第三讲强夯法

垫层法回顾；1、概念2、适用范围：0.5～3md的软弱土层。3、设计内容：1）垫层厚度应满足：azczzfpppz—垫层底附加应力设计值；pcz—垫层底面处土自重应力标准值；faz—垫层底面处下卧层土经深度修正后的地基承载力的特征值（设计值）。)θtanzl)(θtanzb()pp(blpθtanzb)pp(bpckzckz222垫层底附加应力pzpk—基底平均压力；pc—基础底面处土的自重应力；θ—垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，当无试验资料时可采用下表数值：Z=0.5-3m条形基础矩形基础计算时可先假设一个垫层厚度，然后按前式进行验算，若不符合要求重新设一个厚度再验算直至满足前式(2)砂垫层的宽度θtanzbb'2b′—垫层底面宽度，m。注意：垫层顶面宽度宜超出基础底面每边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按开挖基坑的要求放坡。垫层底面宽度应满足基底面应力扩散要求确定垫层宽度时，除应满足应力扩散的要求处同，还应考虑垫层应有足够的宽度及侧面土的强度条件，防止垫层材料向侧边挤出而增大垫层的竖向变形量。放坡1：3垫层施工按压密采用的不同机械和工艺，一般可分为：机械碾压法、重锤夯实法、平板振动法。按垫层材料分类一、砂（或砂石）垫层二、素土（或灰土、二灰）垫层三、粉煤灰垫层质量检验a.对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验可用环刀法以、标准贯入法以、静力触探、轻型触探试验检验。b.对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验，c.垫层的施工质量检验必须分层进行，应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。地基处理深层密实法第三讲强夯法强夯置换法第三章深层密实法第一节基本概念1、深层密实法定义是指用夯击，振动和爆破方法，对松软地基土进行密实化处理，与浅层加固处理相比，对地基土的密实化处理深度大，所用施工机具及施工方法不同。2、主要处理方法强夯法；挤密法；CFG桩密实处理法；爆破挤密法1)、强夯法(HeavyTamping)：将数吨至数十吨(乃至上百吨)的重锤，提升至数米至数十米的高度后自由落下，对土进行夯击加固(大吨位锤的夯击处理).强夯2)、挤密法：通过冲击、振动或带套管等方法成孔后，再向孔内填入砂、石、灰土等材料并振实，形成密实度大，强度高的桩体的一种处理方法。按填入材料的不同，可分为砂桩、土桩、石灰桩等。由挤密法形成的桩称为挤密桩，属于柔性桩类。与刚性桩(木桩、钢筋混凝土桩、钢桩)相比，有如下四个特点：①应力从基底开始扩散，桩体与桩周土共同组成复合地基；②桩底下卧层的持力很小，绝大部分应力被上部土层吸收、扩散；③排水条件较好，故初期沉降快，后期小；④对桩周土也具有良好的挤密作用。该过程桩径在增大3)、水泥粉煤灰碎石桩(简称CFG桩)：在碎石桩的基础上，掺入适量的粉煤灰及少量的水泥，加水拌和制成的一种具有一定胶结强度的桩体-称为。水泥粉煤灰碎石桩(CementFly-ashGravelPile,简称CFG桩)。是近年来发展起来的一种用来处理软土地基的新的地基处理方法，不仅使工业固体废料--粉煤灰得到有效利用，而且处理效果也不错。4)、爆破挤密法：将炸药埋放在地面深处，引爆后产生的高速压力波使得土的疏松结构液化，形成密实结构，达到地加固基土的目的。CFG桩施工CFG桩施工完成后桩头CFG桩北海堤爆破挤淤阳江核电南防波堤爆破挤淤填石完成爆破挤淤一、概述用强夯法处理软土地基最早由法国的L.梅纳所首创(1969年)。①夯击锤重一般为8～30t(最重大200t)；②自由落距8～20m(最高40m)。③夯击能量一般为500～8000KN.M第三章深层密实法第二节强夯法1、适用范围：可加固填土、湿陷性黄土、碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘土、软土以及工业、生活圾圾等地基，尤其是对非饱和土加固效果显著。对于饱和土地基加固效果的好坏，关键在于排水；对于饱和的粘性土或淤泥质土，由于渗透性差，土体内水排出困难，加固效果就差。3、加固效果：经强夯加固后的地基，其压缩性可降低200%～1000%；强度提高200%～500%(粘土可提高100%～300%；粉质粘土可提高400%；砂和泥炭土可提高200%～400%)；对土的抗液化能力的改善明显；排气快，对于处理圾圾类等地基，有利于有害气体，迅速排出。2、优点：施工简单、加固速度快、加固深度达(最大可达30m)、效果好、投资省，并适合于房建、桥涵、道路、港口、码头、机场和大型设备基础等工程。4、较夯实有较多特点主要体现在三个方面1)单次夯击能量大，并可以通过控制夯击点，密度及夯击方式，使地基深层得到加固；2)经强夯加固后，可消除不均匀沉降；3)施工中单次夯击能量容易控制，从而可获得具有均匀分布密实度的地基。5、缺点目前尚无成熟的理论和完善的设计计算方法；深层加固时设备和机具性能要求较高；震动和噪音大，在城市人口密集区，建筑结构密集区不宜使用。6、最适宜的施工条件以下五个方面的条件下，强行法效果较好1)处理深度一般不要超过20m；2)对饱和软土地基，于地表面应铺一层较厚的砾石、砂土等优质填料(起导水作用等)；3)地下水位离地表下2～3m为宜，也可采用降水强夯；4)粗颗粒土组成的地基夯击对象最好；5)施工现场应距离既有建筑物有足够的安全距离（夯击中产生的冲击振动能量较大，对建筑物安全造成危胁）。二、加固机理(一)影响加固的因素和一些相关问题关于强夯法加固地基的机理，国内外学者虽然做了大量研究，看法很不一致。主要原因是：土的类型多，且不同类型土的性能不同、加固效果的影响因素很多。体现在两个方面：1)土的自身因素。土类型(饱和土、非饱和土、砂性土、黏性土)、结构(颗粒大小、形状、级配)、构造(层理)、密实度、内聚力、渗透性等均影响加固效果；2)土的外部因素。单击夯击能(锤重、落距)、单位面积夯击能、锤底面积、夯点分布、夯击遍数、特殊措施(预打砂井夯坑填料)等均影响加固效果，并可对其机理上做出不同解释。二、加固机理多数专家认为强夯机理应从以下四方面，分别对待解释：①宏--微观机理。宏观机理主要是从加固区土体所受冲击力、应力波的传播、土体强度对土加密的影响做出解释；微观机理主要是研究冲击力作用下土的微观结构变化，如土颗粒的重新排列、连接做出解释。②饱和土与非饱和土。除了非饱和土压实机理，还要考虑有孔隙水排出，土才能压实固结这一特殊问题。③黏性土和砂性土。因渗透性不同，黏性土存在固化内聚力，砂性土则不然。④各类土的特殊性。如黄土、填土、淤泥等，它们都具有各自的特殊性能，所以加固机理、方法和采取的具体措施也不同。(一)影响加固的因素和一些相关问题3--1强夯过程中土体状态二、加固机理试验表明，强夯过程中土体变形状态可以用图3-2-1表示：夯实过程中的地基土分为四层：第一层，夯坑底以上受扰动的松弛隆胀区；第二层，土中应力超过地基土的极限强度，密实性好，固结程度最高区；第三层，土中应力在土的极限强度和屈服值之间，是固结效果迅速下降的区域；第四层，土中应力在屈服界限内，基本没有固结。压密区(二)强夯过程中土体的变形状态到目前为止，关于强夯法的加固机理，从物理力学角度，有三种比较有影响的认识观点：但是，最终的加固效果还要取决于地基土类别与施工工艺。从强夯过程中，相应区域土体状态这些现象，可以对其加固机理有所认识。动力密实动力固结动力置换(三)动力密实二、加固机理动力密实机理是对非饱和土的加固机理的一种解释。根据土动应力场分布特征，夯击过程中的加固地基模式可归纳为如图3-1所示的过程图。图3-2-2强夯地基加固模式图A为主夯实区σ＞σf；B为次夯实区σ＜σf，σ＞σ1；C为压密、挤密、松动区；D为振动影响区。σ土主应力(动应力加自重应力)；σf土极限强度；σ1为土弹性极限；ZA为土主压实区深度范围；ZB为次压实区深度范围；pd为锤底动应力。夯击的前数次加固区在扩大伴随夯击遍数的增加加固区形成加固区形成,等速下沉,加固区下移①为加固区形成时主加固区位置1)因巨大的冲击力使土体遭受冲击破坏，并产生较大的瞬时沉降，夯锤底部土形成土塞向下运动。因锤底面下土中压力超过土强度使得土结构破坏土软化、侧压力系数、侧压力，从而使土不仅被竖向压密而且被侧向挤密。该主压实区就是图中的A区，即土的破坏压实区。A区的土应力σ(动应力加自重应力)超过土的极限强度σf，σ＞σf土被破坏后压实。2)由于土被破坏，侧向挤压作用加大，因此水平加固区宽度也大，故加固区不同于静载土中应力椭圆形分布而变为水平宽度大的苹果形。A区外为次压实区B，其应力值小于土的极限强度σf，但大于土的弹性极限σ1，σ＜σf故B区土可能被破坏或仅被破坏但未被充分压实，而未压实，表现为与夯前相比干密度有小量增长或不增长。3)由于动应力远大于土的原自重应力，坑底土侧向挤出时，导致坑侧土的上隆，形成被动破坏区，这就是图3-2-2中的C区。夯击的前数次加固区在扩大伴随夯击遍数的增加加固区形成加固区形成,等速下沉,加固区下移①为加固区形成时主加固区位置4)B区外的D区由于土动应力影响小，不能破坏土结构，故不再压实或挤密，但强夯引起的振动可使这一区产生效应。对内聚力低的砂土、粉土及非黏性土，振动波作用下土粒受剪而错动，落入新的平衡位置，松砂类土可振密，而密砂可能变松。对有内聚力的黏性土，振动影响不足以改变土的结构而产生振密作用；由强夯所产生的冲击型动力荷载(压缩波，剪切波等)使土体中孔隙减小，土体密实度变大，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程，是土体中气相(空气)被挤出的过程，由于土颗粒的相对位移引起土体变形和密实化。二、加固机理(四)动力固结机理1、力学模型认为饱和土是可以压缩的这一新的动力固结机理。从动力固结理论角度分析：强夯产生巨大冲击能量在土体中产生很大的应力波(压缩波与剪切波)：破坏土体原有结构；使土体局部发生液化并产生许多裂隙；增加排水通道；使孔隙水顺利逸出；孔隙水压力消散后，土体固结，强度提高。梅纳根据强夯实践，首次对传统的太沙基固结理论提出了不同看法：图3-2-3静力固结理论与动力固结理论模型比较①活塞；②液体；③弹簧；④排液孔径；(a)基予太沙基理论的静力固结模型(b)的Menard液体可压缩动力固结理论传统的饱和土(仅由土颗粒和液体组成的二相土)固结理论为太沙基(Terzaghi)的静力固结理论：假定水和土粒本身不可压缩，固结只是孔隙体积缩小及孔隙水排除。2、传统固结理论在冲击荷载作用下，饱和土中的水不能及时排除，土体积不会变，亦即土体密实度不会提高，只发生侧向变形。因此，夯击时饱和土造成侧面隆起，重夯时形成“橡皮土”，达不到密实效果。这显然与实际结果相矛盾。3、Menard的强夯理论Menard根据强夯施工实践结果认为，饱和土并非二相土，其液体中存在一些封闭气泡。夯击时，这些气体可压缩，故土体积也可压缩，且气体体积按波义耳—马略特定律(即一定质量的气体的压强跟它的体积成反比)变化。因此，冲击使土结构破坏、体积缩小,液体中气泡被压缩,孔隙水压力增加,孔隙水渗流排出,水压减少,气泡膨胀,土体又可以再次夯击压缩。表(3-1)两种固结机理主要有四个方面的特性差异表3--1两种固结机理的比较4、土体强度增长过程机理根据动力固结理论，饱和土体强夯过程的强度增长机理可从四个方面加以概括:1)饱和土体的可压缩性:对渗透性很小的细粒土而言：a、传统固结理论：沉降的充分与必要条件是孔隙中水的排出。。无法对饱和土体的可压缩性机理做出作释。b、动力固结理论(梅纳)：第四纪土中大多数含有以微气泡形式的气体(1～4%)，强夯时，气体体积压缩、孔隙水压力增加，随后气体又膨胀，促使水体排出，孔隙水压跟着减小，每夯击一次，土体出现一次瞬间沉降变形，体积被压缩。右图中有四条曲线、三个阶段：（1）四条曲线：①夯击能量曲线；②体积变化曲线；③局部土体的液化度；④地基承载力曲线；（2）三个阶段：⑤加载～液化阶段；⑥卸载与孔隙水压力消散固结阶段；⑦土的触度恢复阶段。图3-2-4单次夯击过程中土的强度增长过程①②③④⑤⑥⑦2)因夯击而产生局部液化随夯击之后