深厚覆盖层振冲碎石桩贯入速度减慢原因及施工工艺

杨 培 忠

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 611731)

1 概 述

工程首部枢纽由挡泄水建筑物和右岸取水建筑物组成。挡水建筑物沿坝轴线呈一直线布置，坝轴线总长269.19 m。从左至右布置有：左岸混凝土心墙土石坝、5孔泄洪闸、1孔冲沙闸、储门槽坝段、右岸混凝土心墙土石坝。右岸心墙土石坝的上游侧布置右岸取水建筑物。各水工建筑物基础均为深厚堰塞湖相堆积层，为软基，基础承载力低，设计布置有深约10～25 m不等的振冲碎石桩(桩径0.8～1 m，间排距1.8 m×1.8 m～2.5 m×2.5 m，梅花形布置)共计2 413孔对地基进行处理加固。振冲碎石桩开始施工时遇到贯入速度减慢(几小时～1天),贯入困难，功效低问题，怀凝下伏有“砂砾石层”或“孤块石层”等硬层，如果不进行施工工艺改进，将大大影响工程进度。

2 振冲碎石桩施工情况

前期地勘资料[1]显示，河床闸基段覆盖层主要为第四系全新统堰塞湖相堆积层，少量冲积层和崩坡积层，总厚度70～103.3 m，具多层结构。河床及漫滩表层为2.7～9.6 m厚的冲积堆积Q42al-②漂(卵)砾石夹砂，其下部为堰塞相堆积的Q4ys-②砂壤土、Q4ys-③壤土层，其中砂壤土层结构松散，零星含朽木块、木屑，随机分布，高程不统一，一般长约3～4 cm，粗约2～5 cm，偶夹2～3 cm卵石。壤土层土质较纯，可塑状，脱水干裂，遇水崩解，手拍有水泄现象，钻探中常缩径。根据《振冲碎石桩施工技术要求》[2]，闸室基础共布置371孔振冲碎石桩，桩径0.8 m，孔深20 m，间排距2 m×2 m，梅花形布置，要求深入壤土层2 090高程。为达到要求，现场施工设计振冲深度为24 m。

最初近50孔振冲碎石桩开始生产性试验时采用的是传统施工工艺，即直接振冲造孔、清孔、加料振密，采用的振冲器功率为125 kW。桩体材料采用砂卵石料，控制粒径2～15 cm。施工基本程序为：造孔→清孔→填料→加密。

试验于2010年11月9日开工。据施工资料反映，2010年11月9日～11月30日期间施工的振冲碎石桩造孔深度一般17～18 m，最深20～23.5 m，振冲深度一般6～7 m，最小1～1.2 m。填料振冲时，振冲器一般在18～19 m贯入速度较慢(几小时～1天)，功效低，怀凝下伏有“砂砾石层”或“孤块石层”等硬层。

2010年11月30日～12月20日期间施工的振冲碎石桩造孔深度一般10～12 m，振冲深度一般12～14 m。填料振冲时，振冲器一般在18 m前贯入速度较慢(几小时)，功效低，怀凝下伏有“砂砾石层”或“孤块石层”等硬层。

2010年12月20日～12月31日期间施工的振冲碎石桩尝试不造孔，直接振冲。填料振冲时，振冲器一般在14.5～16 m处贯入速度较慢(0.5～1 h)，功效低，怀凝下伏有“砂砾石层”或“孤块石层”等硬层。

值得注意的是，振冲施工时，为防止下部软土层沉陷，平整场地未挖除地表砂砾石层。

3 取样试验及原位测试

为解决上述问题，我院进行了专题勘察[3]，对涉及基础处理的Q42al-②漂(卵)砾石夹砂进行了N120超重型动力触探原位测试，对Q4ys-②砂壤土层、Q4ys-③壤土层进行了N63.5标准贯入和室内物理力学试验。各土层N120超重型动力触探试验指标统计见表1，N63.5标准贯入试验指标统计见表2。

观察组患者不良反应发生率为16.25%，对照组患者不良反应发生率为12.86%，两组相比，差异无统计学意义，见表4。

从原位测试和室内物理力学试验分析，枢纽区Q42al-②漂(卵)砾石夹砂动力触探锤击数N120=0.9～6击/10 cm，局部N120=6.5～15.1击/10 cm，大多为松散～稍密层，局部属中密～密实层。

表1 N120超重型动力触探试验指标统计表

表2 N63.5标准贯入试验指标统计表

Q4ys-②砂壤土层>0.075 mm颗粒含量为51.6%，0.075～0.005 mm含量为39.5%，<0.005 mm含量为8.9%，属重砂壤土；天然干密度为1.65 g/cm3，天然含水量为24.5%，孔隙比为0.66，液性指数为0.70，压缩系数为0.104 MPa-1，属中等压缩性，结构松散。其中轻壤土夹层属透镜体，液性指数为0.26，可塑状。标准贯入锤击数N63.5=3～13击/30 cm，平均8.1击/30 cm，变形模量E0=13.3 MPa，承载力低。

Q4ys-③壤土层>0.075 mm颗粒含量为1.0%，0.075～0.005 mm含量为82.5%，<0.005 mm含量为16.5%，大多为重或中粉质壤土；天然干密度为1.36 g/cm3，天然含水量为40.3 %，孔隙比为2.01，液性指数为0.79，压缩系数为0.336 MPa-1，属中等压缩性，呈可塑状。其中轻粉质壤土夹层属透镜体，液性指数为0.86，软塑状。

4 专题勘察与前期勘察对比

专题勘察与前期勘察查明，首部枢纽河床闸基段覆盖层均由第四系全新统冲积堆积层、堰塞湖相堆积层和崩坡积堆积层组成，总厚度70～103.3 m，具多层结构。中上部结构层次明显，变化不大，均为Q42al-①地表砂壤土层、Q42al-②漂(卵)砾石夹砂、Q4ys-②砂壤土层、Q4ys-③壤土层及Q4col+dl孤块碎石土层等。专题勘察与前期勘察河床中上部各土层土性特征列于表3。

从表3可以看出，专题勘察与前期勘察河床中上部各土层从埋深、分布高程、厚度及土性特征等方面综合对比，河床覆盖层结构层次明显，尤其是上部漂(卵)砾石夹砂与砂壤土层分界线清楚，各层分布高程、厚度接近，土性特征一致。专题勘察河床左岸堰塞堆积层下未见崩坡积层分布，右岸揭示崩坡积层埋深10 m以下，与前期勘察一致。因此，专题勘察与前期勘察河床中上部覆盖层除施工区域改造外，基本无多大变化。

表3 专题勘察与前期勘察河床中上部各土层土性特征对比表

5 振冲碎石桩贯入速度减慢原因分析

根据当时近50根桩的施工情况和前后期地质资料分析，振冲碎石桩在振冲成桩的过程中贯入速度减慢，遇到困难与怀凝下伏有“砂砾石层”或“孤块石层”等硬层没有关系。其主要原因为：

(1)与Q4ys-③层壤土层(埋深15.1～42.5 m)缩孔有密切关系，如振冲时返出的泥浆较稠，孔中有狭窄或缩孔段未及时进行清孔、扩孔，不利填料沉落；

(2)平整场地未挖除地表2.7～9.6 m厚的砂卵石层，冲击造孔未进行护壁，且1 m口径的套

管仅下到1 m左右的深度，未将上部砂卵石层隔离，致使冲击造孔及填料振冲时上部均有部分漂石(>20 cm)塌孔随冲击钻或振冲器带入到壤土层缩孔段受阻；

(3)与造孔深度有关系，造孔深度越深，漂石带入软土层越多，反之造孔深度越浅，漂卵石带入软土层较少；

(4)与振冲设备功率有关系，最先采用的振冲器功率仅125 kW，偏小。

6 施工工艺建议

(1)建议采用CZ系列型钢丝绳冲击钻机先引孔，后振冲[4]，引孔深度根据现场地质条件而定；

(2)采用大功率的振冲设备[2]，如150 kW或180 kW振冲器施工；

(3)建议施工振冲碎石桩前挖除较厚的砂卵石层，保留1～1.5 m厚的砂卵石作为施工平台，冲击造孔采用水泥或泥浆对砂卵石层进行护壁，防止造孔或振冲成桩时将上部漂石带入壤土层缩孔段；

(4)如振冲时返出的泥浆较稠，遇到壤土层缩孔段应进行清孔、扩孔。清孔可将振冲器提出孔口或在需要扩孔段上下提拉振冲器，使孔口返出泥浆变稀，振冲孔顺直通畅以利填料沉落；

(5)由于下部砂壤土、壤土层易被压力水冲刷，上部漂石易被带入软土层，建议引孔深度宜浅。

该工程闸坝地基振冲碎石桩处理于2010年11月开始，遇到上述问题后于2011年1月采用了勘测单位的详细专题勘探资料及对施工工艺的建议，改进了施工工艺，施工顺利，于2012年12月完成了全部振冲碎石桩地基处理，缩短了工期，取得了显著的成效。

7 结 语

丹巴关州水电站坝基覆盖层深厚，为软基，下部壤土层具有缩孔特性，振冲碎石桩开始施工时直接振冲且未对上部砂卵石层进行挖除或护壁，致使上部部分漂石塌孔带入下部壤土层缩孔段受阻，不利填料沉落，是振冲成桩的过程中贯入速度减慢、贯入困难、功效低的主要原因。2014年12月电站大坝开始下闸蓄水，正式发电。据近一年的变形观测资料，闸坝沉降变形量在2～3 cm内，坝基处于稳定状态，表明地质提出的施工建议是可行的。从该工程出发，笔者认为，深厚覆盖层振冲碎石桩只要采用正确、合理的施工工艺同样可以达到事半功倍的效果。