厚砂基礎(chǔ)振沖技術(shù)施工與應(yīng)用

PAGEPAGE14xxx主壩砂基礎(chǔ)振沖技術(shù)施工與應(yīng)用摘要：通過現(xiàn)場測試試驗，建立了適應(yīng)于xxx水利樞紐工程的重Ⅱ型原位動力觸探進(jìn)行砂基相對密度檢測的技術(shù)，并輔以剪切波測試進(jìn)行了驗證制定了檢測標(biāo)準(zhǔn)，從而探索出了大范圍振沖施工后的砂基相對密度的檢測手段和驗收標(biāo)準(zhǔn)。xxx水利樞紐工程采用重Ⅱ型原位動力觸探進(jìn)行砂基相對密度判斷。實踐證明，具有較強的可操作性，且行之有效。通過運用該筑壩技術(shù)，成功地解決了河床段土壩內(nèi)吹填砂及其下深覆蓋層砂基可能發(fā)生液化的問題，使其液化安全度明顯提高且超過2.0，同時使壩體動力穩(wěn)定性安全系數(shù)亦提高至1.83，從而保證了土壩壩坡有足夠的穩(wěn)定安全度。此外，自然電場法測試結(jié)果亦表明：混凝土防滲板墻的配合運用，有力地解決了河床段土壩強透水砂基及土壩回填粘土與砂接觸面的防滲問題。關(guān)鍵詞：主土壩；砂基礎(chǔ)振沖；液化；動力觸探；相對密度1前言xxx水利樞紐工程右岸主土壩包括河床段擋水壩和灘地段土壩兩部分，全長1777.8m，所跨越的地質(zhì)條件復(fù)雜，部分壩段基礎(chǔ)為軟粘土和砂基，其中河床段擋水壩壩基以含中粗砂為主，局部含分細(xì)砂，下部含泥砂卵礫石和花崗巖全風(fēng)化帶。受一期導(dǎo)流期間汛期沖刷影響，靠近左岸縱向圍堰處的河床沖刷深槽最深已沖刷至高程－4.6m，河床右岸以高程11m與右岸護(hù)坡塊石相聯(lián)，整個河床形成了左低右高的地形，但河床段土壩透水地基仍厚達(dá)13～22m。為簡化施工程序，加快施工進(jìn)度，河床段擋水壩段設(shè)計采用施工拋石戧堤與土壩相結(jié)合方案，即利用二期截流下游戧堤及上游石碴堤分別作為土壩的下游排水棱體和上游壓坡石堤，兩堤間吹砂回填出水面至高程14m，然后再在其上填筑土壩壩體。上游石碴堤與下游截流戧堤及兩堤之間回填的河砂及其上土壩壩體共同構(gòu)成河床段擋水壩段。xxx水利樞紐工程二期截流于1998年8月進(jìn)行，為確保防洪度汛和大壩安全，就要求河床段主土壩必須于1999年3月底前填至26.8m高程。為滿足這一工期要求，經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，確定采用大功率振沖器加密處理。2振沖筑壩技術(shù)的現(xiàn)場試驗樞紐工程二期截流后，截流戧堤與上游石碴堤之間高程14m以下吹填的中粗砂約36萬m3。結(jié)合河床段土壩工程地形地質(zhì)條件，設(shè)計要求振沖加固深度絕大部分應(yīng)達(dá)到15m以上，因此該范圍內(nèi)振沖加固處理工程量較大。合理選擇振沖施工技術(shù)參數(shù)，對縮短工程工期意義十分巨大；另一方面，利用大功率振沖器振沖加固砂基在xxx水利樞紐工程中還是第一次，各種型號振沖器工作性能是否滿足設(shè)計要求，振沖加固效果如何等均需通過試驗論證；其次是評價振沖加固效果，設(shè)計采用重II型動力觸探的辦法檢測振沖加固后砂基的相對密度，但目前由于直接由重II型動力觸探評價砂土的相對密度方面尚無明確的規(guī)程規(guī)范，因此，確定適合于該工程地質(zhì)條件的重II型動力觸探檢測標(biāo)準(zhǔn)，用以評價二期截流后右岸河床段吹填砂壩體及砂基振沖加固效果意義重大。因此設(shè)計與施工等單位選擇了典型地區(qū)進(jìn)行了振沖加固試驗。振沖試驗于1997年10～11月進(jìn)行，試驗地點選擇在工程地質(zhì)條件與河床段基礎(chǔ)基本類似，距壩址上游1km處右岸夾洲砂灘。為模擬施工時的吹填砂，在該試驗場地內(nèi)原河床砂灘上，堆填厚5m的中粗砂，形成長72m、寬20.5m的試驗平臺。試驗方案分6組進(jìn)行，按孔距2.5、3.0、3.5m，采用150kW、75kW振沖器通過調(diào)整技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗。試驗共完成試驗孔72個、總進(jìn)尺958.5m，填砂料618.5m3，主要取得了如下試驗成果。（1）從試驗施工情況來看，由于150kW振沖器頻率高，試驗區(qū)所有振沖孔振沖加固最長時間為93min，最短時間為50min，振沖加固深度基本達(dá)到設(shè)計要求的15m。而75kW振沖器，由于松散砂體對振沖器的“抱孔”作用，試驗區(qū)所有振沖孔振沖加固最長時間為168min，最短時間為40min，平均為65min，振沖加固深度只達(dá)到13m。因此整個振沖加固施工應(yīng)以150kW振沖器為主，75kW振沖器為輔。（2）正三角形布孔形式中，無論是150kW液壓振沖器還是75kW電動振沖器，隨著布孔孔距的增大，振沖加固效果逐漸減弱，且孔距為3.5m的試驗方案部分區(qū)段甚至還達(dá)不到設(shè)計要求的動力觸探擊數(shù)。通過對兩種型號振沖器的試驗方案檢測結(jié)果分析，確定河床段土壩砂基振沖加固布孔形式為正三角形，孔距3.0m是較為合理的。（3）試驗區(qū)的振沖加固效果采用重II型動力觸探進(jìn)行了檢測，并以剪切波測試進(jìn)行了驗證。通過對實測剪切波波速Vs與重II型動力觸探實測擊數(shù)N63.5結(jié)果的分析，表明兩者之間存在相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較好。利用這一相關(guān)關(guān)系，得出了抗設(shè)計地震烈度Ⅶ度所需的相對密度Dr≥0.70的重II型動力觸探臨界擊數(shù)，并確定了砂基振沖加固效果檢測的重II型動力觸探檢測標(biāo)準(zhǔn)，如表1。表1重II型動力觸探檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測深度（m）0～55～88～1010～1414～1616～1818～20擊681114192224為評價振沖處理效果，檢測各砂層的相對密度和壩基的均勻性能夠滿足設(shè)計要求，采用了方便、快捷、經(jīng)濟(jì)的重型動力觸探手段進(jìn)行檢測。由于現(xiàn)有國家規(guī)范中無此專項規(guī)定，我們在工作開始進(jìn)行了討論和論證，并進(jìn)行了波速測試對比試驗，確定了檢測標(biāo)準(zhǔn)，有很大的參考價值。根據(jù)水電部《土工試驗規(guī)程》（SD128-86）有關(guān)規(guī)程，結(jié)合本工程具體情況，選用動力觸探重=2\*ROMANII檢測該試驗振沖前后砂層的密實度。重=2\*ROMANII型動力觸探（N63.5）檢測評價砂土的相對密實度，目前國內(nèi)有關(guān)規(guī)程和規(guī)范尚未有明確規(guī)定，只能通過各種經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)換進(jìn)行判別。因此為進(jìn)一步檢測振沖效果、檢驗動力觸探檢測結(jié)果的可靠性，又增設(shè)剪切波測試試驗，通過剪切波的測試結(jié)果對動力觸探檢測結(jié)果進(jìn)行驗證。建立兩者之間的相互關(guān)系，用于指導(dǎo)二期截流后右岸河床段壩基吹填砂振沖加密效果檢測。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對飽和砂土液化的判別用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的方法。即在地面15米深度范圍內(nèi)的砂土液化應(yīng)符合下式要求：N<NcrNcr=N0×[0.9+0.1×(Ds-Dw)]×SQRT(3/ρc)式中Ｎ——飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)實測值（未經(jīng)桿長修正）。Ｎcr——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值。N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)基準(zhǔn)值，如表2。Ds——飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度（m）。Dw——地下水位深度（m），應(yīng)按建筑物使用期內(nèi)年平均最高水位，也可按近期內(nèi)年最高水位；由于地下水位的取值對動力觸探擊數(shù)臨界值的計算結(jié)果影響較大，可根據(jù)水位變化范圍來分別確定所要求的計算結(jié)果。在本工程按地面標(biāo)高和河水位高程來取值，Ｄw=6m。ρc——粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或為砂土?xí)r，均應(yīng)取3。表2標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值遠(yuǎn)、近震烈度（°）789近震61016遠(yuǎn)震812根據(jù)上式，可以計算出不同條件下的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值，如表3。再通過經(jīng)驗公式換算為相對應(yīng)的動力觸探擊數(shù)臨界值，按實測動力觸探進(jìn)行判別砂土液化。表3動力觸探臨界值（按烈度８度計算）深度（ｍ）0246810121415近震（10）6667891111遠(yuǎn)震（12）777810111314動力觸探試驗擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)的換算關(guān)系可按水電部北京勘測設(shè)計院的經(jīng)驗公式換算：Ｎ＝0.4＋0.516Ｎ63.5剪切波測試采用美國上世紀(jì)90年代最新R24淺層地震儀，按單孔法進(jìn)行測試，測試成果如表4。剪切波試驗和動力觸探相關(guān)關(guān)系按回歸分析可得下列關(guān)系式：Vs=39.17N63.50.359式中Vs——每2m厚砂層的平均波速；N63.5——同一厚度砂層的實測動力觸探擊數(shù)。其相關(guān)系數(shù)R=0.87。結(jié)果表明，兩者之間的相關(guān)性較高。利用這一相關(guān)關(guān)系式，可得出抗7度設(shè)計地震烈度所須對應(yīng)的相對密度Dr>70%的動力觸探（N63.5）擊數(shù)相關(guān)的關(guān)系表，表中所示的擊數(shù)為每10cm所累計的擊數(shù)。按以上試驗資料以及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)多次論證，最后我們確定的檢測標(biāo)準(zhǔn)如表1，其較規(guī)范更嚴(yán)格。表4單孔砂層的剪切波及動力觸探實測擊數(shù)成果表孔號深度（ｍ）剪切波速（m/s）臨界波速（m/s）實測擊數(shù)是否液化孔號深度（ｍ）剪切波速（m/s）臨界波速（m/s）實測擊數(shù)是否液化12191128138否42176128106否4282180307否4286180255否6291219374否6287219289否8356250424否8287250316否10419276472否10295276346否22188128112否12367299459否4274180203否5217312883否6283219266否4284180149否8343250441否6301219188否10394276540否8300250262否32190128126否10320276257否4258180316否12325299291否6229219187否6216212854否8270250271否4274180120否10319276407否6272219133否12353128563否8279250156否10308276189否12353299459否注：上表中動力觸探為每2累計擊數(shù)。該檢測標(biāo)準(zhǔn)具有以下特點：（1）考慮了xxx水利樞紐壩基的地質(zhì)情況的特殊性，在岸坡地層有淤泥質(zhì)粉土軟弱層，振沖施工采用碎石填料，其檢測方法相同，檢測相對應(yīng)地層能滿足設(shè)計要求。（2）按上述檢測標(biāo)準(zhǔn)，消除了重力觸探檢測中的桿長和地層深度對檢測效果的誤差，能較嚴(yán)格地檢測施工效果，保證施工質(zhì)量。（3）考慮了地下水位對檢測效果的影響。（4）砂基振沖加固后，表層0～2m范圍內(nèi)仍難于滿足設(shè)計要求，通過對此層采用碾壓處理措施，基本能滿足設(shè)計要求。3振沖加固施工根據(jù)振沖試驗成果，振沖孔按梅花形布置，孔距3.0m（順?biāo)鞣较颍?，排?.6m。3.1施工技術(shù)xxx水利樞紐河床段土壩壩基加固范圍：長325.46m,寬163.5m，面積53220m2,按設(shè)計要求，繪出振沖樁兩面圖，標(biāo)明孔號，并將整個施工區(qū)域劃分為64個小區(qū)，布置控制網(wǎng)。施工時按平面圖測量放樣定位，由起吊設(shè)備吊起振沖器就位，然后開啟高壓水泵和振沖器，使振沖器造孔至設(shè)計深度，裝載和開始填料，當(dāng)振密后，自動控制系統(tǒng)發(fā)出信號，將振沖器上提30～50cm，而繼續(xù)振密，直至提升到地面。3.2施工中遇到的問題及解決措施由于地層地質(zhì)情況復(fù)雜，施工主要遇到以下幾個問題：（1）造孔時有大量稀泥漿返出，泥漿呈黑色，部分有含泥團(tuán)塊帶出；（2）加密不塌孔，不沉陷或沉陷量小；（3）8m以上填料困難，砂料大部分隨水返出；（4）部分造孔達(dá)不到設(shè)計深度。雖然施工中對一些參數(shù)和工藝進(jìn)行了調(diào)整，如提高油壓、延長加密時間、采用粗砂填料等，但仍達(dá)不到設(shè)計要求。為此，建設(shè)監(jiān)理先后三次召集設(shè)計處、施工單位進(jìn)行研討，分析原因，認(rèn)為是地質(zhì)條件變化，下部河床有軟弱夾層，并建議在本區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場振沖試驗，以取得施工數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工。通過試驗成果確定：（1）采用120kW振沖器在0～9m加填碎石料；（2）已施工但未達(dá)到設(shè)計要求的，采用150kW振沖器在0～9m加填碎石料重新振沖處理；（3）高噴板墻和防滲墻位置由120kW振沖器填粗砂施工。3.3施工過程簡述河床段土壩砂基振沖處理面積大，投入設(shè)備多。施工期為1998年8月12日～10月13日，共完成全砂樁、半碎石樁及全碎石樁共6876根，總進(jìn)尺10328.5m，總填料量70154m3。3.4加固效果檢測及評價河床段擋水壩砂基振沖加固處理后,其振沖加固效果采用重II型原位動力觸探進(jìn)行了檢測,檢測結(jié)果表明:表層2m經(jīng)用12t振動碾進(jìn)行碾壓處理后,砂基振沖加固施工質(zhì)量均滿足設(shè)計要求.中國水利水電科學(xué)研究院在《xxx水利樞紐蓄水安全鑒定報告》中也指出:河床段擋水壩采用土壩與二期截流戧堤結(jié)合,人工吹填河砂出水面至高程14m,運用振沖加固法使其達(dá)到相對密度Dr≥0.70，并作為河床段擋水壩的一部分；透水的砂礫石層采用混凝土防滲作防滲墻作防滲處理，其設(shè)計和施工是成功的。振前檢測的布置，主要為了確定各分區(qū)的處理深度，保證壩基滿足設(shè)計防震和穩(wěn)定的要求，同時也可對比振沖后檢測結(jié)果，評價施工效果。振后檢測是按驗收單元劃分來布置的，檢測孔位由監(jiān)理部門抽取，一般每個單元1～2個檢測點，檢測位置為3個相鄰振沖孔位（呈正三角形）的中心點。振后檢測共布置了117個檢測點，其中部分檢測點由于地層條件變化的影響未至要求檢測深度，根據(jù)實際情況增加了一些檢測點。施工檢測的結(jié)果，既是工程驗收的重要依據(jù)之一，也是振沖施工的必要參考資料。由于本項工程處理面積大，地貌為河流及其灘地，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，因此，結(jié)合施工實際問題，分析振沖施工前后的檢測資料，用以調(diào)整施工參數(shù)，對保證工程質(zhì)量和提高工作效率有著重要作用。通過檢測資料的分析，對比各型號振沖器的振沖加密效果以及不同條件下振沖設(shè)備的適應(yīng)性。另外，不同填料對地層加密效果的影響，在檢測中也有一定的反映。重=2\*ROMANII動力觸探檢測方法，簡單、方便和快速，信息反饋直觀。其局限性主要是：單一檢測點代表著整體區(qū)域的復(fù)雜情況，并且檢測結(jié)果也會受到許多客觀因素的影響。為了根據(jù)檢測結(jié)果確定各區(qū)施工深度，振前檢測共完成了15個點（次）；振后檢測按驗收單元劃分而布置，一共進(jìn)行了117個檢測點。振前和振后對比如表5所示。表5振前、振后檢測結(jié)果總平均結(jié)果對比深度（m）振前匯總平均值值振后匯總平均值值提高0～15.86.03%1～24.17.583%2～31.78.6406%3～41.89.8444%4～51.611.1950%5～61.99.6405%6～72.211.2409%7～82.812.3339%8～93.914.2264%9～106.516.9160%10～116.719.2187%11～127.819.9155%12～139.019.6118%13～1410.519.990%14～1513.620.249%15～1615.821.840%16～1716.623.944%17～1812.923.582%18～1916.725.351%19～2020.727.733%對比不同區(qū)域振沖處理效果，將不同施工區(qū)域振前和振后的檢測資料統(tǒng)計對比如表6。從表6檢測資料對比分析：各施工區(qū)域振沖處理效果是明顯的，振后動力觸探擊數(shù)均有不同程度的提高，=3\*ROMANIII區(qū)在2～9m范圍內(nèi)擊數(shù)提高很明顯，提高120%到632%；=4\*ROMANIV區(qū)在2～11m擊數(shù)提高很明顯，提高率在100%以上；=5\*ROMANV-1區(qū)在2～16m擊數(shù)對比說明振沖處理效果尤為顯著，提高率最大達(dá)1100%以上；=5\*ROMANV-2區(qū)在2～17m范圍內(nèi)擊數(shù)平均提高較大。表6振前、振后檢測結(jié)果統(tǒng)計對比深度（m）=3\*ROMANIII區(qū)=4\*ROMANIV區(qū)=5\*ROMANV-1區(qū)=5\*ROMANV-2區(qū)振前振后提高振前振后提高振前振后提高振前振后提高0～16.0--5.26.423%4.74.0--3.64.011%1～25.29.073%6.17.523%2.06.3215%2.45.1113%2～32.29.6336%2.38.3261%1.07.7670%1.26.2417%3～41.610.5556%1.98.9368%1.19.4746%2.37.6230%4～51.913.9632%1.910.7463%1.111.1909%1.28.5608%5～62.16.7219%2.49.5296%1.113.31109%1.59.1507%6～72.87.4164%2.710.8300%1.515.4917%1.611.4613%7～83.58.5143%3.811.2195%2.116.9705%1.912.6563%8～95.311.7121%5.515.7179%2.517.4596%2.114.3581%9～108.716.286%10.920.387%3.017.9497%2.516.5560%10～119.421.1124%10.120.8106%3.519.5457%3.119.6532%11～1211.220.583%11.618.358%4.622.0378%3.420.9515%12～1311.919.866%13.217.130%5.622.3298%4.820.8333%13～1413.618.940%14.419.636%8.221.9167%5.921.1258%14～1515.417.614%18.99.422.3137%9.522.2134%15～1615.819.322%25.712.223.9196%10.324.2135%16～171918.0--31.513.423.676%9.026.0189%17～1814.924.363%12.023.092%18～1919.826.735%15.223.857%19～2026.127.45%18.127.853%注：表中所列為動力觸探每1米內(nèi)10cm平均擊數(shù)表層砂體（0～2m）加密效果差，提高率也較小，這和振沖原理是相一致的，即靠近表層砂體擠密由于上覆壓力小，振動能量消散快，加密效果稍差。=3\*ROMANIII區(qū)檢測資料較多，從表中統(tǒng)計平均值可以發(fā)現(xiàn)5～7m范圍內(nèi)未達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)，這與其復(fù)雜的地質(zhì)條件是對應(yīng)的。=4\*ROMANIV區(qū)的地質(zhì)條件為過渡變化區(qū)域，從檢測結(jié)果分析，其振后提高幅度較為穩(wěn)定，各段變化幅度相似，反映出回填砂質(zhì)量均勻，原河床地層變化不大等特點。=4\*ROMANIV區(qū)下游較小面積施工時有泥漿返出。=1\*ROMANI、=2\*ROMANII區(qū)樁深較淺，且施工機(jī)型75kW振沖器，檢測資料匯總統(tǒng)計如下表7。表7=1\*ROMANI區(qū)、=2\*ROMANII區(qū)振后檢測結(jié)果統(tǒng)計深度（m）=1\*ROMANI區(qū)分段匯總平均均值=2\*ROMANII區(qū)分段匯總總平均值0～15.95.11～210.25.72～311.97.13～413.18.14～511.09.55～68.410.26～79.711.57～811.910.38～912.510.19～1014.513.710～1113.014.711～1212.619.012～1312.113～1413.914～1517.015～1618.9從表7可看出：=2\*ROMANII區(qū)檢測擊數(shù)平均值均勻上升，其地層條件簡單，深度10m，底部拋填石護(hù)底；=1\*ROMANI區(qū)檢測結(jié)果并不有規(guī)律，5～7m段明顯下滑，說明受到軟弱夾層（壤土、粘土）的影響，從=1\*ROMANI區(qū)上游檢測資料分析，從右岸往左岸，該段檢測效果逐步提高，這與地質(zhì)條件的變化是有直接的關(guān)系的，在右岸受灘地軟弱層的影響其平均擊數(shù)較低，向左岸砂層均勻，深度上沒有差別，檢測擊數(shù)相對均勻上升。不同區(qū)域振前和振后對比分析結(jié)論：各區(qū)加密效果明顯，振后擊數(shù)提高較大；振沖檢測結(jié)果和地層地質(zhì)情況、填砂性質(zhì)、振沖器類型以及施工工藝是有