地基處理講義-3強夯

1、4.2.3 強夯法和強夯置換法強夯是法國Menard技術公司于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)的沖擊波和動應力，可提高地基土的強度、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，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。強夯置換法是采用在夯坑內回填塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘夯擊形成連續(xù)的強夯置換墩。具有加固效果顯著、施工工期短和施工費用低等優(yōu)點。當前，應用強夯法和強夯置換法處理的工程范圍極為廣泛，有工業(yè)與民用建筑、倉庫、油罐、儲倉、公路和鐵路路基、飛機場跑道及碼

2、頭等?？傊瑥姾环ㄔ谀撤N程度上比機械的、化學的和其它力學的加固方法更為廣泛和有效。強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變形控制要求不嚴的工程，同時應在設計前通過現(xiàn)場試驗確定其適用性和處理效果。工程實踐表明，強夯法具有施工簡單、加固效果好、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，因而被世界各國工程界所重視。對各類土強夯處理都取得了十分良好的技術經(jīng)濟效果。但對飽和軟土的加固效果，必須給予排水的出路。為此，強夯法加袋裝砂井(或塑料排水帶)是一個在軟粘土地基上進行綜合處理的加固途徑。1、加固機理強夯法是利用強大的夯擊

3、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，夯錘對上部土體進行沖切，土體結構破壞，形成夯坑，并對周圍土進行動力擠壓目前，強夯法加固地基有三種不同的加固機理：動力密實、動力固結和動力置換，它取決于地基土的類別和強夯施工工藝。(1)動力密實采用強夯加固多孔隙、粗顆粒、非飽和土是基于動力密實的機理，即用沖擊型動力荷載，使土體中的孔隙減小，土體變得密實，從而提高地基土強度。非飽和土的夯實過程，就是土中的氣相(空氣)被擠出的過程，其夯實變形主要是由于土顆粒的相對位移引起。實際工程表明，在沖擊動能作用下，地面會立即產(chǎn)生沉降，一般夯擊一遍后，其夯坑深度可達0.61.0m，夯坑底部形成一層超壓密硬

4、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，在加固深度范圍內氣相體積大大減少，最大可減少60%。(2)動力固結用強夯法處理細顆粒飽和土時，則是借助于動力固結的理論，即巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生很大的應力波，破壞了土體原有的結構，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。由于軟土的觸變性，強度得到提高。動力固結理論可概述為：1)飽和土的壓縮性Menard教授認為，由于土中有機物的分解，第四紀土中大多數(shù)都含有以微氣泡形式出現(xiàn)的氣體，其含氣量大約在1%4%范圍內，進行強夯

5、時，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，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)實驗，每夯擊一遍，氣體體積可減少40%。2)局部產(chǎn)生液化在重復夯擊作用下，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。當氣體按體積百分比接近零時，土體便變成不可壓縮的。相應于孔隙水壓力上升到覆蓋壓力相等的能量級，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。當液化度為100%時，亦即為土體產(chǎn)生液化的臨界狀態(tài)，而該能量級稱為“飽和能”。此時， 吸附水變成自由水，土的強度下降到最小值。一旦達到“飽和

6、能”而繼續(xù)施加能量時，除了使土起重塑的破壞作用外，能量純屬是浪費。3)滲透性變化在很大夯擊能作用下，地基土體中出現(xiàn)沖擊波和動應力。當所出現(xiàn)的超孔隙水壓力大于顆粒間的側向壓力時，致使土顆粒間出現(xiàn)裂隙，形成排水通道。此時，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)格布置夯點的現(xiàn)場，通過積聚的夯擊能量，在夯坑四周會形成有規(guī)則的垂直裂縫，夯坑附近出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。當孔隙水壓力消散到小于顆粒間的側向壓力時，裂隙即自行閉合，土中水的運動重新又恢復常態(tài)。國外資料報道，夯擊時出現(xiàn)的沖擊波，將土顆粒間吸附水轉化成為自由水，因而促進了毛細管通道橫斷面的增大。4)觸變恢復在重復夯擊作用下，土體的強度逐漸減低，當土

7、體出現(xiàn)液化或接近液化時，使土的強度達到最低值。此時土體產(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，土的抗剪強度和變形模量都有了大幅度的增長。這時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。鑒于以上強夯法加固的機理，Menard對強夯中出現(xiàn)的現(xiàn)象，又提出了一個新的彈簧活塞模型，對動力固結的機理作了解釋。靜力固結理論與動力固結理論的模型間區(qū)別主要表現(xiàn)為以下四個主要特性，見表4.2.3-1。表4.2.3-1 靜力固結和動力固結理論對比靜力固結理論(圖4.2.3-1a)動力固結理論(圖4.2.3-1b)不可壓縮的液體固結時液體排出所通過的小孔，其孔徑是不變的彈簧剛

8、度是常數(shù)活塞無摩阻力含有少量氣泡的可壓縮液體固結時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)動力置換動力置換可分為整式置換和樁式置換。整式置換是采用強夯將碎石整體擠入淤泥中，其作用機理類似于換土墊層。樁式置換是通過強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)。其作用機理類似于振沖法等形成的碎石樁，它主要是靠碎石內摩擦角和墩間土的側限來維持樁體的平衡，并與墩間土起復合地基的作用。2、強夯法的設計(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

9、4.2.3-2預估： (4.2.3-1)式中 有效加固深度(m)；夯錘重(t)；落距(m)； 系數(shù)，須根據(jù)所處理地基土的性質而定，對軟土可取0.5，對黃土可取0.34 0.5。表4.2.3-2 強夯的有效加固深度(m)單擊夯擊能/kN·m碎石土、砂土等粗顆粒土粉土、粘性土、濕陷性黃土等細顆粒土10005.06.04.05.020006.07.05.06.030007.08.06.07.040008.09.07.08.050009.09.58.08.560009.510.08.59.0800010.010.59.09.5 注：強夯的有效加固深度應從最初起夯面算起。(2)夯錘和落距單擊夯

10、擊能為夯錘重與落距的乘積。一般說夯擊時最好錘重和落距大，則單擊能量大, 夯擊擊數(shù)少, 夯擊遍數(shù)也相應減少, 加固效果和技術經(jīng)濟較好。整個加固場地的總夯擊能量(即錘重×落距×總夯擊數(shù))除以加固面積稱為單位夯擊能。強夯的單位夯擊能應根據(jù)地基土類別、結構類型、荷載大小和要求處理的深度等綜合考慮，并可通過試驗確定。在一般情況下，對粗顆粒土可取10003000kN·m/m2， 對細顆粒土可取15004000kN·m/m2。但對飽和粘性土所需的能量不能一次施加，否則土體會產(chǎn)生側向擠出，強度反而有所降低，且難于恢復。根據(jù)需要可分幾遍施加，兩遍間可間歇一段時間，這樣可逐

11、步增加土的強度，改善土的壓縮性。 在設計中，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)機具條件因地制宜地確定錘重和落距。一般國內夯錘可取1025t。夯錘材質最好用鑄鋼，也可用鋼板為外殼內灌混凝土的錘。夯錘的平面一般為圓形，夯錘中設置若干個上下貫通的氣孔，孔徑可取250300mm，它可減小起吊夯錘時的吸力(在上海金山石油化工廠的試驗工程中測出，夯錘的吸力達三倍錘重)；又可減少夯錘著地前的瞬時氣墊的上托力。錘底面積宜按土的性質確定，錘底靜壓力值可取2540kPa，對砂性土和碎石填土，一般錘底面積為24m2；對一般第四紀粘性土建議用34m2；對于淤泥質土建議采用46m2；對于黃土建議采用

12、4.55.5m2。同時應控制夯錘的高寬比，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)要求的單點夯擊能量，就能確定夯錘的落距。國內通常采用的落距是825m。對相同的夯擊能量，常選用大落距的施工方案，這是因為增大落距可獲得較大的接地速度，能將大部分能量有效地傳到地下深處，增加深層夯實效果，減少消耗在地表土層塑性變形的能量。(3)夯擊點布置及間距 1)夯擊點布置夯擊點布置一般為三角形或正方形。強夯處理范圍應大于建筑物基礎范圍，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。對一般建筑物，每邊超出基礎外緣的寬度宜為設計處理深度的1/22/3，并不宜小于3m。

13、2)夯擊點間距夯擊點間距(夯距)的確定，一般根據(jù)地基土的性質和要求處理的深度而定。第一遍夯擊點間距可取夯錘直徑的2.53.5倍，第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，以后各遍夯擊點間距可適當減小。以保證使夯擊能量傳遞到深處和保護夯坑周圍所產(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)每遍每夯點的夯擊擊數(shù)應按現(xiàn)場試夯得到的夯擊擊數(shù)和夯沉量關系曲線確定，且應同時滿足下列條件：a. 最后兩擊的夯沉量不宜大于下列數(shù)值：當單擊夯擊能小于4000kN·m時為50mm；當單擊夯擊能為40006000kN·m時為100mm；當單擊夯擊能大于6000kN·m時為200mm

14、；b.夯坑周圍地面不應發(fā)生過大隆起；c.不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。 總之，各夯擊點的夯擊數(shù)，應使土體豎向壓縮最大，而側向位移最小為原則，一般為410擊。2)夯擊遍數(shù)夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質和平均夯擊能確定?？刹捎命c夯23遍，對于滲透性較差的細顆粒土，必要時夯擊遍數(shù)可適當增加。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)墊層鋪設強夯前要求擬加固的場地必需具有一層稍硬的表層，使其能支承起重設備；并便于對所施工的“夯擊能”得到擴散；同時也可加大地下水位與地表面的距離，因此有時必需鋪設墊層。對場地地下水位在-2m深度以下的砂礫石土層，可直接施行強夯，無需鋪設墊層；

15、對地下水位較高的飽和粘性土與易液化流動的飽和砂土，都需要鋪設砂、砂礫或碎石墊層才能進行強夯，否則土體會發(fā)生流動。墊層厚度隨場地的土質條件、夯錘重量及其形狀等條件而定。當場地土質條件好，夯錘小或形狀構造合理，起吊時吸力小者，也可減少墊層厚度。墊層厚度一般為0.52.0m。鋪設的墊層不能含有粘土。(6)間歇時間各遍間的間歇時間取決于加固土層中孔隙水壓力消散所需要的時間。對砂性土，孔隙水壓力的峰值出現(xiàn)在夯完后的瞬間，消散時間只有24min，故對滲透性較大的砂性土， 兩遍夯間的間歇時間很短，亦即可連續(xù)夯擊。對粘性土，由于孔隙水壓力消散較慢，故當夯擊能逐漸增加時，孔隙水壓力亦相應地疊加，其間歇時間取決于

16、孔隙水壓力的消散情況，一般為34周。目前國內有的工程對粘性土地基的現(xiàn)場埋設了袋裝砂井(或塑料排水帶)，以便加速孔隙水壓力的消散，縮短間歇時間。有時根據(jù)施工流水順序先后，兩遍間也能達到連續(xù)夯擊的目的。(7)現(xiàn)場測試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度變化；2) 研究夯擊能與夯沉量的關系，用以確定單點最佳夯擊能量；3) 確定場地平均沉降和搭夯的沉降量，用以研究強夯的加固效果。變形研究的手段是：地面沉降觀測、深層沉降觀測和水平位移觀測。地面變形的測試是對夯擊后土體變形的研究。每當夯擊一次應及時測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

17、般可在試驗現(xiàn)場沿夯擊點等距離的不同深度以及等深度的不同距離埋設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，進行對孔隙水壓力沿深度和水平距離的增長和消散的分布規(guī)律研究。從而確定兩個夯擊點間的夯距、夯擊的影響范圍、間歇時間以及飽和夯擊能等參數(shù)。3.側向擠壓力 將帶有鋼弦式土壓力盒的鋼板樁埋入土中后，在強夯加固前，各土壓力盒沿深度分布的土壓力的規(guī)律，應與靜止土壓力相近似。在夯擊作用下，可測試每夯擊一次的壓力增量沿深度的分布規(guī)律。4.振動加速度通過測試地面振動加速度可以了解強夯振動的影響范圍。通常將地表的最大振動加速度為0.98m/s2處(即認為是相當于七度地震設計烈度)作為設計時振動影

18、響安全距離。但由于強夯振動的周期比地震短得多，強夯產(chǎn)生振動作用的范圍也遠小于地震的作用范圍，所以強夯施工時，對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。為了減少強夯振動的影響，常在夯區(qū)周圍設置隔振溝。3、強夯置換法的設計強夯置換法的設計內容與強夯法基本相同，也包括：起重設備和夯錘的確定、夯擊范圍和夯擊點布置、夯擊擊數(shù)和夯擊遍數(shù)、間歇時間和現(xiàn)場測試等。強夯置換墩的深度由土質條件決定，除厚層飽和粉土外，應穿透軟土層，到達較硬土層上。深度不宜超過7m。墩體材料可采用級配良好的塊石、碎石、礦渣、建筑垃圾等堅硬粗顆粒材料，粒徑大于300mm的顆粒含量不宜超過全重的30。強夯置換錘底靜接地

19、壓力值可取100200kPa。夯點的夯擊次數(shù)應通過現(xiàn)場試夯確定，且應同時滿足下列條件： 1墩底穿透軟弱土層，且達到設計墩長； 2累計夯沉量為設計墩長的1.52.0倍； 3最后兩擊的平均夯沉量應滿足強夯法的規(guī)定。墩間距應根據(jù)荷載大小和原土的承載力選定，當滿堂布置時可取夯錘直徑的23倍。對獨立基礎或條形基礎可取夯錘直徑的1.52.0倍。墩的計算直徑可取夯錘直徑的1.11.2倍。墩頂應鋪設一層厚度不小于500mm的壓實墊層，墊層材料可與墩體相同，粒徑不宜大于100mm。確定軟粘性土中強夯置換墩地基承載力特征值時，可只考慮墩體，不考慮墩間土的作用，其承載力應通過現(xiàn)場單墩載荷試驗確定，對飽和粉土地基可按復合地基考慮，其承載力可通過現(xiàn)場單墩復合地基載荷試驗確定。4、施工方法西歐國家所用的起重設備大多為大噸位的履帶式起重機，穩(wěn)定性好，行走方便；最近日本采用輪胎式起重機進行強夯作業(yè)，亦取得了滿意結果；國外除使用現(xiàn)成的履帶吊外，還制造了常用的三足架和輪胎式強夯機，用于起吊40t夯錘，落距可達40m，國外所用履帶吊都是大噸位的吊機，通常在100t以上。由于100t吊機，其卷揚機能力只有20t左右，如果夯擊工藝采用單纜錘擊法，則100t的吊機最大只能起吊20t的夯錘。我國絕大多數(shù)強夯工程只具備小噸位起重機的施工條件，所以只能使用滑輪組起吊夯錘，利用自動脫鉤的裝置，使錘形成自由落體。拉動脫鉤器的鋼絲繩，