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        復(fù)雜地層振沖碎石樁施工技術(shù)研究

        2022-08-01 07:47:50剛,芃,
        四川水力發(fā)電 2022年3期
        關(guān)鍵詞:施工

        陳 志 剛, 侯 樹 芃, 龔 澤 鵬

        (華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司,四川 成都 610041)

        1 概 述

        傳統(tǒng)振沖碎石樁是使用振沖器進(jìn)行造孔后填料密實(shí),其對(duì)地層的穩(wěn)定性及可鉆性有較高的要求。隨著地層的復(fù)雜多變,振沖碎石樁造孔工藝也隨著處理地層的復(fù)雜性而改變。

        據(jù)勘探資料,河床覆蓋層厚17.7~58.8 m,江心縱向覆蓋層厚35.35~55.55 m,下游側(cè)相對(duì)較厚。覆蓋層總體上沿江心一帶的堆積層比較厚,向兩側(cè)逐漸變薄。物質(zhì)構(gòu)成主要以砂卵礫石層為主,局部夾有含礫中粗砂、含泥礫粉細(xì)砂透鏡體,分布厚度變化較大,埋深大于20 m。河床覆蓋層按其顆粒組成、分布層次等,自上而下大體可分為:

        (1)回填碎石土:為開挖棄渣料,主要為含泥砂卵礫石,局部含塊石及孤石。

        (2)砂卵礫石層:分布于河床覆蓋層上部,層厚12~27 m,分布規(guī)律為兩側(cè)相對(duì)較薄,局部夾有含礫中粗砂層透鏡體。

        (3)含泥礫中粗砂層:分布于河床覆蓋層中上部,揭露該巖組埋深12~26 m,橫向分布連續(xù),左厚右薄,推測縱向延伸長度大于300 m,向上下游側(cè)呈透鏡狀漸變尖滅。

        由于施工區(qū)域地下水較為飽和,且降水難度較大,為保證振沖碎石樁干地施工,河床水位必須保持在振沖碎石樁施工平臺(tái)高程1 m以下左右。

        河床壩基心墻下存在范圍較小的砂層透鏡體,其范圍在壩上下游方向延伸約120 m,壩軸線方向約180 m,最大埋深距地面約20 m。經(jīng)分析,雖然該透鏡體不存在液化問題,但其力學(xué)指標(biāo)低于相鄰砂卵礫石層,且心墻正好坐落在該透鏡體上。為避免不均勻沉降造成心墻局部破壞,同時(shí)提高心墻部位地基承載力,采用碎石振沖樁進(jìn)行處理。大壩基礎(chǔ)振沖碎石樁施工范圍為壩上0-012~壩下0+013,壩右0+089.12~壩右0+273.12范圍內(nèi),高程2 480~2 466 m采用振沖碎石樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

        2 振沖碎石樁施工

        由于需處理的砂層透鏡體位于回填碎石土及砂卵礫石層下,造孔需穿透上部回填碎石土及砂卵礫石層,而傳統(tǒng)振沖器造孔卻無法穿透上部砂卵礫石層。由于地下水位較高,地層飽和度較大,致使上部回填碎石土及砂卵礫石層膠結(jié)性差,極易發(fā)生塌孔漏漿情況,因此,只能采用引孔成樁的施工工藝進(jìn)行地基處理。因?yàn)榈貙拥膹?fù)雜性及外界施工條件的局限性,從施工合理性及工期要求通過現(xiàn)場試驗(yàn)擇優(yōu)選取旋挖鉆機(jī)引孔并下設(shè)護(hù)筒的施工工藝。

        2.1 改善外界施工條件

        (1)對(duì)于上部回填碎石土及砂卵礫石層,局部存在較大粒徑的卵石及孤石,在引孔時(shí)極易導(dǎo)致鉆孔偏斜且施工難度較大,在施工前期對(duì)上部4 m范圍之內(nèi)的粒徑大于20 cm的石塊進(jìn)行換填清理。

        (2)對(duì)于地下水位高及地層高飽和度,極易在造孔過程中發(fā)生塌孔風(fēng)險(xiǎn),采用在施工平臺(tái)周邊開挖深度約3 m左右的截排水溝進(jìn)行引排。

        2.2 造孔工藝性試驗(yàn)

        2.2.1 引孔及護(hù)筒下設(shè)試驗(yàn)

        原施工為上部2 m范圍引孔并下設(shè)護(hù)筒后進(jìn)行振沖器造孔施工,下部采用振沖器造孔施工。后經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn),振沖器無法在該地層進(jìn)行造孔施工。經(jīng)研討分析,對(duì)于上部約12~27 m砂卵礫石層較厚,粒徑較大且較為密實(shí),依靠振沖器擠密造孔施工較為困難。

        經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn),需對(duì)于上部回填碎石土層及砂卵礫石層采用全段引孔穿透。在引孔過程中,由于地層含水飽和且膠結(jié)性差而時(shí)常發(fā)生塌孔,只有通過增加護(hù)筒下設(shè)才能保證在該地層的造孔施工。由于該地層對(duì)護(hù)筒下設(shè)的摩擦阻力較大,致使護(hù)筒下設(shè)同樣存在一定的難度。

        摩擦式鉆桿常用于較軟地層的鉆孔施工,可鉆進(jìn)淤泥層、泥土層、泥(砂)層、卵(漂)石層。機(jī)鎖式鉆桿不但可以用于軟地層,還可在較硬的地層作業(yè)。機(jī)鎖桿旋挖鉆機(jī)可以鉆進(jìn)粉土、黏土、淤泥層、砂土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和卵石層[1]。經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗(yàn)及綜合考慮,使用旋挖鉆機(jī)摩阻式鉆桿帶截齒筒并在該地層全段下設(shè)護(hù)筒,鉆引孔能夠穿透該地層,保障成孔率。遇較大孤石時(shí),使用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆鉆進(jìn)。護(hù)筒按照6~8 m一節(jié)進(jìn)行下設(shè),護(hù)筒采用焊接方式進(jìn)行連接,制樁后,護(hù)筒起拔拆除。鋼護(hù)筒(壁厚30 mm、直徑1 m)頂端高出地面0.3 m,護(hù)筒埋設(shè)偏差不超過30 mm。鋼護(hù)筒下設(shè)采用旋挖鉆機(jī)鉆設(shè)直徑為1 m的導(dǎo)孔,75 t履帶吊配合ZD120A型振動(dòng)錘下設(shè)護(hù)筒是較為科學(xué)和可行的施工方案。

        2.2.2 振沖器造孔試驗(yàn)

        施工中,采用旋挖鉆機(jī)引孔穿透回填碎石土層及砂卵礫石層。

        (1)ZCQ180型振沖器造孔(加水造孔)。使用ZCQ180型振沖器常規(guī)加水造孔,其電流值達(dá)約350 A,多次超過荷載跳閘,均不能有效進(jìn)行造孔施工,反而極易發(fā)生埋設(shè)振沖器事故,同時(shí)對(duì)振沖器本身的損害較大。

        (2)ZCQ180型振沖器造孔(加水、風(fēng)造孔)。對(duì)ZCQ180型振沖器加裝供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行造孔施工,其效果較只加水方式更好,但在造孔施工中,盡管電流超過負(fù)荷也不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度。由于供風(fēng)擾動(dòng),孔段均出現(xiàn)不同程度塌孔現(xiàn)象。

        (3)ZCQ260型振沖器造孔(加水造孔)。使用大功率ZCQ260型振沖器進(jìn)行相關(guān)造孔試驗(yàn),其優(yōu)勢較ZCQ180型振沖器并無明顯變化,而且在施工中多次超載跳閘,說明在該地層使用大功率振沖器設(shè)備更加危險(xiǎn)。對(duì)于振沖器無法在含泥礫的粗砂層中振沖造孔,主要原因是砂層原始層狀較為密實(shí),在長時(shí)間振動(dòng)后析水板結(jié),振沖器無法穿透。

        2.2.3 含泥礫中粗砂層旋挖鉆機(jī)造孔試驗(yàn)

        鑒于含泥礫中粗砂層的原始密實(shí)度較高,在試驗(yàn)階段采用旋挖鉆機(jī)摩阻式鉆桿帶筒鉆進(jìn)行該層上部引孔鉆進(jìn)。因該層密實(shí)度高,且處于高飽和水狀態(tài),對(duì)摩阻式鉆桿損傷較大且不易成孔,致使旋挖鉆桿易被破壞,破壞形式大多為疲勞斷裂與扭轉(zhuǎn)變形,甚至發(fā)生鉆桿失穩(wěn)造成彎曲[2]。經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析,后采用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭鉆進(jìn)引孔,雖然能夠進(jìn)行部分孔段引孔,但引孔后存在垮塌情況,振沖器也無法進(jìn)行造孔施工。

        為了有效切割擾動(dòng)含泥礫中粗砂層,達(dá)到振沖器下穿擠密該層的效果,反復(fù)鉆孔試驗(yàn)和研究設(shè)備相關(guān)的適用性,并根據(jù)旋挖鉆頭的選配與使用膠結(jié)好的砂卵礫石和強(qiáng)風(fēng)化巖石,需配備錐形螺旋鉆頭、雙層底旋挖鉆斗(粒徑大的用單口,粒徑小的用雙口)和合金斗齒(子彈頭),才會(huì)收到好的效果[3]。

        經(jīng)綜合試驗(yàn)情況并根據(jù)機(jī)械構(gòu)造性能,選擇對(duì)該處地層采用上部回填碎石土及砂卵礫石層(處理層厚約4~12 m)采用旋挖鉆機(jī)摩阻式鉆桿或者機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆進(jìn)行引孔鉆進(jìn)施工,并且全段下設(shè)護(hù)筒;而含泥礫中粗砂層(處理層厚約4~8 m)則采用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭鉆進(jìn)進(jìn)行部分引孔,并使用旋挖鉆機(jī)機(jī)鎖式鉆桿帶螺旋鉆頭進(jìn)行下穿擾動(dòng)。含泥礫中粗砂層及下部砂卵礫石層(處理層厚約6~10 m)使用振沖器下穿造孔至深入下部砂卵礫石持力層,達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后結(jié)束造孔。在造孔過程中,將振沖器反復(fù)下沉、上提2~3遍進(jìn)行擴(kuò)孔。

        2.3 清孔及加密制樁

        2.3.1 清孔

        當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)孔深和設(shè)計(jì)處理邊界狀態(tài)時(shí),若返出泥漿過稠或出現(xiàn)樁孔縮頸跡象,需要清孔2~3遍,直至孔口返出泥漿變稀為止[4]。

        2.3.2 填料制樁

        使用含泥料不低于5%的碎石等硬質(zhì)材料,不使用已風(fēng)化、易腐蝕或軟化的石料。填料粒徑以20~80 mm為佳,最大粒徑不超過100 mm。填料宜選擇連續(xù)級(jí)配的碎石料,小、中碎石比為1∶1,并在現(xiàn)場指定位置進(jìn)行拌合,然后進(jìn)行振沖填料。

        樁體加密從樁底開始,加密段長度約0.5 m,逐段向上進(jìn)行,同時(shí),利用振沖器的水平振動(dòng)力將填入孔中的石料不斷擠向側(cè)壁土層中,同時(shí)使填料擠密,直到符合設(shè)計(jì)控制要求[5]。

        利用安裝在不同設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集傳感器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振沖施工過程中的深度、電流、電壓和填料量等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,并形成數(shù)據(jù)報(bào)告。對(duì)整個(gè)施工流程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控,并科學(xué)合理地錄入制樁流程數(shù)據(jù),對(duì)制樁流程實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)管,從而有效管理工程建設(shè)質(zhì)量。

        3 質(zhì)量檢查

        3.1 樁體直徑檢查

        根據(jù)過程施工質(zhì)量管控,制樁后樁體有效平均樁徑均大于1 m,滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。按要求抽檢部分樁體試驗(yàn)施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1:

        表1 部分樁體試驗(yàn)施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

        3.2 樁體密實(shí)度檢測

        樁體完整性及密實(shí)程度檢驗(yàn)。選用重載動(dòng)力觸探或超重載動(dòng)力觸探進(jìn)行測試,抽檢樁體參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T5214-2016)及《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ340-2015)關(guān)于碎石樁密實(shí)程度的關(guān)系,N63.5與碎石樁密實(shí)程度的關(guān)系為修正后大于10擊即可判定為密實(shí),N120與碎石樁密實(shí)程度的關(guān)系為修正后大于11擊即可判定為密實(shí),密實(shí)程度均判定為很密實(shí)。樁體密實(shí)度檢測統(tǒng)計(jì)見表2。

        3.3 樁間土處理效果檢測

        根據(jù)對(duì)樁間土在振沖樁施工前后檢測進(jìn)行對(duì)比:

        B區(qū)承載力原始特征值是500 kPa,經(jīng)過樁體處理后提升至大于700 kPa,較原始地基提升約40%;C區(qū)承載力原始特征值是410 kPa,經(jīng)過

        表2 樁體密實(shí)度檢測統(tǒng)計(jì)表

        樁體處理后提升至大于470 kPa,較原始地基提升約14.63%。

        分析其改善效果,C區(qū)與B區(qū)區(qū)別較大,主要原因是C區(qū)部位地層中含泥,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)整體承載力改善存在一定的影響,而B區(qū)不含泥。從分析結(jié)果判定,制樁加密后的樁間土能夠滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

        3.4 單樁荷載試驗(yàn)

        為判定碎石樁單樁的承載力,進(jìn)行了碎石樁單樁承載力原位靜載荷試驗(yàn),試驗(yàn)采取堆載法,載荷板直徑為1 m,從P-s單樁荷載試驗(yàn)曲線(圖1)上看,0~8級(jí)近乎于直線,可以確定為壓密變形階段,對(duì)應(yīng)的荷載1 000 kPa定為臨塑荷載,從第9級(jí)往下為塑性變形階段,沒有明顯的陡降段,P-s曲線上拐點(diǎn)沒有出現(xiàn),并且按照規(guī)范其沉降總量也未達(dá)到載荷板直徑的6/100,樁體整體性未出現(xiàn)損壞。承載力P0=1 000 kPa,E0=67.4 MPa。

        圖1 單樁荷載試驗(yàn)曲線圖

        承載力特征值經(jīng)檢測能夠滿足單樁設(shè)計(jì)850 kPa的要求。

        4 結(jié) 語

        對(duì)于液化層埋深、地層構(gòu)造復(fù)雜無法使用常規(guī)振沖設(shè)備進(jìn)行地基加固處理的地層,通過施工工藝的試驗(yàn)性探索、相關(guān)施工設(shè)備的選型、施工工序的銜接、加密制樁相關(guān)控制參數(shù)的控制,同時(shí)借鑒當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)地層的處理經(jīng)驗(yàn),通過引孔式振沖法很好地處理了復(fù)雜的地層問題,其適用性在引孔與下設(shè)護(hù)筒后得到了極大的提升。通過該復(fù)雜地層下的振沖碎石樁引孔及下設(shè)護(hù)筒施工,對(duì)引孔過程中旋挖鉆機(jī)的鉆桿形式及在各類地層情況下的鉆頭適用性進(jìn)行了進(jìn)一步的探索。對(duì)于上部較為松散但質(zhì)地堅(jiān)硬的地層一般可采用摩阻式鉆桿或者機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆進(jìn)行引孔鉆進(jìn)施工,對(duì)于埋設(shè)較深摩阻較大的地層可采用機(jī)鎖式鉆桿帶截齒筒鉆、雙層底鉆頭、螺旋鉆頭進(jìn)行一定深度的造孔與地層切割。在引孔及下設(shè)護(hù)筒滿足常規(guī)振沖器造孔后再使用振沖器進(jìn)行造孔與制樁施工,在一定程度上突破了固有的振沖碎石樁的適用性,為以后類似地層的加固處理提供了一定的施工經(jīng)驗(yàn)。隨著以后工程情況的特殊性以及需處理地層的復(fù)雜性,振沖法加固處理還需不斷地探索,以便適應(yīng)于更復(fù)雜的地基加固處理。

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