地基处理方法—强夯法

强夯技术Dynamic CompactionNew Technical of Soil Improvement 1概 述2加固机理3机具设备4施工技术参数的确定5施工要点6效果检验7现场测试8发展趋势1 概 述 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830t的重锤(最重可达200t)和820m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5008000kN.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。等等等等 强夯法适用土层强夯法适用土层碎石土碎石土砂土砂土 低饱和低饱和度的粉度的粉土与粘土与粘性土性土湿陷性湿陷性黄土黄土 杂、素杂、素填土填土 对于高饱和度的可采对于高饱和度的可采对于高饱和度的可采对于高饱和度的可采用强夯置换法用强夯置换法用强夯置换法用强夯置换法建筑地基处建筑地基处理技术规范理技术规范(JGJ79-2002)(JGJ79-2002)规定规定 强夯法适用于处理碎石强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。强夯填土和杂填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉置换法适用于高饱和度的粉土与软塑流塑的粘性土等土与软塑流塑的粘性土等地基上对变形控制要求不严地基上对变形控制要求不严的工程。强夯置换法在设计的工程。强夯置换法在设计前必须通过现场试验确定其前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。适用性和处理效果。强夯法、强夯法、强夯置换法强夯置换法的优点的优点加固效果好加固效果好使用经济使用经济施工简单施工简单强夯法加强夯法加袋装砂井袋装砂井 软粘土地基的综合治理软粘土地基的综合治理国内国内发展发展阶段阶段自引进到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。概述概述 以以处处理理饱饱和和软软土土为为目目的的低低能能级级强强夯夯技术；技术；三个三个研究研究方向方向 强强夯夯与与其其他他地地基基处处理理技技术术优优势势互互补补，发展成为组合式地基处理技术。发展成为组合式地基处理技术。以以处处理理高高填填土土和和深深厚厚湿湿陷陷性性黄黄土土，以以及及消消除除湿湿陷陷为为目目的的的的高高能能级级强强夯夯技术；技术；夯夯锤锤地面地面挤压挤压土体土体隆起隆起夯击能夯击能冲击力冲击力冲击波冲击波冲切上部冲切上部土体土体结构破坏结构破坏形成夯坑形成夯坑挤压周围挤压周围土体土体2 加固机理某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况周围地表隆起情况 2 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。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。2 加固机理三三种种加加固固机机理理 动力动力密实密实加固多孔隙、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 动力动力固结固结动力动力置换置换2 加固机理2.1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。FlashDynamic compaction 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。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0.61.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高23倍。Abu Dhabi Corniche(United Arab Emirates)夯夯坑坑肇庆花都博罗输变电工程花都站土石方强夯施工水下地基加固2.2 2.2 动力固结动力固结 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。Dynamic consolidation静力固结理论(图a)动力固结理论(图b)不可压缩的液体固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的弹簧刚度是常数活塞无摩阻力含有少量气泡的可压缩液体固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的弹簧刚度为变数活塞有摩阻力巨大的冲击能量在土中产生很大的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，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，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，强土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。度得到提高。夯击一遍的情况 夯击三遍的情况 从右图可以看出，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.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。动力固结动力固结青岛港8号码头强夯工程青岛港8号码头强夯工程2.3 动力置换 Dynamic replacementFlash动力置换类型 桩式置换：形成桩式或墩形成桩式或墩式的碎石墩或桩。其作用式的碎石墩或桩。其作用机理类似于振冲法等形成机理类似于振冲法等形成的碎石桩。的碎石桩。整式置换：将碎石整体将碎石整体挤入淤泥中，作用机理挤入淤泥中，作用机理类似于换土垫层。类似于换土垫层。动动力力置置换换桩式置换桩式置换动力置换 (Railway track,Malaysia)整式置换动力置换 ALEXANDRIA CITY CENTER(Shopping center-Egypt)桩式置换3 机具设备强夯法的主要设备为夯锤、吊钩和起重机械等。(1)夯锤装配式钢夯锤混凝土夯锤40T夯锤15T夯锤排气孔排气孔锤底面积的选择：砂土：一般取34m2;粘性土：6m2较适宜排气孔的作用：减少起吊夯锤时的吸力和夯锤落地前瞬时的气垫上托力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(2)起重机械西德UB-162强夯机波兰1206强夯机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 强夯脱钩装置图强夯脱钩装置图 1-1-吊钩吊钩 2-2-锁卡焊合件锁卡焊合件 3 3、6-6-螺栓螺栓 4-4-开口销开口销 5-5-架板架板 7-7-垫圈垫圈 8-8-止止动板动板 9-9-销轴销轴 10-10-螺母螺母 11-11-鼓形轮鼓形轮 12-12-护板护板 4 施工技术参数的确定强夯施工参数包括：有效加固深度、锤重和落距、单位夯击能、夯击点布置及间距、夯点的夯击数与夯击遍数、两遍夯击的间歇时间、加固处理范围等。1）有效加固深度：H有效加固深度(m)M夯锤重(t)h落距(m)系数，根据地基土性质决定 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。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 夯夯锤锤落距落距2）锤重和落距锤重一般不小于8t，落距不宜小于6m。3）单位夯击能 夯击能 锤重落距单位夯击能 总夯击能加固范围面积粗颗粒土：10003000(kN.m)/m2细颗粒土：15004000(kN.m)/m2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。4）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 5)夯击点布置及间距 等边三角形或正方形布置夯击点。条形基础，夯点可成行布置；工业厂房可根据柱网来布置夯击点。夯距通常为515m 夯击点的间距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2.53.5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。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23倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.52.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.11.2倍。某仓库夯击点布置（三角形）Thermal K-12 Educational Park,Coachella Valley California(US)美国加州某工程夯点布置（正方形）NICE AIRPORT(France)Abu Dhabi Corniche(United Arab Emirates)夯夯击击击击数数强夯夯点的强夯夯点的夯击击数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40006000kN*m时为100mm；夯击能大于6000kNm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。5)夯击击数与遍数 夯夯击击击击数数强夯置换点强夯置换点的夯击击数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1.52.0倍 ;3.最后两击的平均夯沉量不大于强夯的规定值。夯夯击击遍遍数数 夯击遍数应根据地基土的性质夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯确定，可采用点夯2 23 3遍，对于渗遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍