堰工程，必須進行地基加固處理。利用振動碎石樁置換黏土層以形成復合地基是一種有效措施[9]。通過碎石樁可以：①提高地層滲透系數(shù)，提高抗剪強度指標、增大變形模量;②提供排水通道，加快土體固結(jié)，使土體隨著圍堰填筑而實現(xiàn)有效應力增加和抗剪強度提高。振沖碎石樁設(shè)計方案見圖7和圖8。

3.2 基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁密實狀態(tài)檢測結(jié)果

利用隨鉆技術(shù)開展了拉哇水電站超深振沖碎石樁的密實狀態(tài)檢測，典型的檢測數(shù)據(jù)如圖9所示。圖9（a）時間-位移曲線、圖9（c）鉆進壓強和圖9（d）旋轉(zhuǎn)速度為傳感器監(jiān)測值;圖9（b）鉆進速度是根據(jù)時間-位移曲線獲得;圖9（e）DPI可根據(jù)公式（1）計算得到。

根據(jù)圖9的檢測數(shù)據(jù)，可判斷振沖碎石樁密實狀態(tài)，并按照深度列入表2。在深度25.1～25.3 m處，DPI值為2～3，碎石樁判定為中密狀態(tài);25.0～25.1 m、25.3～25.6 m等處DPI值處于0～1間，碎石樁為極密狀態(tài);其它樁體深度位置則為0.2～0.3 m厚的密實狀態(tài)交替出現(xiàn)?；陔S鉆測試結(jié)果，可生成檢測報表，為施工質(zhì)量評價提供直接支撐，且數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、樁身密實狀態(tài)判別、檢測報告等均自動運行或生成，減少了人工工作量，也能避免人為誤差。

3.3 隨鉆技術(shù)和動力觸探方法檢測結(jié)果對比分析

同時采用重型動力觸探方法和隨鉆技術(shù)開展振沖碎石樁的密實狀態(tài)檢測，共計檢測12根樁。重型動力觸探方法以平均錘擊數(shù)修正值作為樁身密度的評價指標。

在同一深度處，將鉆孔過程指標和平均錘擊數(shù)修正值做對比，見圖10。

分析結(jié)果表明：

（1）在埋深10～20 m時，兩者吻合度較好（R2=0.806），呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，且DPI超過0.5時曲線逐漸收斂，說明重型動力觸探方法和隨鉆技術(shù)在20 m以上深度進行碎石樁密實狀態(tài)評價均是可行。

（2）隨著深度增加，平均錘擊數(shù)修正值大幅度降低，表現(xiàn)為曲線整體左移，埋深10～20 m、20～30 m和30～40 m的平均錘擊數(shù)分別為29.0，23.8次和18.9次。檢測結(jié)論是，隨深度增加， 12根樁的密實度均逐漸降低，判斷結(jié)果明顯不符合實際（但符合規(guī)范計算要求）。出現(xiàn)的原因是，目前缺乏超過20 m后桿長修正系數(shù)的直接依據(jù)，此時仍利用20 m處的桿長修正系數(shù)做線性擴展與實際不符。因此，隨深度增加，鉆孔過程指標和平均錘擊數(shù)修正值的擬合度將逐漸降低（30～40 m時，R2=0.375），二者檢測結(jié)果已經(jīng)不具有互相驗證的意義。

（3）鉆孔過程中，考慮鉆桿重力受深度的影響（見公式（2）），鉆孔過程指數(shù)DPI不受深度增加的影響，檢測結(jié)果更加合理。

目前，中國關(guān)于振沖碎石樁體的檢測仍然以定性方法為主導，且只能取典型位置測試。如采用隨鉆技術(shù)，不僅可以獲得典型位置樁體密實狀態(tài)，還能獲得連續(xù)的定量數(shù)據(jù)，用以和密實度建立量化關(guān)系。在經(jīng)過大量工程應用和完善后，這種新方法將能提升振沖碎石樁密實狀態(tài)的檢測水平。

4 結(jié) 論

密實程度控制是振沖碎石樁施工質(zhì)量的關(guān)鍵。利用隨鉆技術(shù)開展了拉哇水電站超深振沖碎石樁的密實狀態(tài)檢測，并與重型動力觸探方法進行了對比分析，結(jié)果表明：

（1）樁體埋深20 m以內(nèi)時，隨鉆技術(shù)的鉆孔過程指數(shù)和重型動力觸探平均錘擊數(shù)修正值呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，二者均能較好地評價樁體密實狀態(tài)。

（2）樁體超過20 m時，因現(xiàn)有規(guī)范中動力觸探桿長修正系數(shù)缺乏直接依據(jù)，其評判效果受限;而采用基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁進行密實狀態(tài)檢測時可定量計算，得到的結(jié)果更加合理。

（3）基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁檢測結(jié)果能為施工質(zhì)量評價提供直接支撐，且其數(shù)據(jù)采集和處理、樁身密實狀態(tài)判別、檢測報告等均自動運行或生成，既減輕了人工工作量，又能避免人為誤差。

此外，需要指出的是，基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁施工質(zhì)量評價是一種新方法，未來應開展更多的工程應用和研究以不斷修正和完善。

參考文獻：

[1] 易劍輝， 郭志輝， 余文龍. 振動沉管碎石樁在復合地基處理中的應用[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計， 2020（10）： 27-28.

[2] 牛國生. 振沖碎石樁在水庫壩基處理工程中的應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）， 2016， 43（1）：75-80.

[3] 田宇. 振沖碎石樁處理在水利大壩地基施工中的應用[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2018（5）： 153-154.

[4] 胡貴良， 魏永新， 劉保柱， 等. 超深振沖碎石樁施工技術(shù)及應用[J]. 水力發(fā)電， 2020， 46（11）： 76-80.

[5] 董立龍. 振沖碎石樁施工及效果分析[J]. 科技信息，? 2014（9）：187-188.

[6] 朱新波. 概述振沖碎石樁檢測方法[J]. 中華民居， 2014（3）： 166.

[7] 李天祺. 碎石樁復合地基加固效果的瑞利波法評價研究[J]. 四川建筑科學研究， 2012， 38（5）： 89-92.

[8] 曹瑞瑯， 王玉杰， 趙宇飛， 等. 基于鉆進過程指數(shù)定量評價巖體完整性原位試驗研究[J]. 巖土工程學報， 2021， 43（4）： 679-687.

[9] 蔣大煌. 水下振沖碎石樁復合地基沉降計算方法及工程案例分析[D]. 大連：大連理工大學， 2016.

（編輯：高小雲(yún)）

Study on quality evaluation method of vibro-replacement stone column based on digital drilling technology

TUO Xiaojun 1，LIU Qiang 1，CAO Ruilang 2，ZHAO Yufei 2，HE Ruiliang 1

（1. Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd， Chengdu 610041， China;? ?2. China State key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100048， China）

Abstract： In Lawa Hydropower Station project， there are complex geological conditions and thick overburden with diverse layers in the dam site area. The ground is necessary to be treated by vibro-replacement stone column before being the foundation of the upstream cofferdam. The maximum reinforcement depth of vibro-replacement stone column exceeds 70 m. However， the scope of recommended quality detection method is within 20 m in current standards. Therefore， it is urgent to study the new quality detection method of ultra-deep vibro-replacement stone column through combining with practical projects. Digital drilling test technology is regarded as a new idea. Combined with the characteristics of ground treatment in Lawa hydropower station project， a new method for quality detection of vibro-replacement stone column based on digital drilling technology is formed. The detection process， indexes， evaluation methods and the project example are introduced. The verification relationship between the drilling process index and the average corrected blow count of heavy dynamic penetration test is discussed. This method could be an effective technical support for controlling and evaluating the quality of ultra-deep stone columns in similar projects.

Key words： vibro-replacement stone column;soft ground;quality detection;digital drilling technology;heavy dynamic penetration test; Lawa Hydropower Station