高原地区大坝基础振冲碎石桩施工研究

赵如阳 贾洪波

(中国安能集团第三工程局有限公司，四川 成都 611130)

1 工程概况

巴塘水电站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治区的界河上，右岸为西藏昌都市芒康县，左岸为四川甘孜藏族自治州，施工区域平均海拔2500m。

河床坝基心墙下存在范围较小的砂层透镜体，其范围在坝上下游方向延伸约120m，坝轴线方向约180m，最大埋深距地面约20m。经分析虽然该透镜体不存在液化问题，但其力学指标低于相邻砂卵砾石层，且心墙正好坐落在该透镜体上，为避免不均匀沉降造成心墙局部破坏，同时提高心墙部位地基承载力，采用碎石振冲桩进行处理。大坝基础振冲碎石桩施工范围为坝上0-012～坝下0+013，坝右0+089.12～坝右0+273.12，2480～2466m高程采用振冲碎石桩对基础进行加固处理。

碎石桩桩径1.0m，等边三角形布置，桩间距3.0m；振冲碎石桩法处理后复合地基承载力特征值要满足设计要求；砂砾石基础复合地基承载力特征值550kPa；砂层透镜体基础复合地基承载力特征值400kPa。

2 工程地质条件

坝址区段河谷相对较窄，现代主河床位于右侧，坝前左侧为宽缓一级阶地，平面形态呈凸向岸外“月牙”形，地面高程2491～2495m，内侧坡脚地形低洼。坝址区水流平缓，枯水期水位2486m(2006年11月)，河床地面高程2483m。

据目前勘探资料，河床覆盖层厚17.70～58.80m，河心纵向覆盖层厚35.35～55.55m，下游侧相对较厚。覆盖层总体上呈江心一带堆积层较厚，向两侧逐渐变薄。覆盖层以砂卵砾石层为主，局部夹有含砾中粗砂、含泥砾粉细砂透镜体，分布厚度变化较大，一般埋深大于20m。河床覆盖层按其颗粒组成、分布层次等，自下而上大致可分为4大岩组。

Ⅰ岩组(Qal-Ⅰ)——含泥砾中细砂层：该岩组分布于河床中心部位、覆盖层底部，厚度7.40～9.95m，向上下游侧呈透镜状渐变尖灭。

Ⅱ岩组(Qal-Ⅱ)——砂卵砾石层：分布于河床覆盖层中下部，揭露层厚4.7～25m，埋深18～33m，其中河床部位埋深较大，分布规律为两侧薄河心厚。

Ⅲ岩组(Qal-Ⅲ)——含泥砾中粗砂层：分布于河床覆盖层中上部，揭露该岩组埋深12～26m，横向分布连续，左厚右薄，推测纵向延伸长度大于300m，向上下游侧呈透镜状渐变尖灭。

Ⅳ岩组(Qal-Ⅳ)——砂卵砾石层：分布于河床覆盖层上部，层厚12～27m，分布规律为两侧相对较薄河心厚，局部夹有含砾中粗砂层透镜体。

河床覆盖层物理力学参数建议值见表1。

表1 河床覆盖层物理力学参数建议值

3 试验桩施工

3.1 试验桩布置

试验区分为B、C两个试验区，B区位于坝右0+180.12处的平行于坝体的直线上，范围为坝上0-012.00～坝下0+013.00之间；C区位于坝右0+091.72处的平行于坝体的直线上，范围为坝上0-012.00～坝下0+013.00之间，设计桩径为1.0m。

由于河床水位保持于2484m左右，为保障施工平台干地作业，施工平台设置于2485m高程，部分施工区域为河床原始地层，其余部分为回填施工。

3.2 振冲碎石桩生产性工艺探索

试验B区及C区揭露地质情况基本与设计地质层面吻合，振冲碎石桩施工区2485m高程以下0～5m左右层面孤石含量较大。

试验B区=2485m高程以下5～13m为砂卵砾石层，其粒径相对较大，卵砾石含量较大，猜测与截流抛填及白格堰塞湖冲刷有一定关系，该地层胶结性较差。中部13～18m为含砾中粗砂层，该层上层部位有部分粉细砂夹杂砾石，下部砾石占比较多。约18m以下为砂卵砾石层，其地层坚硬。

试验C区=2485m高程以下5～13m为砂卵砾石层，越靠近左岸侧含泥量较大，且含泥深度越大，该部位为岸坡部位，其下部孤石量较大，且块径较大。13～16m为含泥砾中粗砂层，由于该部位处于透镜体消融部位，其层厚区别较大。

分别在试验B区(地层中上部孤、漂石未经挖除)和试验区B内(地层上部2.0m深度范围内孤、漂石已基本挖除)进行试验，均下设约6.0m护筒。

振冲碎石桩实际施工期间对振冲器造孔进行了一系列的改进与调试，在最初摸索阶段旋挖钻机引孔8m左右时，使用ZCQ180型振冲器常规加水造孔，其电流值达约350A，多次超过荷载跳闸，均不能有效进行造孔施工，极易发生埋设振冲器事故，同时对振冲器本身的损害较大。后续施工中又对ZCQ180型振冲器加装供风系统进行造孔施工，其功效较只加水方式有一定的优势，但是在造孔施工中电流依旧超过负荷，也不能达到设计深度。且由于供风扰动，孔段均出现不同程度塌孔现象[1]。

在探索造孔过程中，使用大功率ZCQ260型振冲器进行了相关试验，在更换了大功率振冲器后，其优势较ZCQ180型振冲器无明显变化，在该地层下大功率振冲器设备使用更加危险。

至此从护筒下设着手改进工艺，将护筒下设增加至约13m，上部试验旋挖钻机造孔后，再试验旋挖钻机螺旋钻头扰动切割下部，再使用振冲器进行造孔作业，经过现场试验，该施工工艺能够在该地层特性下顺利成桩[2]。

同时在试验C区采取同样工艺进行施工，其功效从两天成桩1根提升为一天成桩3根，很大程度上提升了施工功效。

3.3 振冲碎石桩试验桩施工

3.3.1 造孔清孔

针对地基处理振冲碎石桩的实际情况，考虑缩短工期、节约成本、降低造价等因素，采用“上部回填部分及Ⅳ岩组(Qal-Ⅳ)——砂卵砾石层旋挖钻机造孔+下部振冲器造孔制桩”的施工工艺[3]。

对于Qal-Ⅳ部位，由于胶结性差及地下水饱和度较高且水压较大，造孔难度较大，针对该地层的特殊性，对上部孤石及块石进行换填，使用旋挖钻机引孔穿透该层并在该地层全段下设护筒，保障该地层成孔率。护筒按照6～8m一节进行下设，护筒连接采用焊接，制桩后进行护筒起拔拆除。钢护筒(壁厚20mm、直径1m)顶端高出地面0.30m，护筒埋设偏差不超过30mm。钢护筒下设采用旋挖钻机钻设直径为1.0m的导孔，75t履带吊配合ZD120A型振动锤下设护筒。

造孔过程中，振冲器应下沉、上提反复2～3遍扩孔，确保填料顺畅，保证桩径满足设计要求。

在达到设计孔深及设计处理边界条件后，返出泥浆过稠或存在桩孔缩颈现象时宜进行清孔，一般清孔2～3遍，直至孔口返出泥浆变稀，振冲器电流基本为其空载电流值[4]。

3.3.2 填料制桩

采用含泥量小于5%的碎石等硬质材料，不使用已风化及易腐蚀、软化的石料。填料粒径宜为20～80mm。最大粒径不大于100mm。填料应采用连续级配的碎石料，小、中碎石比为 1 ∶1，在现场指定位置进行拌和，经过拌和后进行振冲填料。

桩体加密从桩底标高开始，加密段长度不得超过0.50m，逐段向上进行，中间不得漏振。依靠振冲器的水平振动力将填入孔中的石料不断挤向侧壁土层中同时使填料挤密，直到满足设计要求。

通过安装在不同设备上的传感器，实现对振冲施工过程中的深度、电流、电压、填料量进行实时监控，并生成统计报表，对整个施工过程进行动态跟踪，科学记录制桩过程数据，对制桩过程进行监督，有效控制施工质量[5]。具体施工技术参数见表2。

表2 技 术 参 数

3.3.3 质量检测

施工质量检测时先进行重型动力触探试验检测桩体密实度，采用标准贯入试验检测桩间土处理效果。检测应在成桩1天后进行。对每个试验区选取3根振冲碎石桩作为试验桩，对其进行重型动力触探试验检测，在三根试验桩中部位置进行标准贯入试验，触探击数应达到设计要求[6]。

由于标准贯入试验不适用于砂卵砾石层地基检测，因此对桩间土处理效果采用重型动力触探试验进行相关检测[7]。

4 检测结果

4.1 桩间土处理效果

B区桩间土处理效果分析如下：

制桩前：制桩前桩间土采用重型动力触探(砂卵砾石层不适宜采用标准贯入试验方法)对桩间土进行检验，BJ-1试验孔试验平均N63.5击数为大于16.2，修正后平均N63.5击数为大于11.5，参照《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ 32/J 12—2005)承载力特征值fk=500kPa。

制桩后：制桩后桩间土采用超重型动力触探(砂卵砾石层不适宜采用标准贯入试验方法)对桩间土进行检验，BJ-2试验孔试验平均N120击数为大于14.4，修正后平均N120击数为大于9.8，参照《成都地区建筑地基基础设计规范》(DB 51/T 5026—2001)承载力特征值fk>700kPa。[8]

C区桩间土处理效果分析如下：

制桩前：制桩前桩间土采用重型动力触探(砂卵砾石层不适宜采用标准贯入试验方法)对桩间土进行检验，CJ-1试验孔试验平均N63.5击数为大于20.0，修正后平均N63.5击数为大于12.2，参照《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ 32/J 12—2005)承载力特征值fk=410kPa。

制桩后：制桩后桩间土采用重型动力触探(砂卵砾石层不适宜采用标准贯入试验方法)对桩间土进行检验，CJ-2试验孔试验平均N63.5击数为大于20.3，修正后平均N63.5击数为大于12.9，参照《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ 32/J 12—2005)承载力特征值fk>470kPa。[9]

4.2 桩体施工成果

B试验区共选取3根试验桩，分别为B1、B2、B3，C试验区共选取3根试验桩，分别为C1、C2、C3，桩体资料、施工情况统计见表3、表4。

表3 B试验区试验桩统计

表4 C试验区试验桩统计

4.3 桩体检测成果

4.3.1 B试验区桩体检测

B试验区B1桩体采用重型动力触探进行检验，全孔试验平均N63.5击数为大于27.4，修正后平均N63.5击数为大于16.9，参照《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(DL/T 5214—2016)密实程度为很密实。

B试验区B2桩体采用超重型动力触探进行检验，全孔试验平均N120击数为大于23.4，修正后平均N120击数为大于16.7，参照《建筑地基检测技术规范》(JGJ 340—2015)密实程度为很密实。

B试验区B3桩体采用超重型动力触探进行检验，全孔试验平均N63.5击数为大于24.8，修正后平均N63.5击数为大于17.5，参照《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(DL/T 5214—2016)密实程度为很密实。

4.3.2 C试验区桩体检测

C试验区C1桩体采用重型动力触探进行检验，全孔试验平均N63.5击数为大于28.7，修正后平均N63.5击数为大于19.1，参照《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(DL/T 5214—2016)密实程度为很密实。

C试验区C2桩体采用重型动力触探进行检验，全孔试验平均N63.5击数为大于27，修正后平均N63.5击数为大于18.9，参照《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(DL/T 5214—2016)密实程度为很密实。

C试验区C3桩体采用超重型动力触探进行检验，全孔试验平均N63.5击数为大于26.6，修正后平均N63.5击数为大于16.9，参照《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(DL/T 5214—2016)密实程度为很密实。

5 试验结果分析与结论

根据试验成果桩间土承载力在振冲桩施工前后有明显的提高。

a.B试验区承载力特征值从原始500kPa提升至大于700kPa，较原始地基提升约40.00%。

b.C试验区承载力特征值从原始410kPa提升至大于470kPa，较原始地基提升约14.63%。经分析，其改善效果与B试验区区别较大的主要原因是C区部位地层中含泥，而B试验区则不含泥。

制桩加密后的桩间土承载力能够满足设计要求。处理后砂砾石基础复合地基承载力特征值大于550kPa；砂层透镜体基础复合地基承载力特征值大于400kPa。

根据桩体相关检测数据，桩体密实程度均为很密实，能够满足桩体施工要求。

B、C试验区内试验桩施工桩径均大于设计桩径1.0m，并且孔深均与设计深度基本吻合，因此对上部砂卵砾石层下设护筒及该层全段引孔的施工工艺在该地层情况下是适宜的，同时在试验施工工艺及参数下能够满足桩体施工相关要求[10]。

6 结 语

根据施工过程资料及检测结果分析，振冲碎石桩制桩相关控制参数在本试验区地质条件下是适宜的；对上部砂卵砾石层全段下设护筒及在该层全段引孔的施工工艺在该地层情况下是合理的；终孔参照结束标准能够满足设计相关要求，该结束标准是适用的；对于上部块石及孤石进行换填施工是合适的；对于振冲施工过程中特殊情况采取的处理措施是适宜的。