第5章--强夯法与强夯置换法-

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第5章强夯法和强夯置换法Chapter5DynamicConsolidationandDynamicConsolidationwithReplacement5.1概述5.1Introduction强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，通过10～40t的重锤和10～40m的落距，对地基土施加很大的冲击能。我国1978年在天津新港进行了试验。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。强夯法适用于处理碎石土、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。夯锤起吊夯锤起吊15吨夯锤25吨夯锤40吨夯锤夯锤下落对于饱和粘性土地基，近年来发展了强夯置换法，这是利用夯击能将碎石、矿渣等材料强力挤入地基，在地基中形成碎石墩，并与墩间土形成碎石墩复合地基，提高地基承载力和减小沉降。强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软塑～流塑的粘性土等地基上对变形要求不严的工程。强夯置换法在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。应用情况应用强夯法和强夯置换法处理的工程范围极为广泛，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。强夯法在某种程度上比机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。它是重锤夯实法的基础上发展起来的，但又与重锤夯实法迥然不同的一项新技术。强夯法与以往的机械夯实、爆炸夯实等比较有以下特点：1.平均每次夯击能量比普通夯法能量大的多。2.以往的夯实方法，能量不大，仅限于表层加固，而强夯法能根据地基的加固要求来确定夯击点间距及夯击方式，依次按需要加固的深度进行改良，使地基深层得到加固。3.施工中，夯击能量可以分几遍进行夯击。4.地基经过强夯加固后，能消除不均匀沉降现象，这是任何天然地基所不能达到的。5.2加固机理5.2Mechanism经强夯处理后地基的承载力可提高2~5倍，压缩性可降低200％～500％，影响深度达到10m以上。强夯法加固地基的机理，目前尚不完全清楚。一般认为强夯加固地基主要是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。加固机理：1.动力密实2.动力固结3.动力置换4.震动波压密理论取决于地基土的类别和强夯施工工艺。5.2加固机理5.2Mechanism1.动力密实多孔隙、粗颗粒、非饱和土:用冲击型动力荷载，土体被破坏，土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体、颗粒重新排列，土在动荷载作用下被挤密压实，强度提高，压缩性降低。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。5.2加固机理5.2Mechanism2.动力固结用强夯法处理细颗粒饱和土时，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。5.2加固机理5.2Mechanism5.2加固机理5.2Mechanism3.动力置换动力置换是指在冲击能量作用下，强行将砂、碎石等挤填到饱和软土层中，置换饱和软土，形成密实的砂、石层或桩。5.2加固机理5.2Mechanism3.动力置换整式置换：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：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，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，并与墩间土起复合地基的作用5.2加固机理5.2Mechanism目前强夯置换中常用的三种情况：1）当地基表层为具有适当厚度的砂垫层、下卧层为压缩性的淤泥质软土时，采用低能量夯，通过强夯将表层砂挤入软土层中，形成一根砂桩，这种砂桩的承载力很高，同时，下卧的软土也可通过置换砂桩加速固结，强度得以提高。动力置换砂桩2）同上，软地基的表面也常堆填一层一定厚度的碎石料，利用夯锤冲击成孔，再次回填碎石料，夯实成碎石桩。动力置换碎石桩5.2加固机理5.2Mechanism3）在厚3～5米的淤泥质软土层上面抛填石块，利用抛石自重和夯锤冲击力使石块坐到硬土层上，淤泥大部分被挤走，少量留在石缝中，形成强夯置换的块石层。利用石块之间的相互接触，提高地基承载力。亦类似于垫层中的“抛石挤淤”法，同时下卧层的软土也得以快速固结，提高了下卧层的强度。动力置换挤淤5.2加固机理5.2Mechanism4.震动波压密理论强夯时，重锤由高处自由落下，产生强大的动能（振动源）作用于地基土中，动能变成波能，从震源向深层扩散，能量释放于一定范围的地基中，使土体得到不同程度的压密加固。强大的夯击能，使土体表层产生剪切压缩和侧向挤压等，而横波的存在，使土体表层松动，当达到一定深度范围时，只有压缩波（纵波）才对土体起压密加固作用。随加固深度的增加，纵波强度衰减，而压密作用逐渐减少。5.2加固机理5.2Mechanism强夯设计任务对于不同土类强夯法的作用不同：1.软土地基，提高地基承载力和减少沉降量；2.饱和砂土和粉土，消除液化趋势；3.黄土和新近堆积黄土，消除湿陷性、提高承载力。5.3设计5.3Design强夯参数选择一、有效加固深度二、单击夯击能三、最佳夯击能四、夯击遍数五、间歇时间六、夯击点布置及间距七、处理范围八、承载力确定九、现场测试5.3设计5.3Design1、有效加固深度强夯法的有效加固深度是指起夯面算起的强夯有效影响地基深度，该深度范围内，土的物理力学指标已达到或超过设计值。该土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围。它是选择地基处理方法的重要依据，反映处理效果的重要参数。5.3设计5.3Design5.3设计5.3DesignMenard曾提出用下列公式估算有效加固深度式中H－－有效加固深度（m）；M－－夯锤质量（kN）；h－－落距（m）；由上式估算的有效加固深度较实测值大,可采用0.34～0.8的修正系数进行修正。10/MhH影响有效加固深度的因素除夯锤重和落距外，还有单击夯击能、夯击次数、锤底单位压力、地基土的性质、不同土层的厚度、埋藏顺序和地下水位等。对于同一类土，采用不同能量夯击时，其修正系数并不相同，采用确定的修正系数，并不能得到满意的结果。因此《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002不采用修正后的梅纳公式，而是采用了表格形式，建议了有效加固深度的取值范围。2、单击夯击能夯锤的平面一般有圆形和方形，又分气孔式和封闭式。锤底面积宜按土的性质确定，对砂性土一般为3～4m2，对粘性土不宜小于6m2。锤底静接地压力可取25～40kPa。锤重一般为100～400kN，落距为8～25m。对相同的夯击能量，常选用大落距方案，这样能获得较大的接地速度，将能量的大部分有效地传到地下深处，增加深层夯实效果，减小消耗在地表土层塑性变形的能量。夯锤确定后，根据要求的单击夯击能量，就能确定夯锤的落距。对相同的夯击能量，常选用大落距的施工方案。锤重与落距对于某一单击夯击能，夯锤在接触土体瞬间冲量的大小是影响土体压缩变形的关键因素，冲量越大，加固效果越好。夯锤着地时的冲量gMEF/··2夯锤越重，冲量越大，加固效果越好。•单位夯击能整个加固场地的总夯击能量(即垂重×落距×总夯击数)除以加固面积为单位夯击能，也称平均夯击能。单位夯击能应根据基土类别，结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并可通过试验确定。单位面积夯击能过小，难以达到预期的加固效果，单位面积夯击能过大，不仅浪费能源，而且对饱和粘性土来说，强度反而会降低。•3、最佳夯击能（最佳夯击次数）•能使地基中出现的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能为最佳夯击能。•最佳夯击次数：当单击夯击能一定时，与最佳夯击能相对应的夯击次数称为最佳夯击数。粘性土地基:由于孔隙水压力消散慢，随着夯击能的增加，孔隙水压力可以叠加，可根据有效加固深度孔隙水压力的叠加值来选定最佳夯击能。砂性土地基:由于孔隙水压力的增加和消散过程很快，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，当孔隙水压力增量随夯击次数的增加而趋于稳定时，可认为砂土能够接受的能量已达到饱和状态。可用最大孔隙水压力增量与夯击次数的关系曲线或有效压缩率与夯击能的关系曲线来确定最佳夯击能。最佳夯击能和单击夯击能的比值即可作为控制夯击次数。夯击次数由夯沉量与夯击次数关系曲线确定a.确定原则：夯坑的压缩量最大，而夯坑的隆起最小时的夯击数。b.确定方法：当△S－N趋向趋于稳定，接近常数，且同时满足以下条件时，可取相应夯击次数为最佳夯击次数。第三节强夯法加固设计Ⅰ.最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时不大于100mm；Ⅱ.夯坑周围底面不应发生过大的隆起；Ⅲ.不因夯坑过深而发生起锤困难。4夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质确定，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2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。5间歇时间两遍夯击之间的间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性较差的粘性土地基，间隔时间不应少于3～4周；对于渗透性好的地基可连续夯击。6夯击点布置夯击点平面布置应根据建筑物的结构类型进行布置。夯点平面布置的合理与否与夯实效果和施工费用有直接关系。a.基础面积较大的建筑物或构筑物，可按等边三角形或正方形布置夯击点；b.办公楼和住宅建筑等，可根据承重墙位置布置夯点。c.砂性土或填石地基和土夹石填石地基，可用连夯法布点.7处理范围强夯处理范围应大于建（构）筑物基础范围，每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3，并不宜小于3m。8承载力确定强夯地基承载力特征值应通过现场载荷试验确定,初步设计时也可根据夯后原位测试和土工试验指标按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定确定。二、强夯置换法1处理深度强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上。深度不宜超过7m。强夯置换锤底静接地压力可取100～200kPa。2墩体材料墩体材料可采用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30％。3夯击次数夯点的夯击次数应通过现场试夯确定，且应同时满足下列条件：（1）墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长；（2）累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍；（3）最后两击的平均夯沉量不大于5.3节强夯法第1条最佳夯击能中的规定。4墩位布置宜采用等边三角形或正方形。对独立基础或条形基础可根据基础形状与宽度相应布置。墩间距应根据荷载大小和原土的承载力确定，当满堂布置时可取夯锤直径的2～3倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.5～2.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.1～1.2倍。5处理范围处理范围应大于基础范围。每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3，并不宜小于3m。6承载力确定确定软粘性土中强夯置换墩地基承载力特征值时，可只考虑墩体，不考虑墩间土的作用，其承载力应通过现场单墩载荷试验确定，对饱和粉土地基可按复合地基考虑，其承载力可通过现场单墩复合地基载荷试验确定。5.5施工5.5Construction强夯施工可按下列步骤进行：（1）清理并平整施工场地；（2）标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；（3）起重机就位，夯锤置于夯点位置；（4）测量夯前锤顶高程；（5）将夯锤起吊到预定高度，开启脱钩装置，待夯锤脱钩