孔内深层强夯法

孔内深层强夯法简介与应用学院：土木建筑工程学院课程：土木工程施工技术指导老师：孔文涛老师学号：2014282100106姓名：唐秋锋日期：2015年4月6日孔内深层强夯法简介与应用摘要：孔内深层强夯法(DDC)技术作为一项新型地基处理技术，近年来在许多地区得到较好应用。本文简要介绍其加固机理和应用，指出其有着其它许多方法不具有的优势，必会有更广阔的应用前景。关键词：孔内深层强夯法，加固机理，应用Abstract:Asanewtypeoffoundationtreatmenttechnology,theDDC(Down-holedynamiccompaction)technologyobtainediswellappliedinmanyregionsinrecentyears.Thispaperbrieflyintroducesthereinforcementmechanismandapplication,pointingoutitsadvantages,anditwillhaveamorebroadapplicationprospects.Keywords:DDC,reinforcementmechanism,application0引言近年来，随着社会的发展，对有限的土地资源的利用更加严峻，高层、超高层建筑蓬勃发展，这就导致许多低层房屋拆除重建问题，旧房拆建必然会导致大量建筑垃圾的产生，进而形成大厚度的杂填土地基，对此地基的要求愈加严格，为了提高地基的承载力和减小沉降，必须要对地基进行处理。合理选择地基处理方法是降低工程造价的重要途径之一。目前杂填土地基主要处理方法包括：强夯法、振冲法、砂石桩法、石灰桩法、灰土挤密法、孔内深层强夯法等，以上几种方法均能有效提高地基承载力和减小地基沉降，是目前广泛采用的地基处理方法。而孔内深层强夯法与其他地基处理方法相比，是一次创造性的变革，它不仅可处理各种疑难地基，而且可将渣土变废为宝，用于地基处理，同时节约钢材水泥，降低工程造价，更重要的是消除了无机固体垃圾对人类社会的污染。孔内深层强夯法始于1994年，当时对此技术还没有进行定义，只是采用简单的重锤，自由落下，夯击成孔成桩，地基处理的深度很小，一般在4m左右，桩体材料大部分为建筑垃圾、生活工业垃圾及灰土，施工器械及施工方法都比较落后，形成的桩体以挤密桩为主。2003年司炳文【1】教授首创孔内深层强夯法专利技术，此技术能大量消耗建筑及工业垃圾，利用各种无机固体废料进行地基加固处理，减少环境污染，变废为宝，同时先进的施工机具和技术也使地基得到了更好的加固。2006年颁布根据中国工程建筑标准化协会地基基础专业委员会颁布了国家行业标准“孔内深层强夯法技术规程”（CECS197：2006）。随着施工机械的不断发展，孔内深层强夯法得到了广泛的应用，先后在深厚杂填土地基、软粘土地基、地震砂土液化地基、深厚湿陷性黄土地基以及埋藏有人防工事的软硬夹层地基等多种复杂地基上采用此技术，均取得了较好的效果，不但加固了地基，满足了上部结构承载力及变形的要求，而且降低了造价，减小了环境污染，是一项带有绿色工程特征的建筑地基处理新技术，值得推广。20世纪晚期，司炳文、徐至钧【2】等人成功的将孔内深层强夯法应用于软粘土地基中，对孔内填料作了进一步的研究，针对软土地基，桩身材料采用了生石灰，利用其物理化学效应，使得软土地基的承载力提高、沉降减小。在上世纪末，孔内深层强夯桩在桩体材料中添加了水泥等胶性材料，使得处理深度变大、处理强度变高。在施工器械和施工工艺上，也取得了较大的进步，由最初的夯击成孔发展为钻孔成孔等新技术，使得成孔方式多样化。综上，孔内填料、施工工艺及施工器具的发展为该地基处理技术提供了更大的市场竞争力，处理范围也变得越来越广，在路基、广场等工程中开始大范围运用。余然、李二伟【3】通过工程实例阐述了孔内深层强夯法与挤密桩在处理湿陷性黄土地基时各自的技术特点，研究表明，孔内深层强夯法较挤密桩处理土层的厚度大；从处理效果上，灰土挤密桩复合地基的承载力特征值一般大于处理前的2.0倍,并不宜大于250kPa，而孔内深层强夯法地基处理后整体刚度均匀，承载力可提高2~9倍，变形模量高，地基变形小，不受地下水影响，对于湿陷性黄土场地上的高层建筑是一个很好的选择。钟平[4]等根据强夯法的作用机理总结了孔内深层强夯法刚性桩的影响因素并给出了其承载力的修正公式。研究表明，影响孔内深层强夯法承载力的因素很多，主要包括：桩端、桩侧的土层性质、桩土相对位移、桩径、桩长、孔壁的粗糙度、桩体刚度、桩端条件施工工艺、锤径等因素。通过实例分析，综合考虑上述因素，给出了承载力修正系数s和p，对于此参数的确定还需要进一步研究，应积累更多的工程资料。张广平[5]等利用现场浸水载荷试验对不同深度DDC桩处理自重湿陷性黄土进行了消除黄土湿陷性效果的研究，试验共进行了三组相同桩间距、不同桩长的浸水载荷试验。试验结果表明，自重湿陷性黄土场地经过DDC工法处理后，浸水试坑中水分入渗十分缓慢；三组处理区域没有发生较大沉降，冻胀作用引起的地表隆起大于承台下降和土体湿陷引起地表沉降；三组不同DDC桩长处理后的地基都能抵抗试验的荷载，从节约成本和现场的工程实际出发，给出了一个合理的桩长和桩间距，为以后的相似工程提供了可靠的参考依据，并为规范的进一步修订提供了大量的数据。陈杰、邱宏[6]在渣土桩处理软弱地基中的应用中对地基处理方案、渣土桩施工工艺以及效果的检验进行了总结。从而得出了采用孔内深层强夯法形成的渣土桩复合地基在处理软弱地基时，其承载力得到了显著提高，且与其他地基方法相比，成本相对较低，同时将旧城改造所拆除的建筑垃圾废物利用，减小了环境污染。所以利用渣土桩处理软弱地基有一定的实用价值，值得推广。1加固机理孔内深层强夯法是在综合了强夯法、钻孔灌注桩、灰土桩、碎石桩等地基处理技术的基础上，吸收其长处，集高动能、强挤密于一体，对软弱土层进行加固处理的方法，其加固机理可以从以下几个方面进行论述。1.1柱锤冲击效应孔内深层强夯法在施工过程中，柱锤自上而下冲击，先由势能转化为动能、继而转化为冲击能，这种短时冲击荷载对地基土的性质影响较大，在地基土中产生较大的冲击波与动应力，使得地基土的孔隙压缩减小。在柱锤冲击点一定范围内会使土体产生裂隙，形成良好的排水通道，使得土体得到固结。柱锤冲击的次数越多，成孔的深度越大，累积的夯击能也就越大,从而达到一定深度范围内的土体密实提高、强度提高、土层均匀程度提高、压缩性降低的目的。孔内深层强夯法的冲击荷载对土体的加固可以从宏观和微观两个方面进行阐述。宏观机理是从各土层的参数变化、土中应力波的分布等方面做出解释；微观机理，则是从土体受冲击力后土颗粒的重分布及土体结构变化的角度进行分析。（1）宏观作用机理：孔内深层强夯法在成孔或成桩过程中一般采用的夯锤形状为尖锤状夯锤或橄榄状夯锤，底面积比强夯法采用的夯锤小的多，在相同质量的前提下，孔内深层强夯法的单位夯击能一般是强夯法的10~20倍。用柱锤冲击地基土时，土体的极限承载力比柱锤冲击应力小得多，故在冲击应力的作用下，土体会产生急剧压缩破坏及冲切破坏，主要体现在桩端土及桩间土被夯实挤密，同时桩间土被冲切破坏。地基土受柱锤冲击力效应[7]如图1所示，其中，sq为柱锤作用在孔壁上侧向切应力；xp为冲孔时侧向挤压力；dp是柱锤冲孔引起的锤底冲击压力，dp的大小与夯击能、成孔深度、土质等有关。从图1可以看出，柱锤的冲扩作用，不但对桩侧土体产生挤密作用，更重要的是对锤底地基土产生较强的冲击压力。柱锤提升到一定高度后落下，对土体进行冲击，会产生的强烈的冲击波，在其作用下锤底应力会产生应力扩散强化效应，从而使得土体产生动力密实。图1孔内深层强夯法冲击荷载传递图（2）微观作用机理：柱锤冲击土体时，首先是与锤底接触的土体因受到强大的冲击能和冲击力，会产生大幅度地振动，依次传播，继而引起周围土体的振动，使得夯击能量向外扩散。根据有关资料文献【8】【9】的研究，土体的微观结构由颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙性和颗粒接触关系四大基本要素构成，随着夯实能量和夯击次数的不断增加，土体颗粒不断地移动、错位，如此往复，土体结构会发生持续的“聚合作用”。开始时土粒普遍以“聚合作用”为主，并且以非稳定的颗粒就近聚合为主；当这类非稳定颗粒聚合基本完成后，一些聚合体将进一步再聚合，使夯后的土颗粒重新排列成比夯前更为紧密的状态，土体中出现由小颗粒沿大颗粒环向平行排列而形成的旋涡状结构，此结构的存在是孔内深层强夯法加固地基时，土体的工程力学性质得到改善的根本原因。与此同时，土体中的孔隙也发生了显著地变化，孔隙急剧减少，土颗粒接触面积增大，使得土体逐渐成为性质均匀的整体。因此，孔内深层强夯法对土体的加固效果由三部分组成：①填土颗粒在巨大的冲击力作用下进一步克服颗粒之间的摩阻力而产生滑动和滚动，重新排列到更稳的平衡位置上去，尤其是巨大的冲击力使颗粒的“架空”结构被破坏，使孔隙体积减少；②在巨大的冲击力作用下，填土颗粒被剪切、破碎或颗粒棱角局部破碎而互相填充、挤密，使土石体随着冲击作用而更加密实、结构更加稳定；③杂填土中的骨架颗粒的弹性变形引起的体积压缩。另外随着冲击次数的增加，土颗粒重新排列，有效降低地基土的孔隙比，使土颗粒排列更紧密。地基的沉降变形的增长值由大变小、逐渐降低、最后趋于稳定，地基土则由塑性状态转为弹塑性状态、最后接近于弹性状态。综上，孔内深层强夯法的冲击效应对土体的排列及结构造成了较大的影响，使得土体孔隙比减小、压缩模量增大、粘聚力及内摩擦角增大，因此，孔内深层强夯法能够有效地加固地基，提高复合地基的承载力及强度。针对湿陷性黄土地基及杂填土地基而言，其湿陷性的根本原因在于黄土及杂填土本身的物质组成（包括颗粒组成、矿物成分和化学成分）和结构，由孔内深层强夯法加固地基微观机理上可以得到其从根本上改变了湿陷性黄土地基的性质，从这一点出发，孔内深层强夯法便可以作为一种处理湿陷性黄土、杂填土地基有效的地基处理方法，能够消除从根本上消除黄土湿陷性、杂填土的大孔隙性及不均匀性。1.2侧向挤密作用孔内深层强夯法在成孔或成桩过程中，由于夯锤的强夯作用，致使桩周土体受到很大的挤压作用，而此成桩或成孔作用对桩周土体的挤密过程，可以用典型的Vesic圆孔扩张理论进行求解。圆孔扩张理论目前对挤密桩分析相对比较成熟，但大量文献[10-17]表明，对挤密桩的分析中较少考虑初始应力影响。但从定性上分析，孔内深层强夯法的挤密效果显著。针对孔内深层强夯法的挤密效果，可以计算挤密后及挤密前的干密度来进行评价，故假设地基处理后体积变化了ΔV，原始体积为V。地基处理前的土体干密度为：vmsd0，处理后的土体干密度为：vvvvmds10d,而在实际工程中，采用孔内深层强夯法进行地基处理时，根据文献[8]，一般采用挤密系数，桩间土的平均挤密系数按下列公式进行计算：max1cdd式中，1d表示桩间土的平均干密度；maxd表示桩间土的最大干密度。对重要工程，挤密系数不宜小于0.93，一般工程不应小于0.9。1.3填料冲扩的二次挤密效应及嵌入作用利用柱锤冲击或钻机成孔以后，对孔内进行填料，然后采用孔内深层强夯法对填料进行二次夯击，此动力冲击对桩体夯击挤密，使桩身强度增强，并且对桩间土会产生二次挤密及嵌入作用，即把桩身材料强夯挤密到桩间土，使得桩与桩间土之间没有明显的界限，整体性较好。如本文实例中冲击或钻机成孔直径为1400mm，经过孔内深层强夯法的二次夯扩挤密，成桩直径达到1800mm，与其他挤密桩（灰土挤密桩等）相比体现了自身的优越性。当采用孔内深层强夯法加固软硬不均地基土时，在软土层部分的成桩直径较大，且会有粗骨料挤入软土层及桩间土，使桩身与桩间土嵌入咬合、密切接触，形成一个共同受力的整体。经过填料夯击二次挤密作用后，孔内深层强夯法对地基土的加固效果如图2所示。此外，在湿陷性黄土地区，可以采用多样化的成孔方式，即可冲击成孔，又可利用螺旋机钻孔，两者均简单实用，然后进行填料孔内