2.2 高压旋喷桩、防渗墙及帷幕检测技术应用

由于河口村水库面板堆石坝基础坐落在深覆盖层上，覆盖层下设混凝土防渗墙，防渗墙厚1.2m，最大墙高27.8m，防渗墙下基岩设灌浆帷幕，防渗墙顶端采用混凝土连接板和面板趾板连接，与面板形成完整的防渗体系。两岸面板趾板直接坐落在基岩上，趾板下基岩设固结灌浆和灌浆帷幕，防渗墙下帷幕与趾板下帷幕连成整体。由于河床段覆盖层变形较大，坝基下采用高压旋喷桩加固。

为防止坝肩两岸渗流，防渗帷幕并向两坝肩以外分别延伸一定长度，其中右岸为一向北缓倾的单斜构造，出露岩层自下而上有太古界登封群变质岩、中元古界汝阳群碎屑岩、寒武系碳酸盐岩与页岩，透水层与隔水层相互成层分布，因此形成双层透含水层与隔水层相间存在的现象，右岸为防止绕坝渗流，右岸防渗帷幕从右坝肩向外延伸210m。左岸山体由于存在F ₆ 、F ₇ 、F ₈ 武庙坡断层，透水范围及渗漏量都比右岸更大，根据左岸地下水分布及岩层透水性的分布特点，渗漏途径主要是自库岸向F ₆ 、F ₇ 、F ₈ 断层带及其以南基岩低水位区渗漏，渗漏方向为SW187度，其宽度范围为从坝肩至老断沟长约1200m，因此，左岸从坝肩沿左岸山体至老断沟1200m长范围均布置有帷幕灌浆。

上述坝基防渗墙、固结及帷幕、灌浆高压旋喷桩等工程均属于地下工程，为了更好地控制和掌握防渗墙的施工质量、固结及帷幕灌浆效果、特别是坝基高压旋喷桩地基加固的效果，除了采用常规的方法如钻孔取芯、钻孔超声波、钻孔压水试验等外，还采用物探等一些先进技术做检查，以达到更准确的检测效果。

2.2.1 高压旋喷桩现场试验及检测技术

2.2.1.1 检测技术及要求

（1）原河床检测。为便于和大坝基础高压旋喷后效果作对比，以便验证加固效果，对大坝基础原河床进行如下项目检测。

1）原位载荷试验。原位载荷试验是检测地基承载力的主要手段，是指按地基的使用功能，分别在地基逐级施加轴向压力，观测地基相应检测点随时间产生的沉降和变形，根据荷载与位移的关系（即 Q-S 曲线）判定相应的地基竖向抗压承载力及弹性模量的试验方法。地基载荷试验工作见图2.10。

在旋喷桩试验区，进行天然覆盖层地基的原位载荷试验3组（每组2个），检测天然地基的承载力和压缩模量，采用浅层平板载荷试验，堆载荷载按3.00MPa控制，承载板面积为4m×4m。

2）旁压试验。由于原位载荷试验只能检测地层上部的承载力，深层的地层承载力一般可采用旁压试验。旁压试验是在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验。具体试验方法是将一个圆柱形的旁压器放到钻孔内设计标高，加压使得旁压器横向膨胀，根据试验的读数可以得到钻孔横向扩张的体积-压力或应力-应变关系曲线，据此可用来估计地基承载力及变形模量，测定土的强度参数、变形参数、基床系数，估算基础沉降、单桩承载力与沉降。

3）瑞雷波检测。瑞雷波是地震波中弹性面波的一种，沿自由表面传播，在自由界面（如地面）上进行竖向激振时，地下介质中一般会产生三种波的传播：横波、纵波和瑞雷波。根据瑞雷波的特性，介质瑞雷波波速VR的变化直接反映出介质物理性质指标的大小和力学强度指标的强弱，所以通过检测得到介质的瑞雷波速度就能了解到介质的岩土力学特性，据此可判断地层的密实性。

在试验区表层地层纵横各布置两条瑞雷波剖面，检测地基基础波速，以进一步反映地层的密实性。

4）CT弹性波跨孔波速检测。瑞雷波检测只能检测地层上部的密实性，深层的地层密实性可利用深层钻孔采用CT弹性波进行跨孔波速测试，以通过检测深层地层的波速反映深层地层的密实情况。

CT弹性波技术，就是根据大量的弹性波信息（投影数据）反演物体内部图像和反演计算，得到被测试区域内部介质的弹性波速度的分布形态，可广泛用于地层、混凝土等介质，据此进行该介质的分类及评价，CT最初用于医学，用于工程上作为无损检测的一种先进手段。CT弹性波跨孔波速检测，利用钻孔形成的旁压试验孔进行，其工作原理见图2.11。

跨孔波速工作原理见图2.12，就是在某一个孔的位置激发，在另一个孔的相同位置处接收，两孔间距离已定，每次接发仪器就会接收到激发点到接收点的地震波传播时间，由此可以得到两孔间此深处的地震波波速，然后同时移动激发点和接收点向上或向下，就可以测出两孔间各个深处的地震波波速。

5）附加质量法。附加质量法也是检测地基密实性的一种手段，主要用于堆石体的检测，考虑到河床覆盖层主要以砂卵石为主，为了进一步验证砂卵石基础的密实性，由于附加质量法不如常规的挖坑检测速度快，在对地基也采用了附加质量法进行检测的同时配合挖坑检测做进一步的对比。

附加质量法的原理是将一块刚性基础板置于地基介质（堆石、土等）表面，使其基础板及其以下介质构成一个振动体系（见图2.13），利用弹性振动理论模型，求解体系的动力参数 K （刚度）、压板下介质振动参数质量 m ₀ ；通过 K 、 m ₀ 于介质密度 ρ 的关系，达到测定介质密度的目的。求出地基刚度 K 和参振质量 m ₀ 即可根据相关公式计算出地基密度。

6）挖坑检测。挖坑检测地基覆盖层容重、孔隙比、颗分和相对密度。试坑数量不少于6个，试坑直径1.0m，深1.0m。

（2）复合地基检测。旋喷桩成桩后将和原河床基础组成复合地基，应对复合地基检测，以检测高压旋喷桩后地基的物理力学特性是否得到提高，是否到达设计的建基要求。其试验检测方法及要求同天然地基一样，即进行成桩后复合地基的静载试验（承载板4m×4m）、瑞雷波、旁压试验、跨孔波速、容重等，检测应在成桩后28d进行。

（3）桩体本身检测。为了确保地基加固的可靠性，除进行成桩后复核地基的检测以外，还应对桩身进行检测，桩身检测分如下检测。

1）桩体本身钻孔取芯检查。主要检查成桩浇筑质量，同时根据取芯结果对每孔取三段较完整有代表性岩芯样进行比重、干密度、单轴饱和抗压强度、静弹模量及泊松比等试验，钻孔选取5根试验桩进行检查。

2）桩体单孔超声波测试。利用桩体钻孔进行桩的单孔超声波测试，以检测桩的完整性；单孔超声波利用人工激发的地震波从地面传播到桩孔的不同深度所用时间的不同，计算出地震波纵波速度，以通过波速反映桩身的完整性，整体波速高说明胶结好桩身完整，桩身整体波速偏低则说明胶结不好。单孔超单孔超声波测井现场工作图见图2.14。

3）低应变法检测桩体。低应变法是检测桩身完整的一种无损检测手段，对于未取岩芯的桩采用低应变动测法检测桩的完整性，检测数量10根。低应变检测是采用一维杆件的应力波反射理论，即在桩顶激发应力波，沿桩身向下传播，遇波阻抗差异界面（缺陷或桩底）将产生波反射，返回桩顶，用速度或加速度传感器接收其反射信号，反射系数可由式（2.1）表达：

式中： R 为波阻抗差异界面的反射系数； ρ ₁ 、 p ₂ 、 V ₁ 、 V ₂ 、 A ₁ 、 A ₂ 分别为上、下两侧介质密度、波速及截面积。

由式（2.1）可知，当桩身某部位的 ρ 、 V 、 A 任一参数改变即满足 ρ ₁ V ₁ A ₁ ≠ ρ ₂ V ₂ A ₂ 时，就产生反射波返回桩顶，用传感器拾取反射信号并被仪器记录，根据反射初至时间、相位及幅值，对桩身有无缺陷、缺陷性质、部位及程度作出判定。低应变现场测试工作见图2.15。

4）挖开检查。上述检测虽然手段先进，为了更进一步落实和检查桩体的质量，对现有试验桩先进行浅层开挖检查，然后结合后期坝基处理开挖对深层部位也进行开挖检查，以更为直观地测量桩体有效桩径、检查其连续性、完整性。

2.2.1.2 高压旋喷桩现场试验及检测

（1）载荷试验。在试验区分别进行了原河床和高压旋喷后复合地基的静载试验，载荷试验见图2.16，检测结果如下。

1）天然地基载荷试验。在实验区供选择了4个代表点进行天然地基承载力试验，采用浅层平板载荷试验，堆载荷载按3.00MPa控制，承载板面积为4m×4m。其试验结果见表2.12。

从地基承载能力来看，天然河床砂卵石层的承载力一般在500～600kPa之间，从地基变形模量看，天然河床表层砂卵石层变形模量 E ₀ 一般在40MPa左右。

2）复合地基载荷试验。地基处理后，由于桩基布置是采用由密到稀，其中在坝脚趾板区域，为变形较大区域，桩基布置较密，其后向坝基下游逐渐渐疏，因此分别选取了桩间距较密和较稀的复合地基进行检测，重点检测较密地基，其试验统计见表2.13。根据检测情况，处理后相应的复合地基承载力达到990～1100kPa，承载力提高近200%，提高显著。处理后复合地基变形模量达46.1～168.0MPa，提高15%～300%，很好地改善了坝基的整体变形模量。

从不同桩间距区复合地基试验成果来看，2m×2m桩间距区地基承载力及变形模量提高最为明显，分别提高2～3倍以上；4m×5m桩间距区内的变形模量提高不明显，应与桩间距过大有一定关系。

高压旋喷桩载荷试验见图2.16。

（2）旁压实验。

1）天然地基旁压试验。在试验区布置6个钻孔，应尽量布置在桩与桩之间，对深层地基进行打孔，孔深约30m （以进入基岩为准），孔距8～10m （可根据现场实际情况进行调整），根据旁压试验结果可计算深层承载力、弹性模量等。

根据对天然地基旁压试验检测，其天然地基黏土层的旁压剪切模量一般为2.53～5.40MPa，平均3.19MPa；旁压模量一般为6.83～14.58MPa，平均8.60MPa；地基承载力极限值一般为409～752kPa，平均588kPa；变形模量一般为7.94～23.79MPa，平均14.09MPa。而砂卵石层的旁压剪切模量一般为2.69～6.62MPa，平均5.05Pa；旁压模量一般为7.38～16.55MPa，平均13.23MPa；地基承载力极限值一般为648～1502kPa，平均1094kPa；变形模量一般为12.99～28.43MPa，平均22.83MPa。

2）复合地基旁压试验。在原天然地基孔位附近重新打孔进行复合地基旁压试验检测，也布置了6个孔。根据检测情况，复合地基各孔测得的旁压试验参数出现了不均匀增长。其中1号、2号、3号、6号旁压试验结果提高明显。4号、5号孔旁压试验参数提高较小。其中黏土层：平均旁压剪切模量最高提高了127.78%（1号孔），最少提高了16.52%（3号孔）；平均旁压模量最高提高了127.88%（1号孔），最少提高了16.7%（3号孔）；平均地基承载力极限值最高提高了94.87%（2号孔），最少提高了22.26%（5号孔）；平均变形模量最高提高了84.89%（1号孔），最少提高了27.14%（6号孔）。砂卵石层：平均旁压剪切模量最高提高了70.90%（3号孔），最少提高了18.85%（4号孔）；平均旁压模量最高提高了68.06%（3号孔），最少提高了13.83%（5号孔）；平均地基承载力极限值最高提高了94.53%（3号孔），最少提高了38.27%（5号孔）；变形模量最高提高了122.67%（1号孔），最少提高了45.04（5号孔）。

（3）瑞雷波检测。

1）天然地基瑞雷波检测。瑞雷波检测也是反映地基密实性的一种手段，在试验区表层通过纵横各布置两条瑞雷波剖面，同时与地基高压旋喷加固后的波速相对比，以检查地基加固效果。

试验区共完成瑞雷波剖面4条，分别为PM-1、PM-2、PM-3、PM-4。

PM-1剖面黏土层横波波速一般为381～561m/s，平均489m/s，而砂卵石层横波波速一般为578～769m/s，平均677m/s。

PM-2剖面黏土层横波波速一般为528～575m/s，平均548m/s，而砂卵石层横波波速一般为577～720m/s，平均656/s。

PM-3剖面黏土层横波波速一般为411～558/s，平均479m/s，而砂卵石层横波波速一般为558～756m/s，平均649m/s。

PM-4剖面黏土层横波波速一般为362～579m/s，平均502m/s，而砂卵石层横波波速一般为596～759m/s，平均683m/s。

2）复合地基瑞雷波检测。测试要求与试验前保持一致。通过检测复合地基瑞雷波波速大部分提高了15.0%～20.7%。桩密集区的测点波速提高明显，随着桩的稀疏波速提高率降低。检测结果见表2.14。

（4）跨孔波速。

1）天然地基跨孔检测。利用旁压试验孔进行深层跨孔波速（CT弹性波）测试，其成像剖面图见图2.17孔距8～10m，测试剖面沿孔循环布置，两孔一对，共布置6对。

经检测，试验区黏土层纵波波速一般为1100～1520m/s，平均1350m/s；横波波速一般为390～650m/s，平均550m/s；而砂卵石层的纵波波速一般为1270～1760m/s，平均1560m/s；横波波速一般为580～770m/s，平均700m/s。

2）复合地基跨孔波速检测。成桩后复合地基，仍利用旁压试验孔进行CT弹性波跨孔波速测试，其成像剖面图见图2.18，钻孔及测试参数要求和试验前相同，以便进行对比，6个钻孔点位与试验前相比整体向东平移0.5m。

经检测，成桩后6个剖面范围内波速出现了不同程度的增长。从各剖面来看，其中16、1-2、3-2剖面波速提高较大，纵波波速提高14.8%～17%，横波波速提高16%～20.4%；3-4、5-6剖面次之，5-4剖面最小。从地层上来看黏土层波速提高比例普遍比卵石层要高，对比结果见表2.15。

（5）附加质量法。成桩前，采用附加质量法检测3个点位，成桩后，采用附加质量法复检测3个点位，检测结果成桩前和成桩后差别不大，附加质量法成果见表2.16。

（6）挖坑试验。河床为砂卵石地基，对实验前和成桩后复核地基的基础干密度及颗分试验，通过挖坑进行试验，经检测基本上差别不大。根据成桩后的检测情况看，其干密度稍低（见表2.17）。坑探检测颗粒级配曲线见图2.19。

（7）高压旋喷桩挖开检查。高压旋喷桩施工完毕后，选取了11根试验桩进行开挖检查，开挖深度约0.3～1.0m，桩身大部分位于黏土层与砂卵石层过渡的地层中。从统计结果来看，桩径大部分满足设计要求，桩径不小于1.2m的有7根，有3根桩径在1.1m，仅有1根桩桩径未达到1.0m。桩体整体呈圆柱形，水泥与卵石或黏土多搅拌均匀，充填较充分，胶结也较好。桩体外表面与原地层接触一般呈蜂窝状，凸凹不平，桩径一般不太规则，上部和下部大小不完全一致。整体来看，桩体成桩质量较为理想，基本达到设计预期。高压旋喷桩挖开检查见图2.20。

2.2.1.3 单桩检测

（1）单桩取芯检测。主要通过钻孔取芯检测其物理力学指标，但实际钻孔取芯效果较差，只能仅供参考。后利用开挖出来的桩进行人工取芯，做强度等试验，试验结果见表2.18，其强度平均在5MPa以上，满足设计要求。

（2）单桩超声波检测。取5个桩的取芯孔进行了地震测井进行单桩超声波检测，其中49号桩取芯孔因沉渣过厚测试深度只有24m，其余测试深度均为30m。综合判断18号、25号桩身完整，40号、44号桩基本完整，49号桩胶结较差，单桩超声波检测结果见表2.19。

（3）小应变检测。采用低应变法在未取芯的桩中抽测10根，检测桩身完整性。

试验区选择10根桩头胶结较好的桩参照《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2003）进行了低应变法试验性检测，其桩号分别为4号、5号、8号、15号、16号、18号、26号、45号、49号、50号，波形尚可以评判，经过判定其均为Ⅰ类桩。 UMGXoDXJxmmKWQLzri74BKBQ/UIokg7zQXVUzyLYmlg45GvGap91hP2J+xVcA+CJ