强夯法与强夯置换法详解

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1、山东科技大学 王清标,1,第4章 强夯法和强夯置换法,4.1 概述,4.1.1 强夯法的概念,强夯又称为动力固结法或动力压实法。它是反复将夯锤（质量1040t）提到一定高度自由落下（落距1040m），给地基以冲击和振动能量，提高地基承载力并降低其压缩性，改善地基性能。 如改善砂土抗液化条件、消除湿陷性黄土湿陷性。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。如右图所示施工现场。,山东科技大学 王清标,2,法国Menard公司于1969年应用强夯法对法国Riviera滨海填土进行夯实。 经3个月预压（荷载100kPa），沉降值200mm。100kN夯锤，落距13m，夯击后，场地

2、平均沉降量500mm，基底压力300kPa。8层住宅竣工后，平均沉降量13mm，而差异沉降则可忽略不计。,堆载预压与强夯的对比,山东科技大学 王清标,3,4.1.2 强夯法在我国的发展,在地基土中所产生的的冲击被和动应力，可提高土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的振动液化条件和消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。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。对于砂土地基承载力提高25倍，压缩性降低210倍。 1979年，秦皇岛码头堆煤场细砂地基强夯法试验，共节省150万元。 1979年，廊坊机械化研究所宿舍工程强夯法处理可液化砂土和粉质粘土地基的试验，取得了较好的加固效果。,山东科

3、技大学 王清标,4,20世纪80年代后期，又发展了强夯置换法。 强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续强夯置换墩，最终形成砂石桩与软土构成的复合地基，从而提高地基的承载力并减少地基沉降。 对于饱和软土地基，为提高其加固效果，必须设计排水通道。为此，在软粘土地基上采用强夯法与袋装砂井（或塑料排水带）综合处理的加固方法也是一种发展途径。,山东科技大学 王清标,5,4.1.3 强夯法适用范围,强夯法用于处理碎石土、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。对于软土地基，处理效果不显著。 强夯置换法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

4、控制要求不严的工程。 地基处理规范规定：采用强夯置换法前，必须通过现场试验确定其适用性和处理效果，否则不得采用。,（1） 施工工艺和施工设备简单，适用土质范围广，加固效果显著，可取得较高的承载力； （2） 具有工效高、施工速度快、节省加固原材料、施工费用低、耗用劳力少等优点。,强夯法的特点：,山东科技大学 王清标,6,目前，强夯法加固机理有3种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换。加固机理取决于地基土的类别和强夯施工工艺。,4.2 加固机理,强夯法虽然是一种较好的地甚处理方法但到目前为止还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法。在第十届国际土力学和基础工程会议上，美国Mitchell教

5、授在“地基处理”的科技发展水平报告中提到： “强夯法目前已发展到地基土的大面积加固，深度可达30m。当应用于非饱和土时，压密过程基本上同实验室中的击实试验相同。在饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动压密的过程相似。”这种方法对饱和细颗粒土的效果，成功的和失败的例于均有报道。 对于这类土需要破坏土的结构、产生超孔隙水压力以及通过裂隙形成排水通道。而强夯法对杂填土特别有效。,山东科技大学 王清标,7,4.2.1 动力密实,强夯法加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土体，是动力密实。 夯击能使土的骨架变形，土体孔隙减小变得密实。提高了土的密实度和抗剪强度，使压缩性减小。 夯击一遍后，夯

6、坑深度0.61.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力比夯前提高23倍。 非饱和土在中等夯击能量10002000kN.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%。,山东科技大学 王清标,8,4.2.2 动力固结,用强夯法处理细颗粒饱和土时，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。 软土触变性，使强度得到提高。,Menard教授动力固结理论： 饱和土的压缩性；局部液化；渗透性变化；触变恢复（时间效应）与土强度的增长。,夯击一遍的情况,

7、山东科技大学 王清标,9,夯击三遍的情况,4.2.2 动力固结,a）静力固结理论模型（太沙基） b）动力固结理论模型（Menard） 静力固结与动力固结模型比较,a）,b）,山东科技大学 王清标,10,加固对象：细颗粒饱和土。 加固机理：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，使土体局部产生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利溢出，待孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度提高。 a）饱和土的压缩性,山东科技大学 王清标,11,b）产生液化 孔隙水压力上升到与覆盖压力相等时，土体产生液化。不同于地震时液化，是土体的局部液化。当液化度达到100，土体产生

8、液化的临界状态，此时的能量称为“饱和能”，再继续夯击，能量造成浪费。,c）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测向压力肘，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，孔隙水得以顺利徘出。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。所以应规划好强夯的施工顺序，而不规则的紊乱夯击，可以破坏这些天然排水通道的连续性。在现场可观察到夯击前在土工式验中所量测的渗透系数，是不能说明夯击后孔隙水压力迅速消散的这一特性的。,山东科技大学 王清标,12,d)触变恢复 在重复夯击

9、作用下，土体的强度逐渐减低，当上体出现液化或接近液化时，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。这是由于土颗粒间紧密接触以及新吸附水层逐渐固定的原因，而吸附水逐渐固定的过程可能会延续至几个月。在触变恢复期间，土体的变形(沉降)却是很小的。如果用传统的固结理论也就不能说明这一现象，这是自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水的缘故这也是具有触变性土的特性。,山东科技大学 王清标,13,静力固结与动力固结的区别：,静力固结理论和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,山东科技大学 王

10、清标,14,4.2.3 动力置换,强夯置换法是在强夯的同时，夯坑中可置入碎石，强行挤走软土。如下图所示，强夯置换法又分为整式置换和桩式置换两类。,a）整式置换 b）桩式置换,软土地基，提高地基承载力和减少沉降量； 饱和砂土和粉土，消除液化趋势； 黄土和新近堆积黄土，消除湿陷性、提高承载力。,实际工程中，对于不同土类强夯的作用不同：,山东科技大学 王清标,15,4.3 设计计算,4.3.1 强夯法设计计算,1）有效加固深度,山东科技大学 王清标,16,表4.2 强夯的有效加固深度,山东科技大学 王清标,17,2）夯锤和落距,（1）单击夯击能 夯锤重M与落距h的乘积。最好锤重和落距都大，单击能量大

11、, 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。 （2）单位夯击能 场地总夯击能量（即锤重落距总夯击数）除加固面积称为单位夯击能。 应根据地基土类别、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。 粗颗粒土10003000kNm/m2，细颗粒土15004000kNm/m2。 最佳夯击能： 地基中出现孔隙水压力等于土的自重应力时的夯击能量。 1、粘性土最佳夯击能的确定办法：根据孔隙水压力 的叠加值进行确定 2、砂性土最佳夯击能的确定方法：孔隙水压力不能叠加，绘制孔隙水压力增量与夯击数的关系曲线确定最佳夯击能。孔隙水压力增量趋于稳定时，即可获得最佳夯击能。,山东科

12、技大学 王清标,18,（3）夯锤选择,国内夯锤一般重1025t。夯锤材质最好用铸钢，或用钢板为壳内灌混凝土的锤。 锥底锤、球底锤的加固效果较好，适用于加固较深层土体；平底锤适用于浅层及表层地基加固。 上下贯通的气孔，孔径250300mm，可减小起吊夯锤时吸力（夯锤吸力=3锤重）；又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。,锤底静压力值2540kPa。 锤底面积为26m2。 防止偏锤现象，黄土高宽比1:2.51:2.8。,山东科技大学 王清标,19,夯击时注意事项： （1）对于饱和粘性土所需能量不能一次施加，否则引起土体流动，强度降低，难以恢复。 （2）夯击时分几遍施加。 对夯锤的制作要求： （1）

13、锤重：1025t，目前最大为40t； （2）形状：圆形和方形，带气孔或封闭式； （3）锤的底面积：不能太小；对于砂性土和碎石土一般为：24平米；一般第四纪粘性土34平米；淤泥质粘土46平米；黄土4.55.5平米。,山东科技大学 王清标,20,国内通常采用的落距是825m。对相同的夯击能量，常选用大落距的施工方案，这是因为增大落距可获得较大的接地速度，能将大部分的能量有效地传到地下深处，增加深层夯实效果，减少消耗在地表土层塑性变形的能量。,（4）落距选择,（1）夯击点布置,3）夯击点布置及间距,等边三角形、等腰三角形或正方形布置。 强夯处理范围应大于建筑物基础范围，对一般建筑物，每边超出基础外缘

14、宽度宜为设计处理深度1/22/3，并不宜小于3m。,（2）夯击点间距,细颗粒土，为便于超静孔隙水压力的消散，夯点间距不宜过小。,第一遍夯击点间距515m（锤直径2.53.5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。,山东科技大学 王清标,21,a）13个击点夯一遍分三次完成 b）9个击点夯一遍分三次完成 夯点布置及夯击次序,山东科技大学 王清标,22,4）夯击击数与遍数,（1）夯击击数确定 按现场试夯夯击击数和夯沉量关系曲线确定，同时满足下列条件： 最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值： 单击夯击能小于4000kNm时为50mm； 单击夯击能为40006000kN

15、m时为100mm； 单击夯击能大于6000kNm时为200mm。 夯坑周围地面不应发生过大隆起。 不因夯坑过深而发生起锤困难。 夯击点的夯击击数310击比较合适。,（2）夯击遍数确定 一般18遍，粗颗粒土可少些，细颗粘土（淤泥质土）要求多些。 视满夯的夯实效果，除了采用2遍满夯外，还可采用轻锤或低落距锤多次夯击，以及锤印搭接等措施。,山东科技大学 王清标,23,砂性土：13遍 粘性土：24遍,夯击点的夯击数为310击。 最后低能量（1/41/5）， 24击满夯一遍。,夯击遍数及夯点布置图,山东科技大学 王清标,24,指两遍夯击之间应有一定的时间间隔。取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。 砂性土

16、，孔隙水压力消散时间34分钟，可连续作业； 饱和粉土和粘性土，一般不少于34周。 无地下水或地下水在地面以下5m，含水率较低碎石类土和透水性强的砂性土，可取12天间隔时间，也可夯完一遍后，将土推平，连续夯击。,5）间歇时间,6）垫层铺设,对场地地下水位-2m深度以下砂砾石层，无需铺设垫层，可直接强夯； 对地下水位较高的饱和粘土地基，易液化流动的饱和砂土地基，需铺设垫层，砂砾石垫层厚度0.52.0m。,山东科技大学 王清标,25,7）现场测试设计,（1）地面及深层变形观测 地面变形研究的目的是： 了解地表隆起的影响范围及垫层的密实度变化； 研究夯击能与夯沉量的关系，用以确定单点最佳夯击能量； 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。 当夯击一次应及时测量夯击坑及其周围的沉降量、隆起量和挤出量。 （2）孔隙水压力观测 （3）侧向挤压力观测 （4）振动