岩土工程 地基处理 强夯和强夯置换

3强夯和强夯置换深层密实是指采用爆破、夯击、挤压和振动等方法，对松软地基土进行振密和挤密。与浅层加固方法的不同点在于：施工机具不同，深度范围不同。强夯技术DynamicCompaction3.1概述●强夯法在国际上称动力压实法或动力固结法。●强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般8—30t的重锤(最重可达200t)和8—20m的落距(最高可达40m)，对地基土施加很大的冲击能，一般能量为500—8000kN.m。在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。●强夯置换（或动力置换、强夯挤淤）强夯法具有以下特点：●1）适用各类土层适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软-流塑的黏性土等地基土对变形控制不严的工程。●2）应用范围广泛工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。●3）经济效果明显●4）有效加固深度大●5）施工机具简单，且施工快捷●6）工程造价低3.2加固机理●国内外还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法。●宏观机理和微观机理●波的传播●目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换。取决于地基土的类别和强夯施工工艺。加固机理一、动力密实●采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。Dynamiccompaction●非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。a前数击加固区正扩大b加固区形成c加固区形成后，等速下沉，加固区下移在夯击动应力的作用下，不同位置的土体处于不同的状态，大致可分为四个区域：A区为主压实区；B区为次压实区；C区为隆起区；D区为未加固区夯坑在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6—1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2—3倍。AbuDhabiCorniche(UnitedArabEmirates)动力密实的应用范围动力密实的应用范围肇庆—花都—博罗输变电工程花都站土石方强夯施工动力密实的应用动力密实的应用水下地基加固动应力等值线干密度等值线●强夯挤密过程中地基土中动应力及干密度随着深度和水平距离的增加而减小，且具有明显的向水平向扩展的趋势，侧向挤密作用非常明显。夯坑沉降和周围地面隆起强夯过程中，随着夯击次数的增加，夯坑深度加大，夯坑周围底面产生不同程度的隆起。当平均隆起量小于沉降量时，存在动力挤密作用。●最佳夯击能：沉降量与隆起量相当时，动力挤密作用不明显，此时对应的夯击能量。二、动力固结用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。Dynamicconsolidation1）饱和土的压缩性；2）产生液化；3）渗透性变化；4）触变恢复Menard认为：饱和土是可压缩的新机理。强夯时动力固结主要表现四点：●1)饱和土的压缩性Menard教授认为，由于土中有机物的分解，第四纪土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体，其含气量大约在1%～4%范围内，进行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水压力就减少。这样每夯击一遍，液相气体和气相气体都有所减少。根据实验，每夯击一遍，气体体积可减少40%。●2)局部产生液化在重复夯击作用下，施加在土体的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。因此，土体的沉降量与夯击能成正比。当气体按体积百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。孔隙水压力与液化压力之比称为液化度，而液化压力即为覆盖压力。当液化度为100%时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为“饱和能”。此时，吸附水变成自由水，土的强度下降到最小值。一旦达到“饱和能”而继续施加能量时，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。●3)渗透性变化在很大夯击能作用下，地基土体中出现冲击波和动应力。当所出现的超孔隙水压力大于颗粒间的侧向压力时，致使土颗粒间出现裂隙，形成排水通道。此时，土的渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出。在有规则网格布置夯点的现场，通过积聚的夯击能量，在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合，土中水的运动重新又恢复常态。国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土颗粒间吸附水转化成为自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。●4)触变恢复在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，使土的强度达到最低值。此时土体产生裂隙，而土中吸附水部分变成自由水，随着孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水，这也是具有触变性土的特性。产生液化夯击一遍的情况●孔隙水压力与液化压力之比称为液化度，而液化压力即为覆盖压力。当液化度为100%时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为“饱和能”。此时，吸附水变成自由水，土的强度下降到最小值。一旦达到“饱和能”而继续施加能量时，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。产生液化夯击一遍的情况夯击三遍的情况●夯击三遍的情况。每夯击一遍，体积变化有所减少，而地基承载力有所增长，但体积变化和承载力的提高，并不是遵照夯击能的线性增加的。由于土体产生裂隙或趋于液化，引起渗透性增大。渗透性变化在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象静力固结理论与动力固结理论的模型比较a）静力固结理论模型；b）动力固结理论的模型●Menard根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同看法，认为饱和土是可压缩的新机理。弹簧活塞模型静力固结和动力固结理论对比表静力固结理论动力固结理论①不可压缩的液体②固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的③弹簧刚度是常数④活塞无摩阻力①含有少量气泡的可压缩液体②固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的③弹簧刚度为变数④活塞有摩阻力青岛港8号码头强夯工程青岛港8号码头强夯工程动力置换类型整式置换桩式置换三、动力置换Dynamicreplacement动力置换可分为整式置换和桩式置换。整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩(或墩)间隔地夯入软土中，形成桩式(或墩式)的碎石墩(或桩)。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它主要是靠碎石内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与桩间土起复合地基的作用。桩式置换动力置换(Railwaytrack,Malaysia)整式置换动力置换ALEXANDRIACITYCENTER(Shoppingcenter-Egypt)桩式置换动力置换的应用范围动力置换的应用范围3.3设计计算3.3.1强化法设计要点一、有效加固深度H——有效加固深度(m)M——夯锤重(t)h——落距(m)α——系数有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数。一般可按下列公式估算有效加固深度，或按表预估：一般可理解为：经强夯加固后，该土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围。●《建筑地基处理技术规范》中规定：强夯法的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。●缺少试验资料或经验是可按下表确定。二、夯击能量的确定---夯锤和落距●单击夯击能为夯锤重M与落距h的乘积。一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大，夯击击数少，夯击遍数也相应减少，加固效果和技术经济较好。整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。锤重应根据有效加固深度选用。●夯锤重量●夯锤平面：圆形和带有气孔的锤较好●锤底面积：宜按土的性质确定●夯锤的高宽比：控制高宽比以防产生偏锤现象●夯锤材料●夯锤的落距：8-25m三、夯击点布置及间距●1)夯击点布置：夯击点布置一般为三角形或正方形。工业厂房可根据柱网来布置夯击点。强夯处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。●2)夯击点间距夯击点间距(夯距)的确定，一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.5～3.5倍，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可适当减小。以保证使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则。夯距通常为3—12m加固宽度计算图间隔夯比连夯好，间隔夯对深层加固有利夯击点布置及夯击次序ThermalK-12EducationalPark,CoachellaValleyCalifornia(US)美国加州某工程夯点布置（正方形）NICEAIRPORT(France)AbuDhabiCorniche(UnitedArabEmirates)四、夯击击数与遍数●1.夯击击数每遍每夯点的夯击击数应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件：a.最后两击的夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能小于4000kN·m时为50mm；当单击夯击能为4000～6000kN·m时为100mm；当单击夯击能大于6000kN·m时为200mm；b.夯坑周围地面不应发生过大隆起；c.不因夯坑过深而发生起锤困难。总之，各夯击点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为4～10击。●整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。●间歇时间最佳夯击能在夯击能作用下，地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力这样的夯击能称为最佳夯击能。●2）粘性土最佳夯击能的确定方法：孔压叠加，用有效加固深度。●1）砂性土最佳夯击能的确定方法：绘制孔隙水压力增量与夯击击数(夯击能)的关系曲线来确定最佳夯击能。当孔隙水压力增量随着夯击击数(夯击能)增加而逐渐趋于恒定时，可认为该种砂土所能接受的能量已达到饱和状态，此能量即为最佳夯击能。夯击击数与遍数●2.夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质和平均夯击能确定。可采用点夯2～3遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能量满夯一遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印彼此搭接。分遍夯的好处：a.大的间距可避免强夯过程中浅层硬壳层的形成。b.对饱和细粒土c.对饱和粗粒土满夯五、垫层铺设强夯前要求拟加固的场地必需具有一层稍硬的表层，使其能支承起重设备；并便于对所施工的“夯击能”得到扩散；同时也可加大地下水位与地表面的距离，因此有时必需铺设垫层。对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石土层，可直接施行强夯，无需铺设垫层；对地下水位较高的饱和粘性土与易液化流动的饱和砂土，都需要铺设砂、砂砾或碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动。垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及其形状等条件而定。当场地土质条件好，夯锤小或形状构造合理，起吊时吸力小者，也可减少垫层厚度。垫层厚度一般为0.5～1.5m。铺设的垫层不能含有粘土。处理饱和砂土和软土，坑底易涌土涌砂，故垫层材料不宜用砂。六、两遍夯击间歇时间●各遍间的间歇时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。●对砂性土，孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间，消散时间只有2～4min，故对渗透性较大的砂性土，两遍夯间的间歇时间很