振冲砂石桩在罗家堡水库大坝基础处理中的应用

潘 红 岭

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

振冲法对于处理软弱地基，特别是加固覆盖层较深的软弱地基发挥了其施工设备简单、操作简便、施工速度快、安全可靠、经济合理的特点。笔者根据罗家堡水库工程振冲砂石桩的施工情况，详细介绍了振冲砂石桩在坝基处理中的应用。

振冲砂石桩施工采用振冲器冲孔并将填入的砂石料振动密实。振冲器起振后，有很大的水平向振动力及端部射水的冲击力，利用高压水以2 m/min的速度将振冲器挤入地基中并下沉到加固设计标高处，在软弱土层中形成孔眼，然后清孔，逐步将孔眼内的稠泥浆用高压水清洗并排出孔外，冲孔形成后向孔内添加粗砂、砾石、碎石、卵石等填料，其粒径为5～200 mm。振冲器振动砂石料由下至上逐段进行，当每段填料在振冲器的强大推力下达到设计要求的密实度后，振冲器即可向上提升，进行上一段填料的振动，振动密实直至设计顶高程，进而形成一根具有一定直径和一定密实度的振冲桩体，与此同时，周围土体也在一定范围内被挤密实[1，2]。

对于黏性土地基，因为饱和软黏土的透水性较差，振动力不能使土体中的孔隙水迅速排除而减少孔隙比，此时，振动力主要是将添加的填料挤密并将其挤密到周围黏土中形成粗大密实的桩柱，使桩柱与软性黏土一起构成复合地基。复合地基承受荷载后，由于原地基和桩柱的材料变形模量不同而使土中的应力重新分布，应力会相对集中到桩柱上去，因此，在没有提高软黏土承载能力的情况下，整个地基承载力得到了提高[3]。

罗家堡水库坝址位于重庆市黔江区马喇镇肖家河河床上，是一座具有农业灌溉和供水等综合效益的中型水利工程。挡水建筑物为沥青混凝土心墙石渣坝，坝顶宽7 m，坝底宽度为125.5 m，最大坝高30.7 m，坝顶轴线长203.4 m。

该工程河床部位覆盖层厚达35.1 m，待清除表面的腐植土和淤泥质粉质黏土后，主要由粉质黏土和碎石土组成。土层含水率为33%～41%，饱和度为100%，压缩系数为0.51～6.2 MPa-1，具有高压缩性、低强度、低承载力的特点。需对大坝软弱地基进行处理。待清除覆盖层表面的腐植土和淤泥质粉质黏土后，大坝基础置于经振冲砂石桩处理后的基础上。Φ1 m振冲砂石桩共计打入119 203 m。

2 坝基处理方案

为保证坝坡稳定和减少坝体沉降，同时加快施工期土层固结速度，提高复合地基承载力，确保大坝基础加固达到设计和有关规范要求，坝基采用Φ1 m的振冲砂石桩进行处理，振冲砂石桩桩底至岩层顶面。振冲砂石桩的间距布置分两种情况，在坝体主要受力区桩体间距为1.5 m×1.5 m，其余区域为1.8 m×1.8 m。

该工程坝基振冲桩工程施工分为A、B、C、D、E、F、G、H共8个施工区，振冲桩各区覆盖层厚度均不相同。A、B、C、D区位于大坝中心位置，覆盖层深度约为20～35 m，振冲桩工程量约为86 000 m，其中A、B施工区桩体间距为1.5 m×1.5 m，C、D施工区桩体间距为1.8 m×1.8 m，桩体采用等边三角形布置；E、F区位于大坝左岸且靠近左岸岸坡，覆盖层深度约为10～20 m，振冲桩工程量约20 000 m，桩体间距为1.8 m×1.8 m，桩体采用等边三角形布置；G、H区位于大坝右岸且靠近右岸岸坡，部分振冲桩在肖家沟河沟内，覆盖层深度约为6～10 m，振冲桩工程量约为14 000 m，桩体间距为1.8 m×1.8 m，桩体采用等边三角形布置。振冲砂石桩布置情况见图1。

图1 振冲砂石桩平面布置图

根据设计文件要求，在主体工程桩施工前需进行振冲砂石桩施工试验，以确定可以指导主体工程桩施工的各项施工参数。

3 生产性工艺试验

3.1 试验区设置

该工程试桩共布置了4个试验区，试验区共设置50根振冲砂石桩，桩体采用等边三角形布置，每个试验区振冲砂石桩深度不同且桩体间距不同，具体情况见表1。

①试验1区，位于坝体上游、覆盖层10～20 m区域，桩间排距为1.8 m，试桩数量为7根。

②试验2区，位于坝体下游、覆盖层20～35 m区域，位于河床中间位置，桩间排距为1.8 m，试桩数量为7根。

表1 试验区振冲砂石桩布置情况表

③试验3区，位于坝体下游、覆盖层20～35 m区域，位于河床中间位置，桩间排距为1.5 m，试桩数量为29根。 1.5 m×1.5 m的振冲砂石桩位于大坝基础主要受力区，需增加试桩数量。

④试验4区，位于坝体下游左岸侧、覆盖层4～10 m区域，桩间排距为1.8 m，试桩数量为7根。

3.2 试桩机械的配置

振冲砂石桩的施工机械主要为振冲器及吊装设备。由于不同功率的振冲器贯入深度不同，且大坝基础中存在粗大木材、施工过程中容易发生抱卡导杆的情况而影响施工功效及质量，试桩施工时采用了不同的设备型号及配套设备。振冲器选用150 kW、130 kW振冲器，起吊设备采用汽车吊及履带吊。试桩区的机械配置情况见表2，不同型号振冲器的主要规格和技术参数见表3。

3.3 施工参数的选取

根据不同试桩设备且依据工程设计要求及试验结果确定的试桩参数见表4。

表2 振冲砂石桩各试桩区设备配置表

表3 振冲器主要规格和技术参数表

表4 振冲桩拟定施工参数表

4 振冲砂石桩的施工方法

4.1 施工工艺

拟定施工设备及施工参数后，进行试桩施工并检测其施工质量是否满足设计要求。在满足设计要求的情况下，利用确定的施工参数进行工程桩施工。

4.2 施工准备

振冲桩施工前，先进行三通一平，施工定位测量放线、定轴线，用木桩将轴线定位在不易被破坏的基坑侧面，将轴线用全站仪引入基坑内并用竹签标示桩位，以免漏孔、漏振，搭建好临时操控平台，设置排水沟、集水坑及沉淀池等。

4.3 定位与造孔

振冲器起吊设备(汽车吊或履带吊)就位后应平整稳固，确保在施工中不发生倾斜、位移，然后起吊振冲器对准桩位，开启供水泵。待振冲器下端射水口出水的水压(0.3～0.8 MPa)、水量达到工艺要求时，启动振冲器，拉紧防扭绳索，待振冲器内的偏心块达到额定转速时，下放振冲器使其贯入地基中进行造孔。造孔过程中，振冲器应始终保持悬垂状态以保证垂直成孔，造孔过程中，记录造孔时的水压、电流值、造孔速度及返水情况。根据施工参数，该工程造孔水压采用0.3～0.8 MPa；振冲器贯入速率不超过2 m/min；振冲器下沉过程中的电流值不超过电机的额定值，造孔过程中将随时清理孔口泥渣，振冲器每贯入土中1～2 m孔段记录一次造孔电流、水压和时间，直至贯入到施工图规定的完孔深度。当造孔完毕，将振冲器上下反复提拔2～3次，以保证造孔的孔径。振冲砂石桩定位及造孔情况见图2。

图2 振冲砂石桩的定位造孔

4.4 填料与制桩

成孔后即可进行填料及制桩工序。制桩时将水压控制在0.1～0.5 MPa。填料方式主要有连续填料、间断填料、强迫填料三种方法。连续填料法优先于后两种方法，尤其适合深度较大的振冲砂石桩。孔壁较稳定且孔深小于6 m的振冲砂石桩适用于间断填料法。强迫填料适用于大功率振冲器。该工程大坝基槽软弱，振冲器提出孔口后孔壁容易塌落，加入回填料时，容易导致桩体沉降。

振冲砂石桩桩体回填料采用粗砂+碎石，最大粒径为20 cm，禁止采用单级配石料，砂石料应采用砂石、卵石、角砾、粗(中)砂等性能稳定的硬质材料，含泥量不大于5%。回填料由装载机连续加料，加料不能过猛[4]。

桩体质量采用加密电流、留振时间、加密段长度作为控制标准。加密自孔底开始，逐段向上。振冲器每次上提50～60 cm，逐段做好振密搭接，以防漏振。加密时按试验确定的加密电流135 A(180 A)控制，每段留振时间为10～13 s(15～18 s)。制桩振密加固至孔口设计标高时，先停止振冲器运转，再停止供水泵。振冲桩填料、制桩情况见图3。

图3 振冲砂石桩填料与振密

4.5 振冲质量控制

振冲砂石桩质量控制的关键主要是加密电流的大小、留振时间的设定及留振长度的控制。

加密电流控制系统与振冲器配套的自动控制系统为振冲器的一整套设备，因此，控制系统的设置是施工的关键，亦将减少人为操作引起的质量问题。

留振时间是根据施工参数进行人工控制，留振时间要控制在10～12 s。留振长度根据振冲器导杆上焊刻的标尺进行控制，须将其控制在0.5～0.6 m。制桩完成后，保证桩体平均桩径不小于设计桩径1 m。

5 施工质量的检测、检验方法

振冲砂石桩施工结束后，待复合地基应力释放后方能进行质量检测，黏土地基间隔时间为3～4周，粉土地基为2～3周。

振冲桩施工质量的检验主要采用复合地基承载力试验。复合地基承载力试验采用静载试验，承载力试验所用的承压板为正方形。承压板的中心应与桩的中心保持一致[5]。该工程试验桩经检测得知：复合地基承载力达到220 kPa，桩体干密度及密实度均满足设计要求，所选用的参数合理，满足施工需要。

6 结 语

振冲法加固地基应用广泛，对处理堆石坝基础具有以下优点：

(1)施工机具简单、施工工艺容易操作，施工速度快，质量容易控制，地基加固效果好。

(2)与传统开挖换填工艺相比，避免了出现深基坑、大开挖等施工情况，降低了安全风险，节约了投资。