振冲碎石桩在湘江航电砂砾石基础中的应用

田福文

（中国水利水电第八工程局有限公司 长沙市 410007）

1 工程概述

湘江又称湘水，是长江第五大支流，也是湖南省境内最大的一条河流。湘江长沙航电枢纽工程（简称湘航）是湘江干流9级开发规划当中的最下游一个梯级，工程位于湖南省会长沙市下游，距市中心仅（20～30）km。枢纽从左至右依次为左岸改移防洪大堤、左岸副坝及三线船闸、二线船闸、一线船闸、26孔净宽22 m的低堰泄水闸、1孔净宽7 m泄洪排污闸、电站厂房、蔡家洲副坝、20孔净宽14 m的高堰泄水闸及右岸副坝。

湘航碎石桩布置在除37#～40#孔以外的闸坝基础、两岸翼墙底板基础。桩长（8～12）m或到岩石层，桩径0.5 m，总共3 000根。

坝址地层主要为第四系全新统桔子洲组（Qj）地层，覆盖层厚度为（4.0～22.2）m，局部为 35.1 m，从上向下依次为淤泥质土、粉质粘土、细砂、卵石层。

2 碎石桩的加固原理

振冲碎石桩主要是通过挤密、排水、置换三种工作机理完成对地基的加固，使软弱松散的砂砾石地基形成复合地基，提高承载力、增强稳定性、减少沉降量。

湘航工程主要通过碎石桩挤密作用完成对坝基砂砾石基础的加固。碎石桩在沉管过程中，桩管对桩间砂砾石产生较大的横向压力，同时砂砾石在水平激振力作用下产生径向位移，砂砾石颗粒重新排列趋向密实，从而提高砂砾石的密度，降低砂砾石的孔隙比。碎石桩施工过程中沉管反插也会使周围砂砾石密实度增大，达到提高地基抗剪强度和抗液化能力。

3 坝基碎石桩设计

湘航右汊闸坝基础碎石桩设计参数如下：

（1）桩间距：桩距1.80 m，行距1.80 m，按正方形布置。

（2）桩长：要求桩体穿透砂砾石层或在密实电流状况下不再下沉，平均长（8.0～12.0）m。

（3） 桩径：桩径 Φ500。

（4） 桩体材料：碎石材料采用未风化（Φ20～Φ50）cm碎石，含泥量不大于5%。

（5）平面位置允许偏差不大于5 cm，个别位置可适当调整，但不得大于30 cm。

（6）垂直允许偏差不超过碎石桩长度的1.5%。

（7）必须做试桩实验，根据试桩情况确定施工工艺参数。

（8）施工过程通过填料量、密实电流和留振时间3个参数来控制，振冲碎石桩的质量以振冲器振动时的工作电流达到规定值为控制标准。

4 振冲碎石桩施工工艺

4.1 碎石桩施工方法选择

碎石桩施工常用的方法有：振冲置换法、射水成孔法、沉管法、强夯置换法。项目部2010年1月在右侧翼墙全风化花岗岩土层区域、2010年3月在左侧蔡家洲岸坡处（左岸翼墙）砂砾石基础做了两次试桩试验，同年7月又在35#闸室（砂砾石基础）上做了生产性成桩试验，根据3次试桩成果，并结合湘江流域其它项目上碎石桩施工经验，综合考虑成本、工期和处理效果后，确定湘航工程碎石桩采用沉管法成桩。

4.2 碎石材料的选择

根据湘航工程附近石料分布和碎石需求总量情况，本工程碎石桩所需碎石采取外购方式。在设计、监理和发包人共同见证下，通过对多个石料场料源进行抗压强度、压碎值以及含泥量的试验和监测，最终选定丁字湾麻石场生产的花岗岩石料作为湘航沉管碎石，要求粒径在（20～50）mm之间，且含泥量不得大于5%。

4.3 碎石桩施工设备选择

根据坝基开挖进度，坝基碎石桩2010年7月16日才能正式开始施工，施工时段正处于主汛期。振冲碎石桩传统施工设备为履带式，该设备对施工地面要求相对较高，特别是施工区域地面在主汛期经常有积水，无论是施工还是文明生产需要，施工区域地面都需要铺筑40 cm厚的级配碎石，而湘航使用的碎石是外购。如采用履带式设备不但进度难以有保证，而且增加工程成本，因而碎石桩施工设备的选择至关重要。

根据业主对碎石桩施工进度的要求 （2010年8月25日完成45#坝段以左碎石桩），湘航碎石桩采用DZ75KSA型液压步履式振动沉管桩机。该设备设有4条液压支腿和1条行走油缸以辅助行走及回转，可自行行走及360°回转，也可整机进行转运，自动化程度高，施工效率高。

结合湘航右汊碎石桩工程量和业主要求的完工日期，湘航共投入4台DZ75KSA型振动沉管桩机。DZ75KSA型振动锤具体参数见表1。

表1 DZ75KSA型振动锤具体参数表

4.4 试桩施工

试桩主要是对振冲加固参数进行验证，以优选合适的施工参数。如制桩顺序、沉管提升速度、每次提升高度、留振时间、反插深度、填料量等。

根据本工程的地层情况，2010年1月在右侧翼墙（全风化花岗岩土层）区域、2010年3月在左侧蔡家洲岸坡处（左岸翼墙，砂砾石地层）进行振动沉管桩试验，单个试验区平整面积为15m×15m，每区布置9根。通过试桩，确定本项目碎石桩施工参数如下：

（1）碎石桩采用振动沉管法施工，按照从下游向上游逐行施打。

（2） 碎石连续级配，粒径(20～31.5)mm，灌注量按照1.25的充盈系数计算。

（3）沉管提升速度1.0 m／min，每次提升高度为1.0 m，反插深度0.5 m。

（4） 留振时间（45～50）s，留振电流（90～100）A。

（5）桩身最终骨料高出地面（0.3～0.5）m

4.5 振冲碎石桩施工

4.5.1 施工工艺流程（附图）

附图 振动沉管碎石桩工艺流程图

4.5.2 施工顺序

根据湘航右汊整体项目进度安排、闸坝坝基开挖进度和地层出露实际情况，并结合前期试桩结果，湘航右汊闸坝坝基碎石桩正式施工时，先在35#闸段进行生产性试验，进一步确定和优化施工参数。在生产性试验完成后，业主委派湖南鑫湘物探工程有限公司，按照《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》（JTJ 246-2004）要求，对 35#闸段试验区进行检测。通过检测数据分析，试验区域复合地基能满足设计要求。

根据业主对碎石桩施工进度要求，湘航碎石桩分为两个区域同时施工，其中左岸9个坝段为一个施工区域，按照35#闸坝→36#闸坝→34#闸坝→33#闸坝→32#闸坝→31#闸坝→30#闸坝→29#闸坝→28#闸坝顺序从下游向上游施工。左岸5个坝段为一个施工区域，按照43#闸坝→44#闸坝→45#闸坝→46#闸坝→47#闸坝顺序从下游向上游施工。每一施工区域采用两台DZ75KSA型振动沉管桩机进行施工。

4.5.3 施工方法

（1）清理整平施工场地，进行桩位放样。

施工场地高程：成桩场地高程平整到20.0 m高程。

轴线放样：根据控制点及设计图纸，由专业测量人员测放出中桩，并加以妥善保护。

测放桩位：定位与打桩间隔不超过24 h，施工过程中，随时复核，对因挤土作用引起的桩位偏差，及时调整。

（2）桩机就位，合拢合瓣桩尖，将管桩向下垂直，使桩尖对准桩位标记，利用锤重及沉管自重徐徐静压 (1～2)m后开动振动锤振动下沉。调整桩机塔架，使沉管与地面基本垂直，校正桩管垂直度应≤1.5%，校正桩管长度及投料口位置，使之符合设计桩长，设置二次投料口，

（3）启动振动锤，将桩管下到设计深度，每下沉0.5 m 留振30 s。

（4）稍提升桩管使桩尖打开。

（5）停止振动，立即将碎石由加料口注入桩管内，灌入量按桩身理论方案量值与充盈系数计算，充盈系数不小于1.25，碎石灌注量不小于0.245 m3/m，同时做好现场施工记录。

（6）振动提升沉管：管内灌入碎石高度大于1/3管长，开始提升沉管，派专人负责碎石灌入量，以防超灌或少灌。提升沉管前先振动1 min，再边振动边提升沉管，沉管提升速度为1 m/min(平均速度)，每提升高度1.0 m，留振时间（达到留振电流后持续时间）45～50s，留振电流对 74 kW 沉管机为（90～100）A，导管反插（0.4～0.5）m。

（7）提升沉管开启第二投料口并停止振动，进行第二次投料直至灌满。

（8）继续边拔管边振动，直至拔出地面。

（9）提升桩管高于地面，停止振动进行孔口投料（第三次投料）直至地表。

（10）启动反插，并及时进行孔口补料，直至该桩设计碎石量全部投完为止。

（11）孔口加压至前机架抬起，完成一根桩施工。（12）移动桩架至另一孔位，重复以上操作。

（13）振动沉管碎石桩处理完成后，在桩顶上铺填40 cm厚碎石垫层，采用18 t振动压路机重叠轮迹碾压4遍。

4.5.4 特殊情况处理

湘航碎石桩施工过程中，45#闸坝以右区域出现最大深度达12 m的淤泥层。原有碎石桩设计参数难以达到固结效果，为保证复合地基满足上部结构承载力要求，设计对该部位进行深挖换填和碎石桩加密加长处理，其中45#和46#闸坝按照原设计1.8 m间距施工后，再按照梅花形中间增加1根，间排距实际为90 cm×90 cm，增加桩数237根。另右岸下游翼墙主要为淤泥质地层，间排距调整为60 cm×60 cm。

4.6 质量控制

（1）严格按照试桩技术参数进行施工，操作人员应记录施工开始时间、结束时间、沉管深度、桩尖高程、提管高度、反插深度、留振时间及留振电流和投料量，同时注意各种参数的变化。

（2）碎石最大粒径、最佳级配、充盈系数均通过试验确定，确保碎石桩填冲连续和均匀密实。

（3）沉管达到设计深度后，碎石按分批加料，控制数量，“少吃多餐”原则进行灌注，且灌入量不少于设计值的95%。每段桩体要做到满足密实电流、填料量和留振时间三方面的规定。当达不到规定的密实电流时，向孔内继续加碎石并振密，直至电流值超过规定的密实电流值。

（4）振动沉管碎石桩处理完成后，在桩顶上铺填40 cm厚碎石垫层，并采用18 t振动压路机重叠轮迹碾压至少6遍，保证复合地基密实度满足设计要求。

（5）加料时应停机加料，并注意提升速度，防止因提升过高而出现断桩或缩颈现象。

（6）沉管提升和反插速度必须均匀，每次提升高度控制在1.0 m左右，反插深度控制在50 cm以内。

（7）施工过程中及时清除提升沉管带出的泥土，孔口泥土不得掉入孔中。

4.7 振冲碎石桩加固效果检验

根据规范和设计要求，在成桩1天后采用重型动力触探检测桩体密实度，成桩7天后采用标准贯入方法检测桩间土密实度，成桩7天后采用浅层平板重物载荷试验检测单桩复合地基承载力。

湘航振动碎石桩的检测，业主委托湖南鑫湘物探工程有限公司进行了检测，具体检测结果如表2。

表2 闸坝坝基碎石桩检测数据

从表2数据可以看出，闸室复合地基承载力可取值300 kPa，压缩模量Es均大于23 MPa（设计要求Es≥23 MPa），均能满足设计要求。

5 总结

（1）通过振冲碎石桩的加固作用，改善了闸坝地基的力学性能，使闸坝地基承载力、沉降量、压缩模量以及稳定性等均达到预想效果。

（2）液压步履式振动沉管桩机对施工区域地面要求低，可在砂卵石和粉质土层上作业，施工区域不需要铺筑碎石垫层。该设备机械化程度高、施工效率高、可自行行走及360°回转。

（3）碎石桩具有良好的透水性，可加速地基固结，加固后地基承载力显著提高。

（4）振冲碎石桩施工工期短、既不用水泥，又不用钢材，可节省三材、加快施工速度，节省工程投资，是一种有效、简便、经济的地基加固方法。

1 GB 50287-99.水利水电工程地质勘察规范[S].

2 JTJ 246-2004.港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程[S].

3 JG J79-2002.建筑地基处理技术规范[S].

4黄生根.地基处理与基坑支护工程[M].北京:中国地质大学出版社，2004.