軟土地基處理強(qiáng)夯法及強(qiáng)夯置換法施工技術(shù)

1、4.2.3強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法強(qiáng)夯是法國(guó) Menard技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法，它通過一般1040t的重錘和1040m的落距，對(duì)地基土施加很大的沖擊能，在地基土中所出現(xiàn)的沖擊波和動(dòng) 應(yīng)力，可提高地基土的強(qiáng)度、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土 的濕陷性等。同時(shí)，夯擊能還可提高土層的均勻程度，減少將來可能出現(xiàn)的差異沉降。強(qiáng)夯置換法是采用在夯坑內(nèi)回填塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘夯擊形成連續(xù)的強(qiáng)夯置換墩。具有加固效果顯著、施工工期短和施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，應(yīng)用強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法處理的工程范圍極為廣泛，有工業(yè)與民用建筑、倉(cāng)庫、 油罐、儲(chǔ)倉(cāng)、公路和鐵路路基、飛機(jī)場(chǎng)跑

2、道及碼頭等?？傊瑥?qiáng)夯法在某種程度上比機(jī)械 的、化學(xué)的和其它力學(xué)的加固方法更為廣泛和有效。強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、素填土和 雜填土等地基。強(qiáng)夯置換法適用于高飽和度的粉土與軟塑流塑的粘性土等地基上對(duì)變形 控制要求不嚴(yán)的工程，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)前通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性和處理效果。工程實(shí)踐表明，強(qiáng)夯法具有施工簡(jiǎn)單、加固效果好、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因而被世界各 國(guó)工程界所重視。對(duì)各類土強(qiáng)夯處理都取得了十分良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。但對(duì)飽和軟土的 加固效果，必須給予排水的出路。為此，強(qiáng)夯法加袋裝砂井（或塑料排水帶）是一個(gè)在軟粘土地基上進(jìn)行綜合處理的加固途徑。1、加固機(jī)理強(qiáng)夯法

3、是利用強(qiáng)大的夯擊能給地基一沖擊力，并在地基中產(chǎn)生沖擊波，在沖擊力作用 下，夯錘對(duì)上部土體進(jìn)行沖切，土體結(jié)構(gòu)破壞，形成夯坑，并對(duì)周圍土進(jìn)行動(dòng)力擠壓目前，強(qiáng)夯法加固地基有三種不同的加固機(jī)理：動(dòng)力密實(shí)、動(dòng)力固結(jié)和動(dòng)力置換，它 取決于地基土的類別和強(qiáng)夯施工工藝。（1）動(dòng)力密實(shí)采用強(qiáng)夯加固多孔隙、粗顆粒、非飽和土是基于動(dòng)力密實(shí)的機(jī)理，即用沖擊型動(dòng)力荷 載，使土體中的孔隙減小，土體變得密實(shí)，從而提高地基土強(qiáng)度。非飽和土的夯實(shí)過程， 就是土中的氣相（空氣）被擠出的過程，其夯實(shí)變形主要是由于土顆粒的相對(duì)位移引起。實(shí) 際工程表明，在沖擊動(dòng)能作用下，地面會(huì)立即產(chǎn)生沉降，一般夯擊一遍后，其夯坑深度可 達(dá)0.61.0

4、m,夯坑底部形成一層超壓密硬殼層，承載力可比夯前提高23倍。非飽和土在中等夯擊能量 10002000kN-m的作用下，主要是產(chǎn)生沖切變形，在加固深度范圍內(nèi)氣 相體積大大減少，最大可減少60%（2）動(dòng)力固結(jié)用強(qiáng)夯法處理細(xì)顆粒飽和土?xí)r，則是借助于動(dòng)力固結(jié)的理論，即巨大的沖擊能量在土 中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，使土體局部發(fā)生液化并產(chǎn)生許多裂隙，增 加了排水通道，使孔隙水順利逸出，待超孔隙水壓力消散后，土體固結(jié)。由于軟土的觸變 性，強(qiáng)度得到提高。動(dòng)力固結(jié)理論可概述為：1）飽和土的壓縮性Menard教授認(rèn)為，由于土中有機(jī)物的分解，第四紀(jì)土中大多數(shù)都含有以微氣泡形式出現(xiàn)的氣體，其含氣量大約

5、在1%-4%g圍內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)夯時(shí)，氣體體積壓縮，孔隙水壓力增大，隨后氣體有所膨脹，孔隙水排出的同時(shí)，孔隙水壓力就減少。這樣 每夯擊一遍，液相氣體和氣相氣體都有所減少。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，每夯擊一遍，氣體體積可減少 40%2）局部產(chǎn)生液化 在重復(fù)夯擊作用下，施加在土體的夯擊能量，使氣體逐漸受到壓縮。 因此，土體的沉降量與夯擊能成正比。當(dāng)氣體按體積百分比接近零時(shí)，土體便變成不可壓 縮的。相應(yīng)于孔隙水壓力上升到覆蓋壓力相等的能量級(jí)，土體即產(chǎn)生液化?？紫端畨毫εc 液化壓力之比稱為液化度，而液化壓力即為覆蓋壓力。當(dāng)液化度為100%寸，亦即為土體產(chǎn)生液化的臨界狀態(tài)，而該能量級(jí)稱為“飽和能”。此時(shí)，吸附水變成自由水，土

6、的強(qiáng)度下降到最小值。一旦達(dá)到“飽和能”而繼續(xù)施加能量時(shí)，除了使土起重塑的破壞作用外，能 量純屬是浪費(fèi)。3）滲透性變化 在很大夯擊能作用下，地基土體中出現(xiàn)沖擊波和動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)所出現(xiàn)的 超孔隙水壓力大于顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，致使土顆粒間出現(xiàn)裂隙，形成排水通道。此時(shí)， 土的滲透系數(shù)驟增，孔隙水得以順利排出。在有規(guī)則網(wǎng)格布置夯點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，通過積聚的夯 擊能量，在夯坑四周會(huì)形成有規(guī)則的垂直裂縫，夯坑附近出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。當(dāng)孔隙水壓力消散到小于顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，裂隙即自行閉合，土中水的運(yùn)動(dòng)重新 又恢復(fù)常態(tài)。國(guó)外資料報(bào)道，夯擊時(shí)出現(xiàn)的沖擊波，將土顆粒間吸附水轉(zhuǎn)化成為自由水， 因而促進(jìn)了毛細(xì)管通道橫斷面的增大。4）觸

7、變恢復(fù) 在重復(fù)夯擊作用下，土體的強(qiáng)度逐漸減低，當(dāng)土體出現(xiàn)液化或接近液化 時(shí)，使土的強(qiáng)度達(dá)到最低值。此時(shí)土體產(chǎn)生裂隙，而土中吸附水部分變成自由水，隨著孔 隙水壓力的消散，土的抗剪強(qiáng)度和變形模量都有了大幅度的增長(zhǎng)。這時(shí)自由水重新被土顆 粒所吸附而變成了吸附水，這也是具有觸變性土的特性。鑒于以上強(qiáng)夯法加固的機(jī)理，Menard對(duì)強(qiáng)夯中出現(xiàn)的現(xiàn)象，又提出了一個(gè)新的彈簧活塞模型，對(duì)動(dòng)力固結(jié)的機(jī)理作了解釋。靜力固結(jié)理論與動(dòng)力固結(jié)理論的模型間區(qū)別主要表現(xiàn)為以下四個(gè)主要特性，見表4.2.3-1 。表 4.2.3-1靜力固結(jié)和動(dòng)力固結(jié)理論對(duì)比靜力固結(jié)理論（圖4.2.3-1a）不可壓縮的液體固結(jié)時(shí)液體排出所通過的小

8、孔，其孔徑是不變的彈簧剛度是常數(shù)活塞無摩阻力動(dòng)力固結(jié)理論（圖4.2.3-1b）含有少量氣泡的可壓縮液體固結(jié)時(shí)液體排出所通過的小孔，其孔徑是變化的彈簧剛度為變數(shù)活塞有摩阻力（3）動(dòng)力置換動(dòng)力置換可分為整式置換和樁式置換。整式置換是采用強(qiáng)夯將碎石整體擠入淤泥中，其作用機(jī)理類似于換土墊層。樁式置換是通過強(qiáng)夯將碎石填筑土體中，部分碎石樁（或墩）間隔地夯入軟土中，形成樁式 （或墩式）的碎石墩（或樁）。其作用機(jī)理類似于振沖法等形成 的碎石樁，它主要是靠碎石內(nèi)摩擦角和墩間土的側(cè)限來維持樁體的平衡，并與墩間土起復(fù) 合地基的作用。2、強(qiáng)夯法的設(shè)計(jì)（1）有效加固深度有效加固深度既是選擇地基處理方法的重要依據(jù)，又是

9、反映處理效果的重要參數(shù)。一般可按下列公式估算有效加固深度，或按表 4.2.3-2預(yù)估：H , M h（4.2.3-1）式中 有效加固深度（m）;夯錘重；落距（m）;系數(shù)，須根據(jù)所處理地基土的性質(zhì)而定，對(duì)軟土可取0.5,對(duì)黃土可取0.340.5。表4.2.3-2強(qiáng)夯的有效加固深度（m）單擊分擊能/kNm伸后土、砂土 等粗顆粒土粉土、粘性土、濕陷性黃土 等細(xì)顆粒土10005.0 -6.04.0 -5.020006.0 -7.05.0 -6.030007.0 -8.06.0 -7.040008.0 -9.07.0 -8.050009.0 -9.58.0 -8.560009.510.08.5 -9.0

10、800010.0 -10.59.0 -9.5注：強(qiáng)夯的有效加固深度應(yīng)從最初起夯面算起。（2）夯錘和落距單擊夯擊能為夯錘重與落距 的乘積。一般說夯擊時(shí)最好錘重和落距大，則單擊能量大，夯擊擊數(shù)少，夯擊遍數(shù)也相應(yīng)減少，加固效果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)較好。整個(gè)加固場(chǎng)地的總 夯擊能量（即錘重X落距X總夯擊數(shù) ）除以加固面積稱為單位夯擊能。強(qiáng)夯的單位夯擊能應(yīng) 根據(jù)地基土類別、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和要求處理的深度等綜合考慮，并可通過試驗(yàn)確定。在一般情況下，對(duì)粗顆粒土可取 10003000kN m/nf,對(duì)細(xì)顆粒土可取 15004000kN皿/才。但對(duì)飽和粘性土所需的能量不能一次施加，否則土體會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擠出，強(qiáng)度反而有所

11、降低，且難于恢復(fù)。根據(jù)需要可分幾遍施加，兩遍間可間歇一段時(shí)間，這樣可逐步增加土 的強(qiáng)度，改善土的壓縮性。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)需要加固的深度初步確定采用的單擊夯擊能，然后再根據(jù)機(jī)具條件因 地制宜地確定錘重和落距。一般國(guó)內(nèi)夯錘可取1025t。夯錘材質(zhì)最好用鑄鋼，也可用鋼板為外殼內(nèi)灌混凝土的錘。 夯錘的平面一般為圓形，夯錘中設(shè)置若干個(gè)上下貫通的氣孔，孔徑可取250300mm它可減小起吊夯錘時(shí)的吸力 （在上海金山石油化工廠的試驗(yàn)工程中測(cè)出，夯錘的吸力達(dá)三倍錘 重）；又可減少夯錘著地前的瞬時(shí)氣墊的上托力。錘底面積宜按土的性質(zhì)確定，錘底靜壓力 值可取2540kPa,對(duì)砂性土和碎石填土， 一般錘底面積為 24品；

12、對(duì)一般第四紀(jì)粘性土建 議用34宿；對(duì)于淤泥質(zhì)土建議采用46n2;對(duì)于黃土建議采用 4.55.5m?。同時(shí)應(yīng)控制夯錘的高寬比，以防止產(chǎn)生偏錘現(xiàn)象，如黃土，高寬比可采用1:2.51:2.8。夯錘確定后，根據(jù)要求的單點(diǎn)夯擊能量，就能確定夯錘的落距。國(guó)內(nèi)通常采用的落距 是825m對(duì)相同的夯擊能量，常選用大落距的施工方案，這是因?yàn)樵龃舐渚嗫色@得較大 的接地速度，能將大部分能量有效地傳到地下深處，增加深層夯實(shí)效果，減少消耗在地表 土層塑性變形的能量。（3）夯擊點(diǎn)布置及間距1）夯擊點(diǎn)布置夯擊點(diǎn)布置一般為三角形或正方形。強(qiáng)夯處理范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍，具體的放大范圍，可根據(jù)建筑物類型和重要性等因素考慮決定。

13、對(duì)一般建筑物，每 邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為設(shè)計(jì)處理深度的1/22/3 ,并不宜小于3s2）夯擊點(diǎn)間距夯擊點(diǎn)間距（夯距）的確定，一般根據(jù)地基土的性質(zhì)和要求處理的深度而定。第一遍夯擊點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2.53.5倍，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間，以后各遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小。以保證使夯擊能量傳遞到深處和保護(hù)夯坑周圍所產(chǎn) 生的輻射向裂隙為基本原則。（4）夯擊擊數(shù)與遍數(shù)1)夯擊擊數(shù) 每遍每夯點(diǎn)的夯擊擊數(shù)應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊擊數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線 確定，且應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：a.最后兩擊的夯沉量不宜大于下列數(shù)值：當(dāng)單擊夯擊能小于4000kN - m時(shí)為50mm當(dāng)單擊夯擊能為 40006000kN-

14、m時(shí)為100mm當(dāng)單擊夯擊能大于 6000kN m時(shí)為200mmb.夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大隆起；c.不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難?？傊骱粨酎c(diǎn)的夯擊數(shù)，應(yīng)使土體豎向壓縮最大，而側(cè)向位移最小為原則，一般為 410擊。2)夯擊遍數(shù) 夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)和平均夯擊能確定?？刹捎命c(diǎn)夯23遍，對(duì)于滲透性較差的細(xì)顆粒土，必要時(shí)夯擊遍數(shù)可適當(dāng)增加。最后再以低能量滿夯2遍，滿夯可采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印彼此搭接。(5)墊層鋪設(shè)強(qiáng)夯前要求擬加固的場(chǎng)地必需具有一層稍硬的表層，使其能支承起重設(shè)備；并便于對(duì) 所施工的“夯擊能”得到擴(kuò)散；同時(shí)也可加大地下水位與地表面的距離，因此有時(shí)必需鋪 設(shè)墊層。對(duì)場(chǎng)地

15、地下水位在 -2m深度以下的砂礫石土層，可直接施行強(qiáng)夯，無需鋪設(shè)墊層； 對(duì)地下水位較高的飽和粘性土與易液化流動(dòng)的飽和砂土，都需要鋪設(shè)砂、砂礫或碎石墊層 才能進(jìn)行強(qiáng)夯，否則土體會(huì)發(fā)生流動(dòng)。墊層厚度隨場(chǎng)地的土質(zhì)條件、夯錘重量及其形狀等 條件而定。當(dāng)場(chǎng)地土質(zhì)條件好，夯錘小或形狀構(gòu)造合理，起吊時(shí)吸力小者，也可減少墊層 厚度。墊層厚度一般為 0.52.0m。鋪設(shè)的墊層不能含有粘土。(6)間歇時(shí)間各遍間的間歇時(shí)間取決于加固土層中孔隙水壓力消散所需要的時(shí)間。對(duì)砂性土，孔隙水壓力的峰值出現(xiàn)在夯完后的瞬間，消散時(shí)間只有24min,故對(duì)滲透性較大的砂性土，兩遍夯間的間歇時(shí)間很短，亦即可連續(xù)夯擊。對(duì)粘性土，由于孔隙

16、水壓力消散較慢，故當(dāng)夯 擊能逐漸增加時(shí)，孔隙水壓力亦相應(yīng)地疊加，其間歇時(shí)間取決于孔隙水壓力的消散情況， 一般為34周。目前國(guó)內(nèi)有的工程對(duì)粘性土地基的現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)了袋裝砂井(或塑料排水帶)，以便加速孔隙水壓力的消散，縮短間歇時(shí)間。有時(shí)根據(jù)施工流水順序先后，兩遍間也能達(dá) 到連續(xù)夯擊的目的。(7)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試1 .地面及深層變形地面變形研究的目的是：1) 了解地表隆起的影響范圍及墊層的密實(shí)度變化；2)研究夯擊能與夯沉量的關(guān)系，用以確定單點(diǎn)最佳夯擊能量；3)確定場(chǎng)地平均沉降和搭夯的沉降量，用以研究強(qiáng)夯的加固效果。變形研究的手段是：地面沉降觀測(cè)、深層沉降觀測(cè)和水平位移觀測(cè)。地面變形的測(cè)試是對(duì)夯擊后土體變形的研究

17、。每當(dāng)夯擊一次應(yīng)及時(shí)測(cè)量夯擊坑及其周 圍的沉降量、隆起量和擠出量。2 .孔隙水壓力一般可在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)沿夯擊點(diǎn)等距離的不同深度以及等深度的不同距離埋設(shè)雙管封閉式孔隙水壓力儀或鋼弦式孔隙水壓力儀，在夯擊作用下，進(jìn)行對(duì)孔隙水壓力 沿深度和水平距離的增長(zhǎng)和消散的分布規(guī)律研究。從而確定兩個(gè)夯擊點(diǎn)間的夯距、夯擊的 影響范圍、間歇時(shí)間以及飽和夯擊能等參數(shù)。3 .側(cè)向擠壓力將帶有鋼弦式土壓力盒的鋼板樁埋入土中后，在強(qiáng)夯加固前，各土壓力盒沿深度分布的土壓力的規(guī)律，應(yīng)與靜止土壓力相近似。在夯擊作用下，可測(cè)試每夯擊 一次的壓力增量沿深度的分布規(guī)律。4.振動(dòng)加速度通過測(cè)試地面振動(dòng)加速度可以了解強(qiáng)夯振動(dòng)的影響范圍。通常將

18、地表的最大振動(dòng)加速度為 0.98m/s 2處（即認(rèn)為是相當(dāng)于七度地震設(shè)計(jì)烈度）作為設(shè)計(jì)時(shí)振動(dòng)影響安全距離。但由于強(qiáng)夯振動(dòng)的周期比地震短得多，強(qiáng)夯產(chǎn)生振動(dòng)作用的范圍也遠(yuǎn)小于地震 的作用范圍，所以強(qiáng)夯施工時(shí)，對(duì)附近已有建筑物和施工的建筑物的影響肯定要比地震的 影響為小。為了減少?gòu)?qiáng)夯振動(dòng)的影響，常在夯區(qū)周圍設(shè)置隔振溝。3、強(qiáng)夯置換法的設(shè)計(jì)強(qiáng)夯置換法的設(shè)計(jì)內(nèi)容與強(qiáng)夯法基本相同，也包括：起重設(shè)備和夯錘的確定、夯擊范 圍和夯擊點(diǎn)布置、夯擊擊數(shù)和夯擊遍數(shù)、間歇時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等。強(qiáng)夯置換墩的深度由土質(zhì)條件決定，除厚層飽和粉土外，應(yīng)穿透軟土層，到達(dá)較硬土 層上。深度不宜超過 7s墩體材料可采用級(jí)配良好的塊石、碎

19、石、礦渣、建筑垃圾等堅(jiān)硬 粗顆粒材料，粒徑大于 300mm的顆粒含量不宜超過全重的30%。強(qiáng)夯置換錘底靜接地壓力值可取100200kPa。夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試夯確定，且應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：1墩底穿透軟弱土層，且達(dá)到設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)；2累計(jì)夯沉量為設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)的 1.52.0倍；3最后兩擊的平均夯沉量應(yīng)滿足強(qiáng)夯法的規(guī)定。墩間距應(yīng)根據(jù)荷載大小和原土的承載力選定，當(dāng)滿堂布置時(shí)可取夯錘直徑的23倍。對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)可取夯錘直徑的1.52.0倍。墩的計(jì)算直徑可取夯錘直徑的1.11.2倍。墩頂應(yīng)鋪設(shè)一層厚度不小于 500mm的壓實(shí)墊層，墊層材料可與墩體相同，粒徑不宜大 于 100mm。確定軟粘性土中強(qiáng)夯置換

20、墩地基承載力特征值時(shí)，可只考慮墩體，不考慮墩間土的作 用，其承載力應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)單墩載荷試驗(yàn)確定，對(duì)飽和粉土地基可按復(fù)合地基考慮，其承載 力可通過現(xiàn)場(chǎng)單墩復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定。4、施工方法西歐國(guó)家所用的起重設(shè)備大多為大噸位的履帶式起重機(jī)，穩(wěn)定性好，行走方便；最近 日本采用輪胎式起重機(jī)進(jìn)行強(qiáng)夯作業(yè)，亦取得了滿意結(jié)果；國(guó)外除使用現(xiàn)成的履帶吊外， 還制造了常用的三足架和輪胎式強(qiáng)夯機(jī)，用于起吊40t夯錘，落距可達(dá)40m,國(guó)外所用履帶吊都是大噸位的吊機(jī)，通常在100t以上。由于100t吊機(jī)，其卷揚(yáng)機(jī)能力只有 20t左右，如果夯擊工藝采用單纜錘擊法，則100t的吊機(jī)最大只能起吊 20t的夯錘。我國(guó)絕大多數(shù)強(qiáng)夯工程只具備小噸位起重機(jī)的施工條件，所以只能使用滑輪組起吊夯錘，利用自動(dòng)脫鉤的 裝置，使錘形成自由落體。拉動(dòng)脫鉤器的鋼絲繩，其