深厚砂层地基振冲灌浆加固处理技术研究

刘海军

(吉林省现代城建轨道交通勘察设计院有限公司，长春 130031)

0 引言

对于在砂土特别是厚层砂土地基中修建结构物，大都困难重重，经常会导致基坑不能成形或即使成形也不稳定，容易出现垮塌事故［1-2］。福堂水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内的长江一级支流岷江中上游，设计装机容量360 MW。闸址距汶川县城15 km，最大闸高31 m，闸长187 m。闸基防渗采用混凝土防渗墙，墙轴线长195.81 m，墙深18～45 m，直线工期120 d。依据坝址地质条件和坝体形状与尺寸、坝体土体自重及其承受的附加应力，综合正常设计及施工技术，在浇筑防渗墙时必须采取开挖置换的方法进行地基处理。但是，如果在揭露出深厚砂层过程中，开挖至厚砂层地下水位以下时，再采取置换处理已不现实:一是不能确保工期，二是成本太高，三是坝体安全与稳定得不到保证。

福堂水电站闸基防渗墙轴线0+090～0+110.0段出现面积为500 m2，厚3～15 m、宽约20 m的深厚砂层，且大部分砂层处于地下水位以下。河床地层结构有3层，具体如下:①填土层:灰色、褐色，松散至稍密，主要由山坡土组成，含有碎石和大量黏土，层厚1～3 m。②粉质黏土层:黄褐色，砂及粉质土层，系堰塞湖相沉积物，一般厚3～15 m，透水性微弱。③松散砂卵石层:卵石含量约占5% ～8%，其余大部分为灰褐色的砂粒，砂粒径为0.2～3.0 mm，承载力较低，遇水易液化，厚度为10～20 m。

从施工实践看，在上述厚砂层特别是在地下水位以下开挖并浇筑防渗墙时，砂层都会出现流态并且基坑垮塌严重，基坑成形困难，严重影响大坝的稳定和工程建设的安全、质量与工期。因此，必须研究出更为合理及可行的闸基防渗处理方法和技术，才能确保混凝土防渗墙成槽施工顺利、安全，并完全达到闸基承载力要求。

1 加固处理方案分析

1.1 处理后坝体强度要求分析

因砂土的粘聚力基本为零，其内摩擦角等力学参数和强度指标均较差，必须增大砂土地基的强度并适当降低其可压缩性。依据地基处理理论要求［3-4］，结合厚层砂开挖难以成形的实际情况，选择振冲碎石桩作为散体材料桩。利用碎石置换砂土以及通过挤密土体而形成较高强度的桩柱体，来提高承载力并减小沉降，从而加固砂土，使得基坑能够成形且稳定。由电站大坝设计规模及成坝后的蓄水高度分析，结合河床基础承载要求与沉降允许范围，经振冲加密处理后的复合地基压缩模量和抗剪强度等指标应比原土层有较大提高。在振冲后，内摩擦角提高到23°以上，压缩模量应大于23 MPa，复合地基承载力须大于200 kPa，并具有抗液化能力，才能满足坝体承载力要求。

1.2 处理方案分析

振冲设备选择适合深层砂粒地层振冲处理的100 kW振冲器。振冲器具有穿透力强、造孔速度快、“抱孔”现象少且成桩深度大等优势。按地基加固技术［5］，得出具体设计方案及其参数如下:

1)振冲碎石桩的间排距为1.5～2.0 m，平均间排距1.7 m，按梅花形布置;

2)振冲深度以穿过深厚的砂层为原则(3～15 m)，个别孔深达20.0 m;

3)孔位误差不大于10 cm，密实电流为80～130 A，留振时间为10～15 s，加密段长0.5 m，填料粒径为20～40 mm。

4)振冲加固后地表1m左右范围内由于上部压力小，密实度不易保证，作挖除处理。

2 加固处理施工及其效果分析

施工过程中，振冲加固地层的顺序视土质和现场条件而定，一般可由里向外施工或由一边向另一边顺次进行施工。由于福堂水电站地层条件较差，并且在振冲加固范围附近有易受振冲影响的坡体，因而采用邻近坡体的一边开始施工，逐步向远坡体方向推移。福堂电站砂层处理施工中，制作碎石桩441根，平均桩长13.5 m，总进尺5 953.5 m，每 m2平均填料0.9 m3，共回填碎石5 400 m3，获得了较好的效果。

2.1 施工工艺及流程

施工工艺及流程为:确定孔位→吊车和振冲器就位→启动振冲器→振冲器冲贯入地层直达设计深度→下入填充料(二级配碎石)并自下而上分段振冲密实→全孔加固结束形成桩后→固结灌浆→孔位转移，具体见图1。

图1 施工工艺流程

2.2 振冲施工

1)造孔:振冲器贯入地层造孔时，振冲时的水压大小主要取决于地层情况，一般保持0.03～0.08 MPa，贯入速度一般在1～2 m/min内，振冲造孔施工见图2。

图2 振冲造孔施工

2)填料:采用自下而上边振动边填料的方法，从孔口四周均匀下料，填料时保持小水量供给，使填料处于饱和状态。当填料粒径较大时，将振冲器提出孔口再加填料，每次加料数量不超过成桩面0.5 m，填料后保证振冲器能贯入到原提起前深度，防止发生漏振。

3)振密:振冲桩的密实程度以振冲器电机工作时显示的电流为控制标准，福堂水电站砂层中使用100 kW振冲器施工，当电流值达到80～130 A时为振冲密实。

4)灌浆:振冲完毕后，采用0.5∶1.0的纯水泥浆进行充填式灌浆处理。因振冲时填入了级配料，在灌浆时能顺利灌入水泥浆液，整个砂及级配料形成一个二级配混凝土实体，能达到混凝土防渗墙成槽及坝基承载力要求。

5)施工质量控制:影响振冲施工质量的主要因素包括制桩电流、加密段长度、留振时间、填料量等。由于工程设计要求比较高，施工难度大，故针对在该地层中的粉土桩体不易密实的问题，采取了适当提高制桩电流、延长留振时间、减小加密段长度、孔位的偏差控制等相应措施，以保证该土层部位桩体的密实度，从而确保振冲施工质量。

2.3 加固效果检测与分析

砂土处理后，测得相对密度由53%提高到80%以上，为原始密度的 150.9%。另外依据检测技术［6-7］，采用标准贯入试验、静力承载力试验以及局部开挖检查等方法，在施工7 d后对福堂电站砂层处理效果进行了检测。

1)标准贯入检验:振冲施工完毕后，对部分振冲桩进行了标准贯入检验。在此仅列出5-4#孔标准贯入检验结果，见表1。由表1可知，经振冲后，坝基砂层平均标贯数由12.5击提高到37.8击，为原来击数的302.4%，大大增强了地基承载力。

表1 5-4#检查孔标准贯入检验成果统计

2)复合地基承载力试验:振冲施工完毕后，对3根桩进行了单桩复合地基承载力试验，试验结果见表2。由表 2可知，加固处理后，地基承载力平均达231.5 kPa，最大沉降为52.13 mm，达到设计要求。

表2 加固后地基承载力试验结果

3)复合地基变形模量及文克尔系数(即基床系数)分析:依据文献［8］，对加固后地基变形模量进行分析，结果见表3。由表3可知，在相同参数条件下，因散粒体构成碎石桩使其密实度受到较大影响，试验得出的变形模量差异较大，符合实际情况。

表3 计算分析结果

4)复合地基承载力分析结果见图3。从图3可知，11-5#桩的复合地基载荷试验P-S曲线没有明显拐点，与复合地基的工程特性相符合。

依据载荷试验结果，综合其他检测方法得出的试验数据，分析出复合地基承载力特征值为230 kPa，复合地基变形模量为 25 MPa，文克尔系数为 0.019 N/mm3。说明采用振冲灌浆加固后，砂土的各力学指标得到较好的改善，桩体密实度良好，地基承载力得到了较大的提高，完全可以满足工程实际需要。

图3 11-5#桩的复合地基荷载试验P-S曲线

3 结论

1)福堂水电站闸基砂层抗震加固工程表明，对砂土特别是厚砂层采用振冲灌浆加固处理方案是切实可行的。施工中采用的碎石桩及其布置参数，以及每m2用碎石填料0.5 m3，可使砂土的各项力学指标得到较好的改善且桩体密实度良好。地基承载力得到了显著提高，可确保电站闸基混凝土防渗墙成槽施工，完全能够满足工程实际需要。

2)应用100 kW振冲器在振冲施工中具有较大的优越性，施工效率大幅提高，对碎石桩及桩间土加密效果显著增强，并能解决部分土层中因含大块石而无法成孔问题。

3)因砂土地基本身及施工条件的复杂性，采用振冲灌浆方法对其加固处理，还须对碎石桩规格、桩位参数、填料量及其对砂土地基强度的影响进行进一步研究。

［1］王峰.振冲法加固软土地基的设计、施工及其发展［J］.江苏建筑，2009(4):70-73.

［2］李增华.振冲碎石桩加固铁路路基的设计与应用［J］.铁道建筑，2009(12):89-91.

［3］鲍德松，于洪刚，张全勇.振冲碎石桩技术在地基处理中的应用［J］.岩土工程界，2009，12(11):31-33.

［4］杨玉春，郜玉虎，孙艳春.振冲法加固地基设计［J］.黑龙江水利科技，1998(14):61-63.

［5］龚晓南.地基处理新技术［M］.西安:陕西科学技术出版社，1997.

［6］唐贤强.地基工程原位测试技术［M］.北京:中国铁道出版社，1993.

［7］冯伟，王俊杰，杨伟.哈达山工程土坝砂土振冲加密试验检测分析［J］.资源环境与工程，2009，23(5):663-666.

［8］中华人民共和国建设部.GB50021—94 岩土工程勘察规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，1995.