庹曉軍 劉強(qiáng) 曹瑞瑯 趙宇飛 何瑞良

摘要：拉哇水電站工程壩址區(qū)存在地質(zhì)條件復(fù)雜、分層多樣的深厚覆蓋層，需利用振沖碎石樁大面積處理后才能作為上游圍堰的地基。工程中振沖碎石樁最大加固深度超過(guò)70 m，而目前規(guī)范中所推薦施工質(zhì)量檢測(cè)方法的適用范圍為20 m以?xún)?nèi)，因此需要結(jié)合實(shí)際工程開(kāi)展超深振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)新方法研究。以鉆孔隨鉆測(cè)試技術(shù)為新思路，結(jié)合拉哇水電站地基處理施工特點(diǎn)，形成了基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)新方法，介紹了具體的檢測(cè)過(guò)程、指標(biāo)和評(píng)價(jià)依據(jù)及工程案例，并討論了鉆孔過(guò)程指數(shù)和動(dòng)力觸探平均修正錘擊數(shù)的驗(yàn)證關(guān)系。該方法可為類(lèi)似工程中的超深碎石樁施工質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：振沖碎石樁;軟弱地基;質(zhì)量檢測(cè);鉆孔隨鉆測(cè)試;重型動(dòng)力觸探;拉哇水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV553 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）12 - 0059 - 06

0 引 言

在水利、工民建及公路等工程中，常用振沖法進(jìn)行軟弱地基加固。振沖法具有質(zhì)量可靠、造價(jià)低、進(jìn)度快、施工簡(jiǎn)便、節(jié)約鋼材和水泥等特點(diǎn)[1]。該法利用振沖器在高壓水流作用下，邊振邊沖，在地基中成孔，然后在孔內(nèi)分批填入碎石等堅(jiān)硬材料，填料在振沖器的水平向振動(dòng)力作用下被振密，制成樁體，與樁間土構(gòu)成復(fù)合地基共同承擔(dān)上部荷載[2]，如圖1所示。

拉哇水電站是國(guó)家“西電東送”持續(xù)基地和西南水電基地建設(shè)的重大工程，其上游圍堰地基基礎(chǔ)為典型的湖相沉積覆蓋層，深達(dá)70 m。為保證圍堰建設(shè)、大壩基坑開(kāi)挖和大壩填筑施工安全，需通過(guò)振沖碎石樁對(duì)圍堰地基進(jìn)行針對(duì)性地處理，以加速深厚覆蓋層的排水固結(jié)，提高其承載力，保證圍堰堰體穩(wěn)定[3]。但是，目前國(guó)內(nèi)外的振沖碎石樁在施工設(shè)備、施工工藝及施工質(zhì)量控制等均集中在50 m深度范圍以?xún)?nèi)[4]。針對(duì)施工質(zhì)量，在評(píng)價(jià)樁身密實(shí)性時(shí)采用重型觸探及超重型觸探方法，而在現(xiàn)行的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》中，僅給出了20 m深度內(nèi)的桿長(zhǎng)修正系數(shù)和修正方法，桿長(zhǎng)超過(guò)20 m的修正方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此，亟需開(kāi)展針對(duì)超深覆蓋層的振沖碎石樁施工過(guò)程監(jiān)控與施工質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究，以確保拉哇水電站整個(gè)工程安全可靠地建設(shè)和運(yùn)行。

本文結(jié)合拉哇水電站上游圍堰深厚覆蓋層的地質(zhì)特性，開(kāi)展了相關(guān)的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量的隨鉆測(cè)試。通過(guò)對(duì)振沖碎石樁樁體隨鉆數(shù)據(jù)的挖掘與分析，建立了新的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，并且和常規(guī)的重型動(dòng)力觸探方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所提出方法的可行性與適用性。

1 振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)現(xiàn)狀

1.1 振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)方法

振沖碎石樁對(duì)地基的加固原理主要是振沖擠密和置換作用，無(wú)論是何種作用方式都要求振沖樁密實(shí)，并對(duì)樁間土形成不同程度擠密，因而施工質(zhì)量檢測(cè)針對(duì)的是碎石樁及樁間土。

現(xiàn)行規(guī)范推薦的碎石樁復(fù)合地基密實(shí)性檢測(cè)方法中，對(duì)樁體采用的是重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，對(duì)樁間土采用的是標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探和動(dòng)力觸探（圖2）試驗(yàn)[5]。此外，一些學(xué)者提出了探索性方法，主要是利用碎石樁質(zhì)量檢測(cè)儀檢測(cè)樁體[6]和用瑞利波檢測(cè)樁間土[7]。然而無(wú)論是觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，還是瑞利波法等，均屬于淺層勘探手段，檢測(cè)深度有限，所以振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題一直難以解決。

1.2 超深振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)難點(diǎn)

對(duì)于深層覆蓋層的圍堰基礎(chǔ)振沖碎石樁，不僅因樁長(zhǎng)較深而檢測(cè)困難，還面臨復(fù)雜地質(zhì)條件和特殊施工環(huán)境等問(wèn)題，給碎石樁質(zhì)量檢測(cè)帶來(lái)諸多難題，主要包括：

（1）圍堰基礎(chǔ)一般位于河床上，而截流之前河床無(wú)法出露，必須在河床上填筑一定高度的施工平臺(tái)方可進(jìn)行振沖碎石樁施工。因此，圍堰基礎(chǔ)在施工期深埋地下，無(wú)法開(kāi)展原位檢測(cè)，樁徑、承載力等均無(wú)法直接測(cè)得。

（2）碎石樁從施工平臺(tái)頂部開(kāi)始施工，常常需穿過(guò)回填平臺(tái)、砂卵礫石層、粉細(xì)砂層、粉土和黏性土互層、崩坡積層等復(fù)雜地層，約束力不同造成其成樁密實(shí)度等均有一定差別，而常規(guī)動(dòng)力觸探屬于抽檢，無(wú)法給出整根碎石樁密實(shí)程度的連續(xù)分布情況。

（3）現(xiàn)行規(guī)范GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）》在對(duì)碎石土利用重型動(dòng)力觸探和超重型動(dòng)力觸探進(jìn)行密實(shí)狀態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，需進(jìn)行桿長(zhǎng)修正，而規(guī)范中給出的桿長(zhǎng)修正范圍只含20 m以?xún)?nèi)（重型為20 m、超重型為19 m），對(duì)于超深振沖碎石樁，如何客觀評(píng)價(jià)其20 m以外樁身的密實(shí)性是檢測(cè)的重難點(diǎn)。

2 基于隨鉆技術(shù)的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)新方法

2.1 鉆孔隨鉆技術(shù)測(cè)試系統(tǒng)和特點(diǎn)

鉆孔過(guò)程中鉆具與振沖碎石樁體直接接觸，鉆具響應(yīng)信息綜合反映了碎石樁體的性質(zhì)。因此，鉆孔過(guò)程本身就是一種定量測(cè)定碎石樁質(zhì)量的原位試驗(yàn)，是超深振沖碎石樁密實(shí)狀態(tài)檢測(cè)的新思路。

為了建立鉆具響應(yīng)參數(shù)和超深振沖碎石樁密實(shí)狀態(tài)的關(guān)系，研發(fā)了地質(zhì)鉆機(jī)隨鉆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖3），并運(yùn)用于鉆孔原位測(cè)試過(guò)程。如圖4所示，這個(gè)系統(tǒng)由高精度數(shù)字傳感器、自動(dòng)采集儀以及數(shù)據(jù)分析軟件組成。

通過(guò)激光位移傳感器（圖4（b））監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)位移（S，mm），激光傳感器的標(biāo)靶放置在隨鉆桿移動(dòng)的鉆機(jī)磨盤(pán)上，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)0.1 mm。在鉆機(jī)鉆桿上設(shè)立特殊的標(biāo)志點(diǎn)，轉(zhuǎn)速傳感器（圖4（d））安裝在距離標(biāo)志點(diǎn)10～12 mm處，用于監(jiān)測(cè)鉆頭轉(zhuǎn)速（N，r/s），并通過(guò)非接觸式空氣耦合裝置傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。壓力傳感器（圖4（e））安裝于鉆機(jī)推進(jìn)裝置的輸油管道，用于監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)壓強(qiáng)（P，MPa）。P，N以及S會(huì)被同步實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為1 s，并傳輸給數(shù)據(jù)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀（圖4（c））和數(shù)字傳輸模塊網(wǎng)絡(luò)云端（圖4（f））。

2.2 基于隨鉆技術(shù)碎石樁施工質(zhì)量檢測(cè)原理

在均勻介質(zhì)中，采用同樣的鉆進(jìn)壓力和鉆頭轉(zhuǎn)速，其鉆進(jìn)速度是穩(wěn)定的[8]。在碎石樁體中，穩(wěn)定鉆速的明顯變化由碎石樁體密實(shí)度差異造成。如圖5所示，在碎石樁密實(shí)度較高時(shí)，鉆進(jìn)速度較小;反之，碎石樁密實(shí)度較低時(shí)，鉆進(jìn)速度會(huì)相應(yīng)較大。

考慮到鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)鉆進(jìn)速度造成影響，因此必須要對(duì)鉆進(jìn)速度做歸一化處理，形成鉆孔過(guò)程指數(shù)（Drilling Process Index，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DPI”），其計(jì)算公式為

[DPI=αVF-0.5N-0.5]? ? ? ? ?（1）

式中：α為常量，是與碎石強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù);F為鉆進(jìn)壓力，kN;V為鉆進(jìn)速度，mm/s;N為旋轉(zhuǎn)速度，r/min。

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果（圖5），初步建立的鉆孔過(guò)程指數(shù)和振沖碎石樁密實(shí)狀態(tài)關(guān)系如表1所示。

鉆機(jī)壓力主要取決于3部分：①鉆機(jī)油壓;②鉆桿自重;③鉆桿與孔壁摩擦。碎石樁鉆進(jìn)時(shí)，通常采用金屬套管保護(hù)孔壁，鉆桿與孔壁的摩擦可忽略。因此，鉆進(jìn)壓力可表示為

[F=PA+mgh]? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[P]為隨鉆壓強(qiáng)檢測(cè)值，MPa;[A]為鉆機(jī)油缸作用面積，cm2;[m]為單位長(zhǎng)度的鉆桿質(zhì)量，mg;[g]為重力加速度，m/s2;[h]為鉆桿深度，m。

3 工程案例分析

3.1 工程概況和施工方案

拉哇水電站位于金沙江水電基地川藏界河段（圖6），為金沙江上游水電13級(jí)開(kāi)發(fā)中第8級(jí)，水電站樞紐由擋水、泄水及引水發(fā)電建筑物組成，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高239 m。

工程區(qū)河床覆蓋層中堰塞湖相沉積物厚約50 m，具有厚度大、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)低、滲透系數(shù)低、承載力低等特性。在此類(lèi)地層上填筑圍堰工程，必須進(jìn)行地基加固處理。利用振動(dòng)碎石樁置換黏土層以形成復(fù)合地基是一種有效措施[9]。通過(guò)碎石樁可以：①提高地層滲透系數(shù)，提高抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、增大變形模量;②提供排水通道，加快土體固結(jié)，使土體隨著圍堰填筑而實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)力增加和抗剪強(qiáng)度提高。振沖碎石樁設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖7和圖8。

3.2 基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁密實(shí)狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果

利用隨鉆技術(shù)開(kāi)展了拉哇水電站超深振沖碎石樁的密實(shí)狀態(tài)檢測(cè)，典型的檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。圖9（a）時(shí)間-位移曲線、圖9（c）鉆進(jìn)壓強(qiáng)和圖9（d）旋轉(zhuǎn)速度為傳感器監(jiān)測(cè)值;圖9（b）鉆進(jìn)速度是根據(jù)時(shí)間-位移曲線獲得;圖9（e）DPI可根據(jù)公式（1）計(jì)算得到。

根據(jù)圖9的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可判斷振沖碎石樁密實(shí)狀態(tài)，并按照深度列入表2。在深度25.1～25.3 m處，DPI值為2～3，碎石樁判定為中密狀態(tài);25.0～25.1 m、25.3～25.6 m等處DPI值處于0～1間，碎石樁為極密狀態(tài);其它樁體深度位置則為0.2～0.3 m厚的密實(shí)狀態(tài)交替出現(xiàn)?；陔S鉆測(cè)試結(jié)果，可生成檢測(cè)報(bào)表，為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)提供直接支撐，且數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、樁身密實(shí)狀態(tài)判別、檢測(cè)報(bào)告等均自動(dòng)運(yùn)行或生成，減少了人工工作量，也能避免人為誤差。

3.3 隨鉆技術(shù)和動(dòng)力觸探方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

同時(shí)采用重型動(dòng)力觸探方法和隨鉆技術(shù)開(kāi)展振沖碎石樁的密實(shí)狀態(tài)檢測(cè)，共計(jì)檢測(cè)12根樁。重型動(dòng)力觸探方法以平均錘擊數(shù)修正值作為樁身密度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在同一深度處，將鉆孔過(guò)程指標(biāo)和平均錘擊數(shù)修正值做對(duì)比，見(jiàn)圖10。

分析結(jié)果表明：

（1）在埋深10～20 m時(shí)，兩者吻合度較好（R2=0.806），呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，且DPI超過(guò)0.5時(shí)曲線逐漸收斂，說(shuō)明重型動(dòng)力觸探方法和隨鉆技術(shù)在20 m以上深度進(jìn)行碎石樁密實(shí)狀態(tài)評(píng)價(jià)均是可行。

（2）隨著深度增加，平均錘擊數(shù)修正值大幅度降低，表現(xiàn)為曲線整體左移，埋深10～20 m、20～30 m和30～40 m的平均錘擊數(shù)分別為29.0，23.8次和18.9次。檢測(cè)結(jié)論是，隨深度增加， 12根樁的密實(shí)度均逐漸降低，判斷結(jié)果明顯不符合實(shí)際（但符合規(guī)范計(jì)算要求）。出現(xiàn)的原因是，目前缺乏超過(guò)20 m后桿長(zhǎng)修正系數(shù)的直接依據(jù)，此時(shí)仍利用20 m處的桿長(zhǎng)修正系數(shù)做線性擴(kuò)展與實(shí)際不符。因此，隨深度增加，鉆孔過(guò)程指標(biāo)和平均錘擊數(shù)修正值的擬合度將逐漸降低（30～40 m時(shí)，R2=0.375），二者檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)不具有互相驗(yàn)證的意義。

（3）鉆孔過(guò)程中，考慮鉆桿重力受深度的影響（見(jiàn)公式（2）），鉆孔過(guò)程指數(shù)DPI不受深度增加的影響，檢測(cè)結(jié)果更加合理。

目前，中國(guó)關(guān)于振沖碎石樁體的檢測(cè)仍然以定性方法為主導(dǎo)，且只能取典型位置測(cè)試。如采用隨鉆技術(shù)，不僅可以獲得典型位置樁體密實(shí)狀態(tài)，還能獲得連續(xù)的定量數(shù)據(jù)，用以和密實(shí)度建立量化關(guān)系。在經(jīng)過(guò)大量工程應(yīng)用和完善后，這種新方法將能提升振沖碎石樁密實(shí)狀態(tài)的檢測(cè)水平。

4 結(jié) 論

密實(shí)程度控制是振沖碎石樁施工質(zhì)量的關(guān)鍵。利用隨鉆技術(shù)開(kāi)展了拉哇水電站超深振沖碎石樁的密實(shí)狀態(tài)檢測(cè)，并與重型動(dòng)力觸探方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：

（1）樁體埋深20 m以?xún)?nèi)時(shí)，隨鉆技術(shù)的鉆孔過(guò)程指數(shù)和重型動(dòng)力觸探平均錘擊數(shù)修正值呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，二者均能較好地評(píng)價(jià)樁體密實(shí)狀態(tài)。

（2）樁體超過(guò)20 m時(shí)，因現(xiàn)有規(guī)范中動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)修正系數(shù)缺乏直接依據(jù)，其評(píng)判效果受限;而采用基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁進(jìn)行密實(shí)狀態(tài)檢測(cè)時(shí)可定量計(jì)算，得到的結(jié)果更加合理。

（3）基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁檢測(cè)結(jié)果能為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)提供直接支撐，且其數(shù)據(jù)采集和處理、樁身密實(shí)狀態(tài)判別、檢測(cè)報(bào)告等均自動(dòng)運(yùn)行或生成，既減輕了人工工作量，又能避免人為誤差。

此外，需要指出的是，基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁施工質(zhì)量評(píng)價(jià)是一種新方法，未來(lái)應(yīng)開(kāi)展更多的工程應(yīng)用和研究以不斷修正和完善。

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（編輯：高小雲(yún)）

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