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        高原地區(qū)大壩基礎(chǔ)振沖碎石樁施工研究

        2022-11-05 06:32:22趙如陽賈洪波
        水利建設(shè)與管理 2022年10期
        關(guān)鍵詞:沖器造孔礫石

        趙如陽 賈洪波

        (中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司,四川 成都 611130)

        1 工程概況

        巴塘水電站位于金沙江上游河段四川省和西藏自治區(qū)的界河上,右岸為西藏昌都市芒康縣,左岸為四川甘孜藏族自治州,施工區(qū)域平均海拔2500m。

        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120m,壩軸線方向約180m,最大埋深距地面約20m。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+273.12,2480~2466m高程采用振沖碎石樁對基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

        碎石樁樁徑1.0m,等邊三角形布置,樁間距3.0m;振沖碎石樁法處理后復(fù)合地基承載力特征值要滿足設(shè)計要求;砂礫石基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值550kPa;砂層透鏡體基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值400kPa。

        2 工程地質(zhì)條件

        壩址區(qū)段河谷相對較窄,現(xiàn)代主河床位于右側(cè),壩前左側(cè)為寬緩一級階地,平面形態(tài)呈凸向岸外“月牙”形,地面高程2491~2495m,內(nèi)側(cè)坡腳地形低洼。壩址區(qū)水流平緩,枯水期水位2486m(2006年11月),河床地面高程2483m。

        據(jù)目前勘探資料,河床覆蓋層厚17.70~58.80m,河心縱向覆蓋層厚35.35~55.55m,下游側(cè)相對較厚。覆蓋層總體上呈江心一帶堆積層較厚,向兩側(cè)逐漸變薄。覆蓋層以砂卵礫石層為主,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,一般埋深大于20m。河床覆蓋層按其顆粒組成、分布層次等,自下而上大致可分為4大巖組。

        Ⅰ巖組(Qal-Ⅰ)——含泥礫中細(xì)砂層:該巖組分布于河床中心部位、覆蓋層底部,厚度7.40~9.95m,向上下游側(cè)呈透鏡狀漸變尖滅。

        Ⅱ巖組(Qal-Ⅱ)——砂卵礫石層:分布于河床覆蓋層中下部,揭露層厚4.7~25m,埋深18~33m,其中河床部位埋深較大,分布規(guī)律為兩側(cè)薄河心厚。

        Ⅲ巖組(Qal-Ⅲ)——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12~26m,橫向分布連續(xù),左厚右薄,推測縱向延伸長度大于300m,向上下游側(cè)呈透鏡狀漸變尖滅。

        Ⅳ巖組(Qal-Ⅳ)——砂卵礫石層:分布于河床覆蓋層上部,層厚12~27m,分布規(guī)律為兩側(cè)相對較薄河心厚,局部夾有含礫中粗砂層透鏡體。

        河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

        表1 河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值

        3 試驗樁施工

        3.1 試驗樁布置

        試驗區(qū)分為B、C兩個試驗區(qū),B區(qū)位于壩右0+180.12處的平行于壩體的直線上,范圍為壩上0-012.00~壩下0+013.00之間;C區(qū)位于壩右0+091.72處的平行于壩體的直線上,范圍為壩上0-012.00~壩下0+013.00之間,設(shè)計樁徑為1.0m。

        由于河床水位保持于2484m左右,為保障施工平臺干地作業(yè),施工平臺設(shè)置于2485m高程,部分施工區(qū)域為河床原始地層,其余部分為回填施工。

        3.2 振沖碎石樁生產(chǎn)性工藝探索

        試驗B區(qū)及C區(qū)揭露地質(zhì)情況基本與設(shè)計地質(zhì)層面吻合,振沖碎石樁施工區(qū)2485m高程以下0~5m左右層面孤石含量較大。

        試驗B區(qū)=2485m高程以下5~13m為砂卵礫石層,其粒徑相對較大,卵礫石含量較大,猜測與截流拋填及白格堰塞湖沖刷有一定關(guān)系,該地層膠結(jié)性較差。中部13~18m為含礫中粗砂層,該層上層部位有部分粉細(xì)砂夾雜礫石,下部礫石占比較多。約18m以下為砂卵礫石層,其地層堅硬。

        試驗C區(qū)=2485m高程以下5~13m為砂卵礫石層,越靠近左岸側(cè)含泥量較大,且含泥深度越大,該部位為岸坡部位,其下部孤石量較大,且塊徑較大。13~16m為含泥礫中粗砂層,由于該部位處于透鏡體消融部位,其層厚區(qū)別較大。

        分別在試驗B區(qū)(地層中上部孤、漂石未經(jīng)挖除)和試驗區(qū)B內(nèi)(地層上部2.0m深度范圍內(nèi)孤、漂石已基本挖除)進(jìn)行試驗,均下設(shè)約6.0m護(hù)筒。

        振沖碎石樁實際施工期間對振沖器造孔進(jìn)行了一系列的改進(jìn)與調(diào)試,在最初摸索階段旋挖鉆機(jī)引孔8m左右時,使用ZCQ180型振沖器常規(guī)加水造孔,其電流值達(dá)約350A,多次超過荷載跳閘,均不能有效進(jìn)行造孔施工,極易發(fā)生埋設(shè)振沖器事故,同時對振沖器本身的損害較大。后續(xù)施工中又對ZCQ180型振沖器加裝供風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行造孔施工,其功效較只加水方式有一定的優(yōu)勢,但是在造孔施工中電流依舊超過負(fù)荷,也不能達(dá)到設(shè)計深度。且由于供風(fēng)擾動,孔段均出現(xiàn)不同程度塌孔現(xiàn)象[1]。

        在探索造孔過程中,使用大功率ZCQ260型振沖器進(jìn)行了相關(guān)試驗,在更換了大功率振沖器后,其優(yōu)勢較ZCQ180型振沖器無明顯變化,在該地層下大功率振沖器設(shè)備使用更加危險。

        至此從護(hù)筒下設(shè)著手改進(jìn)工藝,將護(hù)筒下設(shè)增加至約13m,上部試驗旋挖鉆機(jī)造孔后,再試驗旋挖鉆機(jī)螺旋鉆頭擾動切割下部,再使用振沖器進(jìn)行造孔作業(yè),經(jīng)過現(xiàn)場試驗,該施工工藝能夠在該地層特性下順利成樁[2]。

        同時在試驗C區(qū)采取同樣工藝進(jìn)行施工,其功效從兩天成樁1根提升為一天成樁3根,很大程度上提升了施工功效。

        3.3 振沖碎石樁試驗樁施工

        3.3.1 造孔清孔

        針對地基處理振沖碎石樁的實際情況,考慮縮短工期、節(jié)約成本、降低造價等因素,采用“上部回填部分及Ⅳ巖組(Qal-Ⅳ)——砂卵礫石層旋挖鉆機(jī)造孔+下部振沖器造孔制樁”的施工工藝[3]。

        對于Qal-Ⅳ部位,由于膠結(jié)性差及地下水飽和度較高且水壓較大,造孔難度較大,針對該地層的特殊性,對上部孤石及塊石進(jìn)行換填,使用旋挖鉆機(jī)引孔穿透該層并在該地層全段下設(shè)護(hù)筒,保障該地層成孔率。護(hù)筒按照6~8m一節(jié)進(jìn)行下設(shè),護(hù)筒連接采用焊接,制樁后進(jìn)行護(hù)筒起拔拆除。鋼護(hù)筒(壁厚20mm、直徑1m)頂端高出地面0.30m,護(hù)筒埋設(shè)偏差不超過30mm。鋼護(hù)筒下設(shè)采用旋挖鉆機(jī)鉆設(shè)直徑為1.0m的導(dǎo)孔,75t履帶吊配合ZD120A型振動錘下設(shè)護(hù)筒。

        造孔過程中,振沖器應(yīng)下沉、上提反復(fù)2~3遍擴(kuò)孔,確保填料順暢,保證樁徑滿足設(shè)計要求。

        在達(dá)到設(shè)計孔深及設(shè)計處理邊界條件后,返出泥漿過稠或存在樁孔縮頸現(xiàn)象時宜進(jìn)行清孔,一般清孔2~3遍,直至孔口返出泥漿變稀,振沖器電流基本為其空載電流值[4]。

        3.3.2 填料制樁

        采用含泥量小于5%的碎石等硬質(zhì)材料,不使用已風(fēng)化及易腐蝕、軟化的石料。填料粒徑宜為20~80mm。最大粒徑不大于100mm。填料應(yīng)采用連續(xù)級配的碎石料,小、中碎石比為 1 ∶1,在現(xiàn)場指定位置進(jìn)行拌和,經(jīng)過拌和后進(jìn)行振沖填料。

        樁體加密從樁底標(biāo)高開始,加密段長度不得超過0.50m,逐段向上進(jìn)行,中間不得漏振。依靠振沖器的水平振動力將填入孔中的石料不斷擠向側(cè)壁土層中同時使填料擠密,直到滿足設(shè)計要求。

        通過安裝在不同設(shè)備上的傳感器,實現(xiàn)對振沖施工過程中的深度、電流、電壓、填料量進(jìn)行實時監(jiān)控,并生成統(tǒng)計報表,對整個施工過程進(jìn)行動態(tài)跟蹤,科學(xué)記錄制樁過程數(shù)據(jù),對制樁過程進(jìn)行監(jiān)督,有效控制施工質(zhì)量[5]。具體施工技術(shù)參數(shù)見表2。

        表2 技 術(shù) 參 數(shù)

        3.3.3 質(zhì)量檢測

        施工質(zhì)量檢測時先進(jìn)行重型動力觸探試驗檢測樁體密實度,采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢測樁間土處理效果。檢測應(yīng)在成樁1天后進(jìn)行。對每個試驗區(qū)選取3根振沖碎石樁作為試驗樁,對其進(jìn)行重型動力觸探試驗檢測,在三根試驗樁中部位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗,觸探擊數(shù)應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求[6]。

        由于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗不適用于砂卵礫石層地基檢測,因此對樁間土處理效果采用重型動力觸探試驗進(jìn)行相關(guān)檢測[7]。

        4 檢測結(jié)果

        4.1 樁間土處理效果

        B區(qū)樁間土處理效果分析如下:

        制樁前:制樁前樁間土采用重型動力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法)對樁間土進(jìn)行檢驗,BJ-1試驗孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于16.2,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于11.5,參照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DGJ 32/J 12—2005)承載力特征值fk=500kPa。

        制樁后:制樁后樁間土采用超重型動力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法)對樁間土進(jìn)行檢驗,BJ-2試驗孔試驗平均N120擊數(shù)為大于14.4,修正后平均N120擊數(shù)為大于9.8,參照《成都地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DB 51/T 5026—2001)承載力特征值fk>700kPa。[8]

        C區(qū)樁間土處理效果分析如下:

        制樁前:制樁前樁間土采用重型動力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法)對樁間土進(jìn)行檢驗,CJ-1試驗孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于20.0,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于12.2,參照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DGJ 32/J 12—2005)承載力特征值fk=410kPa。

        制樁后:制樁后樁間土采用重型動力觸探(砂卵礫石層不適宜采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法)對樁間土進(jìn)行檢驗,CJ-2試驗孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于20.3,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于12.9,參照《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DGJ 32/J 12—2005)承載力特征值fk>470kPa。[9]

        4.2 樁體施工成果

        B試驗區(qū)共選取3根試驗樁,分別為B1、B2、B3,C試驗區(qū)共選取3根試驗樁,分別為C1、C2、C3,樁體資料、施工情況統(tǒng)計見表3、表4。

        表3 B試驗區(qū)試驗樁統(tǒng)計

        表4 C試驗區(qū)試驗樁統(tǒng)計

        4.3 樁體檢測成果

        4.3.1 B試驗區(qū)樁體檢測

        B試驗區(qū)B1樁體采用重型動力觸探進(jìn)行檢驗,全孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于27.4,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于16.9,參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實程度為很密實。

        B試驗區(qū)B2樁體采用超重型動力觸探進(jìn)行檢驗,全孔試驗平均N120擊數(shù)為大于23.4,修正后平均N120擊數(shù)為大于16.7,參照《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 340—2015)密實程度為很密實。

        B試驗區(qū)B3樁體采用超重型動力觸探進(jìn)行檢驗,全孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于24.8,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于17.5,參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實程度為很密實。

        4.3.2 C試驗區(qū)樁體檢測

        C試驗區(qū)C1樁體采用重型動力觸探進(jìn)行檢驗,全孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于28.7,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于19.1,參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實程度為很密實。

        C試驗區(qū)C2樁體采用重型動力觸探進(jìn)行檢驗,全孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于27,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于18.9,參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實程度為很密實。

        C試驗區(qū)C3樁體采用超重型動力觸探進(jìn)行檢驗,全孔試驗平均N63.5擊數(shù)為大于26.6,修正后平均N63.5擊數(shù)為大于16.9,參照《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5214—2016)密實程度為很密實。

        5 試驗結(jié)果分析與結(jié)論

        根據(jù)試驗成果樁間土承載力在振沖樁施工前后有明顯的提高。

        a.B試驗區(qū)承載力特征值從原始500kPa提升至大于700kPa,較原始地基提升約40.00%。

        b.C試驗區(qū)承載力特征值從原始410kPa提升至大于470kPa,較原始地基提升約14.63%。經(jīng)分析,其改善效果與B試驗區(qū)區(qū)別較大的主要原因是C區(qū)部位地層中含泥,而B試驗區(qū)則不含泥。

        制樁加密后的樁間土承載力能夠滿足設(shè)計要求。處理后砂礫石基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值大于550kPa;砂層透鏡體基礎(chǔ)復(fù)合地基承載力特征值大于400kPa。

        根據(jù)樁體相關(guān)檢測數(shù)據(jù),樁體密實程度均為很密實,能夠滿足樁體施工要求。

        B、C試驗區(qū)內(nèi)試驗樁施工樁徑均大于設(shè)計樁徑1.0m,并且孔深均與設(shè)計深度基本吻合,因此對上部砂卵礫石層下設(shè)護(hù)筒及該層全段引孔的施工工藝在該地層情況下是適宜的,同時在試驗施工工藝及參數(shù)下能夠滿足樁體施工相關(guān)要求[10]。

        6 結(jié) 語

        根據(jù)施工過程資料及檢測結(jié)果分析,振沖碎石樁制樁相關(guān)控制參數(shù)在本試驗區(qū)地質(zhì)條件下是適宜的;對上部砂卵礫石層全段下設(shè)護(hù)筒及在該層全段引孔的施工工藝在該地層情況下是合理的;終孔參照結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足設(shè)計相關(guān)要求,該結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是適用的;對于上部塊石及孤石進(jìn)行換填施工是合適的;對于振沖施工過程中特殊情況采取的處理措施是適宜的。

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