基于随钻技术的振冲碎石桩施工质量评价方法研究

庹晓军 刘强 曹瑞琅 赵宇飞 何瑞良

摘要：拉哇水电站工程坝址区存在地质条件复杂、分层多样的深厚覆盖层，需利用振冲碎石桩大面积处理后才能作为上游围堰的地基。工程中振冲碎石桩最大加固深度超过70 m，而目前规范中所推荐施工质量检测方法的适用范围为20 m以内，因此需要结合实际工程开展超深振冲碎石桩施工质量检测新方法研究。以钻孔随钻测试技术为新思路，结合拉哇水电站地基处理施工特点，形成了基于随钻技术的振冲碎石桩施工质量检测新方法，介绍了具体的检测过程、指标和评价依据及工程案例，并讨论了钻孔过程指数和动力触探平均修正锤击数的验证关系。该方法可为类似工程中的超深碎石桩施工质量控制和评价提供技术支撑。

关键词：振冲碎石桩;软弱地基;质量检测;钻孔随钻测试;重型动力触探;拉哇水电站

中图法分类号：TV553 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.010

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0059 - 06

0 引 言

在水利、工民建及公路等工程中，常用振冲法进行软弱地基加固。振冲法具有质量可靠、造价低、进度快、施工简便、节约钢材和水泥等特点[1]。该法利用振冲器在高压水流作用下，边振边冲，在地基中成孔，然后在孔内分批填入碎石等坚硬材料，填料在振冲器的水平向振动力作用下被振密，制成桩体，与桩间土构成复合地基共同承担上部荷载[2]，如图1所示。

拉哇水电站是国家“西电东送”持续基地和西南水电基地建设的重大工程，其上游围堰地基基础为典型的湖相沉积覆盖层，深达70 m。为保证围堰建设、大坝基坑开挖和大坝填筑施工安全，需通过振冲碎石桩对围堰地基进行针对性地处理，以加速深厚覆盖层的排水固结，提高其承载力，保证围堰堰体稳定[3]。但是，目前国内外的振冲碎石桩在施工设备、施工工艺及施工质量控制等均集中在50 m深度范围以内[4]。针对施工质量，在评价桩身密实性时采用重型触探及超重型触探方法，而在现行的国家及行业标准规范GB 50021-2001《岩土工程勘察规范（2009年版）》中，仅给出了20 m深度内的杆长修正系数和修正方法，杆长超过20 m的修正方法尚无统一标准。因此，亟需开展针对超深覆盖层的振冲碎石桩施工过程监控与施工质量评价方法研究，以确保拉哇水电站整个工程安全可靠地建设和运行。

本文结合拉哇水电站上游围堰深厚覆盖层的地质特性，开展了相关的超深振冲碎石桩施工质量的随钻测试。通过对振冲碎石桩桩体随钻数据的挖掘与分析，建立了新的超深振冲碎石桩施工质量评价方法，并且和常规的重型动力触探方法进行了对比，验证了所提出方法的可行性与适用性。

1 振冲碎石桩施工质量检测现状

1.1 振冲碎石桩施工质量检测方法

振冲碎石桩对地基的加固原理主要是振冲挤密和置换作用，无论是何种作用方式都要求振冲桩密实，并对桩间土形成不同程度挤密，因而施工质量检测针对的是碎石桩及桩间土。

现行规范推荐的碎石桩复合地基密实性检测方法中，对桩体采用的是重型动力触探试验，对桩间土采用的是标准贯入、静力触探和动力触探（图2）试验[5]。此外，一些学者提出了探索性方法，主要是利用碎石桩质量检测仪检测桩体[6]和用瑞利波检测桩间土[7]。然而无论是触探试验、标准贯入试验，还是瑞利波法等，均属于浅层勘探手段，检测深度有限，所以振冲碎石桩施工质量检测问题一直难以解决。

1.2 超深振冲碎石桩施工质量检测难点

对于深层覆盖层的围堰基础振冲碎石桩，不仅因桩长较深而检测困难，还面临复杂地质条件和特殊施工环境等问题，给碎石桩质量检测带来诸多难题，主要包括：

（1）围堰基礎一般位于河床上，而截流之前河床无法出露，必须在河床上填筑一定高度的施工平台方可进行振冲碎石桩施工。因此，围堰基础在施工期深埋地下，无法开展原位检测，桩径、承载力等均无法直接测得。

（2）碎石桩从施工平台顶部开始施工，常常需穿过回填平台、砂卵砾石层、粉细砂层、粉土和黏性土互层、崩坡积层等复杂地层，约束力不同造成其成桩密实度等均有一定差别，而常规动力触探属于抽检，无法给出整根碎石桩密实程度的连续分布情况。

（3）现行规范GB 50021-2001《岩土工程勘察规范（2009年版）》在对碎石土利用重型动力触探和超重型动力触探进行密实状态评价时，需进行杆长修正，而规范中给出的杆长修正范围只含20 m以内（重型为20 m、超重型为19 m），对于超深振冲碎石桩，如何客观评价其20 m以外桩身的密实性是检测的重难点。

2 基于随钻技术的超深振冲碎石桩施工质量检测新方法

2.1 钻孔随钻技术测试系统和特点

钻孔过程中钻具与振冲碎石桩体直接接触，钻具响应信息综合反映了碎石桩体的性质。因此，钻孔过程本身就是一种定量测定碎石桩质量的原位试验，是超深振冲碎石桩密实状态检测的新思路。

为了建立钻具响应参数和超深振冲碎石桩密实状态的关系，研发了地质钻机随钻监测系统（图3），并运用于钻孔原位测试过程。如图4所示，这个系统由高精度数字传感器、自动采集仪以及数据分析软件组成。

通过激光位移传感器（图4（b））监测钻进位移（S，mm），激光传感器的标靶放置在随钻杆移动的钻机磨盘上，监测精度可达0.1 mm。在钻机钻杆上设立特殊的标志点，转速传感器（图4（d））安装在距离标志点10～12 mm处，用于监测钻头转速（N，r/s），并通过非接触式空气耦合装置传输数据信号。压力传感器（图4（e））安装于钻机推进装置的输油管道，用于监测钻进压强（P，MPa）。P，N以及S会被同步实时采集，数据采样时间间隔为1 s，并传输给数据自动数据采集仪（图4（c））和数字传输模块网络云端（图4（f））。

2.2 基于随钻技术碎石桩施工质量检测原理

在均匀介质中，采用同样的钻进压力和钻头转速，其钻进速度是稳定的[8]。在碎石桩体中，稳定钻速的明显变化由碎石桩体密实度差异造成。如图5所示，在碎石桩密实度较高时，钻进速度较小;反之，碎石桩密实度较低时，钻进速度会相应较大。

考虑到钻进压力和钻进转速会对钻进速度造成影响，因此必须要对钻进速度做归一化处理，形成钻孔过程指数（Drilling Process Index，以下简称“DPI”），其计算公式为

[DPI=αVF-0.5N-0.5]         （1）

式中：α为常量，是与碎石强度有关的常数;F为钻进压力，kN;V为钻进速度，mm/s;N为旋转速度，r/min。

根据室内和现场检测结果（图5），初步建立的钻孔过程指数和振冲碎石桩密实状态关系如表1所示。

钻机压力主要取决于3部分：①钻机油压;②钻杆自重;③钻杆与孔壁摩擦。碎石桩钻进时，通常采用金属套管保护孔壁，钻杆与孔壁的摩擦可忽略。因此，钻进压力可表示为

[F=PA+mgh]              （2）

式中：[P]为随钻压强检测值，MPa;[A]为钻机油缸作用面积，cm2;[m]为单位长度的钻杆质量，mg;[g]为重力加速度，m/s2;[h]为钻杆深度，m。

3 工程案例分析

3.1 工程概况和施工方案

拉哇水电站位于金沙江水电基地川藏界河段（图6），为金沙江上游水电13级开发中第8级，水电站枢纽由挡水、泄水及引水发电建筑物组成，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高239 m。

工程区河床覆盖层中堰塞湖相沉积物厚约50 m，具有厚度大、抗剪强度指标低、渗透系数低、承载力低等特性。在此类地层上填筑围堰工程，必须进行地基加固处理。利用振动碎石桩置换黏土层以形成复合地基是一种有效措施[9]。通过碎石桩可以：①提高地层渗透系数，提高抗剪强度指标、增大变形模量;②提供排水通道，加快土体固结，使土体随着围堰填筑而实现有效应力增加和抗剪强度提高。振冲碎石桩设计方案见图7和图8。

3.2 基于随钻技术的振冲碎石桩密实状态检测结果

利用随钻技术开展了拉哇水电站超深振冲碎石桩的密实状态检测，典型的检测数据如图9所示。图9（a）时间-位移曲线、图9（c）钻进压强和图9（d）旋转速度为传感器监测值;图9（b）钻进速度是根据时间-位移曲线获得;图9（e）DPI可根据公式（1）计算得到。

根据图9的检测数据，可判断振冲碎石桩密实状态，并按照深度列入表2。在深度25.1～25.3 m处，DPI值为2～3，碎石桩判定为中密状态;25.0～25.1 m、25.3～25.6 m等处DPI值处于0～1间，碎石桩为极密状态;其它桩体深度位置则为0.2～0.3 m厚的密实状态交替出现。基于随钻测试结果，可生成检测报表，为施工质量评价提供直接支撑，且数据采集、数据处理、桩身密实状态判别、检测报告等均自动运行或生成，减少了人工工作量，也能避免人为误差。

3.3 随钻技术和动力触探方法检测结果对比分析

同时采用重型动力触探方法和随钻技术开展振冲碎石桩的密实状态检测，共计检测12根桩。重型动力触探方法以平均锤击数修正值作为桩身密度的评价指标。

在同一深度处，将钻孔过程指标和平均锤击数修正值做对比，见图10。

分析结果表明：

（1）在埋深10～20 m时，两者吻合度较好（R2=0.806），呈现出幂函数关系，且DPI超过0.5时曲线逐渐收敛，说明重型动力触探方法和随钻技术在20 m以上深度进行碎石桩密实状态评价均是可行。

（2）随着深度增加，平均锤击数修正值大幅度降低，表现为曲线整体左移，埋深10～20 m、20～30 m和30～40 m的平均锤击数分别为29.0，23.8次和18.9次。检测结论是，随深度增加， 12根桩的密实度均逐渐降低，判断结果明显不符合实际（但符合规范计算要求）。出现的原因是，目前缺乏超过20 m后杆长修正系数的直接依据，此时仍利用20 m处的杆长修正系数做线性扩展与实际不符。因此，随深度增加，钻孔过程指标和平均锤击数修正值的拟合度将逐渐降低（30～40 m时，R2=0.375），二者检测结果已经不具有互相验证的意义。

（3）钻孔过程中，考虑钻杆重力受深度的影响（见公式（2）），钻孔过程指数DPI不受深度增加的影响，检测结果更加合理。

目前，中國关于振冲碎石桩体的检测仍然以定性方法为主导，且只能取典型位置测试。如采用随钻技术，不仅可以获得典型位置桩体密实状态，还能获得连续的定量数据，用以和密实度建立量化关系。在经过大量工程应用和完善后，这种新方法将能提升振冲碎石桩密实状态的检测水平。

4 结 论

密实程度控制是振冲碎石桩施工质量的关键。利用随钻技术开展了拉哇水电站超深振冲碎石桩的密实状态检测，并与重型动力触探方法进行了对比分析，结果表明：

（1）桩体埋深20 m以内时，随钻技术的钻孔过程指数和重型动力触探平均锤击数修正值呈现良好的相关性，二者均能较好地评价桩体密实状态。

（2）桩体超过20 m时，因现有规范中动力触探杆长修正系数缺乏直接依据，其评判效果受限;而采用基于随钻技术的振冲碎石桩进行密实状态检测时可定量计算，得到的结果更加合理。

（3）基于随钻技术的振冲碎石桩检测结果能为施工质量评价提供直接支撑，且其数据采集和处理、桩身密实状态判别、检测报告等均自动运行或生成，既减轻了人工工作量，又能避免人为误差。

此外，需要指出的是，基于隨钻技术的振冲碎石桩施工质量评价是一种新方法，未来应开展更多的工程应用和研究以不断修正和完善。

参考文献：

[1] 易剑辉， 郭志辉， 余文龙. 振动沉管碎石桩在复合地基处理中的应用[J]. 工程建设与设计， 2020（10）： 27-28.

[2] 牛国生. 振冲碎石桩在水库坝基处理工程中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程）， 2016， 43（1）：75-80.

[3] 田宇. 振冲碎石桩处理在水利大坝地基施工中的应用[J]. 科技创新与应用， 2018（5）： 153-154.

[4] 胡贵良， 魏永新， 刘保柱， 等. 超深振冲碎石桩施工技术及应用[J]. 水力发电， 2020， 46（11）： 76-80.

[5] 董立龙. 振冲碎石桩施工及效果分析[J]. 科技信息，  2014（9）：187-188.

[6] 朱新波. 概述振冲碎石桩检测方法[J]. 中华民居， 2014（3）： 166.

[7] 李天祺. 碎石桩复合地基加固效果的瑞利波法评价研究[J]. 四川建筑科学研究， 2012， 38（5）： 89-92.

[8] 曹瑞琅， 王玉杰， 赵宇飞， 等. 基于钻进过程指数定量评价岩体完整性原位试验研究[J]. 岩土工程学报， 2021， 43（4）： 679-687.

[9] 蒋大煌. 水下振冲碎石桩复合地基沉降计算方法及工程案例分析[D]. 大连：大连理工大学， 2016.

（编辑：高小雲）

Study on quality evaluation method of vibro-replacement stone column based on digital drilling technology

TUO Xiaojun 1，LIU Qiang 1，CAO Ruilang 2，ZHAO Yufei 2，HE Ruiliang 1

（1. Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.，Ltd， Chengdu 610041， China;   2. China State key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100048， China）

Abstract： In Lawa Hydropower Station project， there are complex geological conditions and thick overburden with diverse layers in the dam site area. The ground is necessary to be treated by vibro-replacement stone column before being the foundation of the upstream cofferdam. The maximum reinforcement depth of vibro-replacement stone column exceeds 70 m. However， the scope of recommended quality detection method is within 20 m in current standards. Therefore， it is urgent to study the new quality detection method of ultra-deep vibro-replacement stone column through combining with practical projects. Digital drilling test technology is regarded as a new idea. Combined with the characteristics of ground treatment in Lawa hydropower station project， a new method for quality detection of vibro-replacement stone column based on digital drilling technology is formed. The detection process， indexes， evaluation methods and the project example are introduced. The verification relationship between the drilling process index and the average corrected blow count of heavy dynamic penetration test is discussed. This method could be an effective technical support for controlling and evaluating the quality of ultra-deep stone columns in similar projects.

Key words： vibro-replacement stone column;soft ground;quality detection;digital drilling technology;heavy dynamic penetration test; Lawa Hydropower Station