振冲碎石法在局部夹粉土质砂卵石地基处理中的应用

(1.四川省紫坪铺开发有限责任公司，成都，610091；2.四川川投国际网球中心开发有限责任公司，成都，610200)

引言

随着我国水电事业的快速发展，地基对上部建筑物的重要性愈来愈得到人们的重视，地基处理恰当与否，直接关系到整个工程的安全、质量、投资和进度等各个方面。因此，地基处理的重要性已越来越多地被人们所关注和认识[1]。

我国地域辽阔，地质条件复杂多变，所遇到的工程地质问题也因此呈现出多样性、复杂性，可液化地基处理问题就是其中之一。目前，处理该类地质问题的方法主要有桩基法、深基础法、换填法及挤密法，但经过长期深入研究和工程实践[2-5]，工程技术人员对振冲碎石桩(挤密法的一种)在改良地基强度、防止砂土液化等方面形成广泛共识。振冲碎石桩通过对地基进行置换及挤密，可提高地基变形模量和承载力，改善地基不均一性，减少不均匀沉降；同时地层经过击振后，碎石桩加速了空隙水压力的消散，从而有效防止地基液化。

1 工程与地质概况

某水电站位于大渡河西源绰斯甲河右岸的一级支流上，采用低闸引水式开发，属Ⅲ等工程，主要永久性水工建筑物按3级设计，地震设防烈度Ⅶ度。电站首部枢纽主要水工建筑物有左岸挡水坝段、3孔泄洪闸、1孔冲沙闸、右岸挡水坝段、进水口及取水廊道等。闸坝坝顶高程2869.00m，坝顶全长222.5m，最大闸(坝)高20m，泄洪闸、冲沙闸均为胸墙式，孔口尺寸均为5.0m×5.0m(宽×高)。挡水坝采用混凝土重力坝，左岸挡水坝、右岸挡水坝(兼引水涵洞)长分别为73.0m、91.6m。

闸址区河谷断面呈“U”形，谷底宽120m～130m，正常蓄水位谷宽143m。两岸分布高漫滩，滩面平坦，顺河长150m～200m，横河宽40m～60m。两岸Ⅱ级阶地拔河高10m～17m，宽5m～20m，阶地后缘为坡积物，坡度28°～45°。高程2890m以上为Ⅲ级基座阶地，基岩坡度45°～65°，基座顶面高程2935m～2960m，阶面高程2990m～3050m。据钻孔揭示，河床覆盖层厚度一般24m～30m，由下至上可分为四层(见图1)，底部为①层(gl+fglQ3)冰川冰水堆积块碎(卵)砾石，该层结构不均一，结构较密实。上部为②层(alQ4)河流冲积块(漂)碎(卵)砾石夹②-1层(alQ4)粉土质砂透镜体，块(漂)碎(卵)砾石结构稍密为主，粉土质砂透镜体分布于河床中部，顺河延伸长度大于200m，横河宽一般50m～60m，横河向呈透镜体状，钻探揭露厚1.3m～4.6m，埋深7.4m～13.4m，顶面高程2839.9m～2844.4m，较纯净，结构松散。两岸残留Ⅱ级阶地为①层(gl+fglQ3)冰川冰水堆积块碎(卵)砾石，厚度一般20m～25m，结构较密实。两岸坡脚分布崩坡积物(col+dlQ4)崩坡积块碎石土，推测厚度一般10m～15m，覆盖在Ⅱ级阶地之上，结构稍密为主，局部架空。

图1 沿坝轴线工程地质剖面

2 坝基工程地质问题分析

闸址处河床覆盖层厚度较大，厚度一般为24m～30m。主要为①层块碎(卵)砾石和②层块(漂)碎(卵)砾石，粗颗粒构成骨架，结构稍密～密实。泄洪冲砂闸基础置于②层上，承载力0.35MPa～0.45MPa，变形模量为30MPa～40MPa，承载力和变形模量较高，基本满足闸基承载和变形要求。河床中部分布的②-1层粉土质砂层透镜体，结构松散，小于0.005mm的粘粒含量为13.2%，小于地震设防烈度Ⅶ度标准值16%，初判有地震液化的可能性。复判采用标贯试验判别，现场实测标贯试验锤击数N′=3.0击，工程区地震基本烈度为Ⅶ度，结合其他因素求得液化临界标贯击数Ncr=5.5击，N′

3 振冲碎石桩处理方案

3.1 振冲碎石桩消除地基液化的机理

针对坝基工程地质存在的问题，设计提出了采用振冲碎石桩处理方案。振冲碎石桩具有加固效果好、施工速度快等优点，并作为抗震防液化的有效处理方法而得到广泛应用，其主要作用机理是：

(1)通过桩的挤密和施工中的振动作用使桩周围土的密度增大，从而有效消除土的液化；

(2)碎石桩的通透性较好，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高，防止产生液化，并可加快地基的排水固结；

(3)在地震动荷载作用下，剪应力集中在桩体上，桩间土所承受的剪应力由于桩的应力集中而得到衰减，碎石桩对桩间土起到了减震作用，从而提高了地层的抗液化能力[6]。

3.2 振冲碎石桩分区布置

根据勘测成果，在左岸挡水坝段、泄洪冲沙闸闸室段基底均布，划分为2个区进行分期施工，共计521根桩，其中：Ⅰ区333根，Ⅱ区188根。梅花形布置，桩径为1m，桩间距为2m×2m，深度为10.5m～11.2m，具体见图2。

图2 振冲碎石桩分区布置

3.3 振冲碎石桩施工过程

3.3.1 施工难点

前期地勘资料表明，地基表面有5m～10m的深厚卵石层，块径较大、结构密实，相当于在粉土质砂透镜体表面有一层厚厚的护甲，振冲器如何穿透护甲对软弱夹层进行造孔、回填、振密、成桩，成为本工程施工难点。

3.3.2 试桩分析

针对工程施工难点，工程试验首先直接采用180kW振冲器试振，但现场振冲深度只有2m～4m，贯入深度有限，无法达到设计要求。后又进行了单桩开挖后振冲和大面积开挖后振冲的试桩方式，开挖深度为3m～4m，但现场实际振冲深度只有1m左右，也无法达到设计要求。如继续往下挖，开挖工程量以及安全措施费将增加，同时一期基坑面积减少，必将影响主体工程施工工期。根据前期试桩情况综合分析后，最终确定采用“冲击钻引孔后振冲”的施工方法。

3.3.3 “冲击钻引孔后振冲”施工

选用CZ-22冲击钻进行冲击引孔，孔深穿破第②层块(漂)碎(卵)砾石卵石层底部后即可停止冲击造孔(具体深度根据现场实际验收为准)，再由ZCQ180振冲器进行成桩施工。具体施工工艺流程见图3。

图3 “冲击钻引孔后振冲”施工工艺流程

4 地基振冲处理后的效果分析

一期地基处理完成后，选取11个点位进行了桩体动力触探试验，统计平均锤击数均在27.5击以上，表明振冲碎石桩桩体碎石土的密实程度为密实状态；选取6个点位进行了标准贯入试验，统计平均锤击数在13.9击以上，大于液化临界标贯击数Ncr=5.5击，表明地基液化问题已消除；选取2个点位进行了复合地基单桩静载荷试验检测，单桩承载力特征值为538.4kN，大于设计承载力特征值533.8kN。根据试验结果分析，“冲击钻引孔后振冲”的施工质量满足设计要求，坝基工程地质问题得到了有效的解决。

5 结语

砂卵石地基中的可液化问题是目前在山区河流修建水电工程过程中常见的问题之一，由于其含有大量块石，在进行地基处理时，只单独采用振冲器进行碎石桩施工，很难达到设计深度，通过该工程的施工实践，采用冲击钻等其他设备进行引孔后再振冲的方法施工，取得了较好的施工效果，可为后续类似工程提供参考和借鉴。同时，振冲碎石法在该水电站工程中取得的复合地基处理效果，再次体现了其处理地基可液化问题的可行性。