强夯法和强夯置换法

主要内容1加固机理2设计计算3施工方法4质量检验6发展趋势5工程实例强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，我国于1978年首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天津新港三号公路进行了强夯法试验研究。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，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等。概述等等强夯法适用土层碎石土砂土低饱和度的粉土与粘性土湿陷性黄土杂、素填土对于高饱和度的可采用强夯置换法概述《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)规定概述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。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控制要求不严的工程。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。概述强夯法、强夯置换法的优点加固效果好使用经济施工简单强夯法加袋装砂井软粘土地基的综合治理概述国内发展阶段自引进到80年代初，约8年。本阶段工程应用强夯能级比较小，一般仅为1000kN*m，处理深度5m左右，以处理浅层人工填土为主。80年代初到90年代初。本阶段兴建国家重点工程山西化肥厂，为了消除黄土地基的湿陷性，国家化工部组织开发了6250kN*m能级强夯，使有效处理深度提高到了10m左右。90年代初到2002年，本阶段以兴建国家重点工程三门峡火力发电厂为契机，成功开发了8000kN*m能级强夯，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到15m。2002年底至今，强夯工程最高应用能级已经达到10000kN*m。为了更进一步扩大强夯的应用范围，在强夯技术的基础上，还形成了强夯置换和柱锤冲扩等新技术。概述以处理饱和软土为目的低能级强夯技术；三个研究方向强夯与其他地基处理技术优势互补，发展成为组合式地基处理技术。以处理高填土和深厚湿陷性黄土，以及消除湿陷为目的的高能级强夯技术；设计计算施工方法质量检验发展趋势加固机理工程实例夯锤地面挤压土体隆起夯击能冲击力冲击波冲切上部土体结构破坏形成夯坑挤压周围土体1加固机理1加固机理某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况1加固机理对非饱和土地基压密过程基本上同实验室中的击实实验相同，挤密振密效果明显。对饱和无粘性土地基土体可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动密实的过程相同。对饱和粘性土地基产生超孔压，并且逐渐消散，地基土固结，孔隙比减小，强度提高。三种加固机理动力密实加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土动力荷载减小土孔隙，提高强度超孔隙水压力消散，土体固结分为整式置换和桩式置换加密、碎石墩置换、排水的组合处理细颗粒饱和土局部产生裂缝，增加排水通道1加固机理动力固结动力置换动力密实冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程，就是土中的气相被挤出的过程，其变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。1加固机理实际工程表明，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。非饱和土在中等夯击能量1000～2000kN·m的作用下，主要是产生冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减少，最大可减少60%。动力固结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。1加固机理1加固机理Menard首次对传统的固结理论提出了不同的看法，认为饱和土是可压缩的新机理。1.饱和土的压缩性：进行强夯时，气体体积压缩，孔压增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔压就减少。2.产生液化：土体中气体体积百分比为零时，就变成不可压缩的。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。继续施加能量，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：超孔压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。孔压消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合。4.触变恢复：土体的强度逐渐减低，当出现液化或接近液化时，强度达到最低值。此时土体产生裂隙，而吸附水部分变成自由水，随着孔压的消散，土的抗剪强度和变形模量都有大幅度的增长。1加固机理夯击三遍的情况从左图可以看出，每夯击一遍时，体积变化有所减少，而地基承载力有所增长，但体积的变化和承载力的提高，并不是遵照夯击能的算术级数规律增加的。1加固机理弹簧活塞模型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)动力固结理论模型静力固结理论(图a)动力固结理论(图b)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活塞有摩阻力动力置换整式置换：将碎石整体挤入淤泥中，作用机理类似于换土垫层。桩式置换：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。1加固机理设计计算施工方法质量检验发展趋势加固机理工程实例2设计计算有效加固深度有效加固深度？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。系数，根据地基土性质决定夯锤重（t）落距（m）2设计计算有效加固深度影响H的因素除了锤重和落距外，还有地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位以及其它强夯的设计参数。应根据现场试夯或当地经验确定有效加固深度如果没有则根据《建筑地基处理技术规范》的建议取值强夯置换墩的深度土质条件决定对淤泥、泥炭等粘性软弱土层，置换墩应穿透软土层，着底在较好土层上对深厚饱和粉土、粉砂，墩身可不穿透该层2设计计算夯锤和落距夯锤落距单击夯击能=M*h总夯击能=N*M*h单位夯击能=N*M*h/A应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理深度等综合考虑，并通过试验确定。对饱和粘性土所需的能量不能一次施加，否则土体会产生侧向挤出，强度反而有所降低，且难于恢复。根据需要可分几遍施加，两遍间可间歇一段时间。2设计计算夯锤和落距选择合适的夯锤和落距圆形和方形气孔式和封闭式选择夯锤锤重确定落距根据单点夯击能量较适合的夯击能夯击能最低值介于底面积按土的性质确定2设计计算最佳夯击能最佳夯击能？在这样的夯击能作用下，地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力。粘性土中的确定根据孔隙水压力的叠加值砂性土中的确定绘制孔隙水压力增量与夯击击数(夯击能)的关系曲线2设计计算夯击点的布置夯击点的布置根据基底平面形状等边三角形等腰三角形正方形应考虑施工时吊机的行走通道强夯置换墩位布置等边三角形正方形独立基础或条形基础根据基础形式布置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决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘宽度宜为设计深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。2设计计算夯击点的布置夯击点的间距确定原则：一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定，以保证使夯击能量传递到深处和保护邻近夯坑周围所产生的辐射向裂隙。1.强夯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。2.对处理深度较深或单击夯击能较大的工程，第一遍夯击点间距宜适当增大。3.强夯置换墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定，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。2设计计算夯击击数和遍数夯击击数国内确定夯击击数的方法有所不同：有的以孔隙水压力达到液化压力为准则；有的以最后一击的夯沉量达某一数值为限值；也有的以上、下二击所产生的沉降差小于某一数值为标准。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。2设计计算夯击击数和遍数夯击击数强夯夯点的夯击击数按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定还要满足1.最后两击平均夯沉量不宜大于下列数值：单击夯击能量小于4000kN*m时为50mm；夯击能为4000～6000kN*m时为100mm；夯击能大于6000kN·m时为200mm;2.夯坑周围地面不应发生过大隆起;3.不因夯坑过深而发生起锤困难。2设计计算夯击击数和遍数夯击击数强夯置换点的夯击击数按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定还要满足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强夯的规定值。2设计计算夯击击数和遍数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，满夯还可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。2设计计算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。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，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0.5～2.0m，保证地下水位低于坑底面以下2m。铺设的垫层不能含有粘土。2设计计算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砂性土消散快间歇时间很短连续夯粘性土消散慢孔压叠加间歇时间长设置袋装砂井加速消散缩短间歇时间2设计计算现场测试设计地面及深层变形目的：1.了解地表隆起的影响范围及垫层的密实度变化；2.研究夯击能与夯沉量的关系，用以确定单点最佳夯击能量；3.确定场地平均沉降和搭夯的沉降量，用以研究强夯的加固效果。手段：地面沉降观测、深层沉降观测和水平位移观测。2设计计算现场测试设计地面及深层变形夯击次数(或夯击能)与夯坑体积和隆起体积关系曲线阴影面积为有效压实体积，越大表示效果越好。2设计计算现场测试设计孔隙水压力一般可在试验现场沿夯击点等距离的不同深度以及等深度的不同距离埋设双管封闭式孔隙水压力仪或钢弦式孔隙水压力仪，在夯击作用下，进行对孔隙水压力沿深度和水平距离的增长和消散的分布规律研究。从而确定两个夯击点间的夯距、夯击的影响范围、间歇时间以及饱和夯击能等参数。2设计计算现场测试设计侧向挤压力将土压力盒事先埋入土中后，在强夯加固前，各土压力盒沿深度分布的土压力的规律，应与静止土压力相近似。在夯击作用下，可测试每夯击一次的压力增量沿深度的分布规律。2设计计算现场测试设计振动加速度通过测试地面振动加速度可以了解强夯振动的影响范围。通常将地表的最大振动加速度为0.98m/s2处作为设计时振动影响安全距离。但由于强夯振动的周期比地震短得多，强夯产生振动作用的范围也远小于地震的作用范围，所以强夯施工时，对附近已有建筑物和正在施工的建筑物的影响肯定要比地震的影响为小。为了减少强夯振动的影响，常在夯区周围设置隔振沟。设计计算施工方法质量检验发展趋势加固机理工程实例3施工方法施工机械西欧国家大吨位的履带式起重机稳定性好，行走方便日本轮胎式起重机国外还制造了三足架和轮胎式强夯机，用于起吊40t夯锤，落距可达40m国外所用履带吊都是大吨位的吊机，通常在100t以上3施工方法施工机械我国只具备小吨位起重机的施工条件，只能使用滑轮组起吊夯锤，利用自动脱钩装置强夯脱钩装置图1-吊钩2-锁卡焊合件3、6-螺栓4-开口销5-架板7-垫圈8-止动板9-销轴10-螺母11-鼓形轮12-护板3施工方法施工步骤强夯法施工的步骤：1)清理并平整施工场地；2)铺设垫层，使在地表形成硬层，用以支承起重设备，确保机械通行和施工。同时可加大地下水和表层面的距离，防止夯击的效率降