地基处理强夯法

1第九章强夯法（强夯法和强夯置换法）强夯法又称为动力固结法或动力压密法。这种方法是将100~400kN的重锤（最重达2000kN），以6~40m的落距落下给地基以冲击和振动,从而达到提高土的强度,降低其压缩性，改善土的振动液化条件,消除湿陷性黄土的湿陷性等目的。强夯法由法国Menard技术公司于1969年首创，当时，仅用于加固砂土和碎石土地基，但随着施工方法的改进，其应用范围已扩展到细粒土地基。2•由大量工程实践证明，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、杂填土和素填土等地基；•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。•对高饱和度的粉土与粘性土地基，尤其是淤泥与淤泥质土，处理效果较差，使用要慎重。若在夯坑内回填块石、碎石或其它粗粒材料进行强夯置换时，应根据现场试验确定其适用性。•3•强夯和强夯置换施工前，应在施工现场有代表性的场地上选取一个或几个试验区，进行试夯或试验性施工。试验区数量应根据建筑场地复杂程度、建筑规模及建筑类型确定。•由于强夯法施工方法简单、快速经济、目前被广泛地应用于工业与民用建筑、仓库、油罐、贮仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等工程。49.1强夯加固机理强夯法虽然在工程中得到广泛应用，但由于其加固机理比较复杂，至今还没有一套成熟的理论和设计计算方法。根据工程实际实践和试验研究成果，对不同的土质条件和施工工艺，其加固机理有所不同。目前，强夯法加固机理概括起来有三个方面，即动力固结、动力夯实和动力置换。一、动力固结Menard根据饱和土经强夯后瞬时沉降数十厘米这一事实，对传统的固结理论提出不同看法，认为饱和土是可压缩的，并提出了一个新的动力固结模型。图9.1-1为静力固结理论与动力固结理论的模型对比图，表9.1-1为两种模型对比表。56静力固结模型动力固结模型①不可压缩的液体；②固结时液体排出的孔径不变；③弹簧刚度为常数；④无摩擦活塞。①含有少量气泡的可压缩液体；②固结时液体排出的孔径是变化的；③弹簧刚度为常数；④有摩擦活塞。表9.1-1静力固结与动力固结两种模型对比表7动力固结理论可概括为以下几方面：（一）饱和土的压缩性传统的固结理论以孔隙水的排出是饱和细颗粒土出现沉降的前提为条件。但在进行强夯施工时，在瞬时荷载作用下，孔隙水不能迅速排出，显然这就无法解释强夯时立即发生沉降这一现象。Menard以为，由于土中有机物的分解，第四纪土中大多数都含有微气泡形式出现的气体，其含气量大约在1%~4%，强夯时，气体压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，液相、气相体积减少，即饱和土具有可压缩性。根据试验，每夯击一遍，气体体积可减少40%。强夯时，含气孔隙水不能消散而具有滞后现象，气相体积不能立即膨胀，这一现象由动力固结模型中活塞与筒体间存在摩擦来模拟。8（二）局部液化强夯时，土体被压缩，夯击能越大，沉降越大，孔隙水压力也不断增加，当孔隙水压力达到上覆土压力时，土体产生液化，这时土中吸着水变为自由水，土的强度下降到最小值（见图9.1-2），即土体的压缩模量是可变的，在动力固结模型中以可变弹簧刚度来模拟。在图9.1-2中，与液化压力相对应的能量为“饱和能”，一旦达到“饱和能”，再继续施加能量，不仅毫无效果，还起重塑破坏作用。910（三）渗透性变化在强夯的冲击能量作用下，当土中的超孔隙水压力大于土颗粒间的侧向压力时，土颗粒间会出现裂隙并形成树枝状排水通路，使土的渗透性变好，孔隙水能顺利排出。图9.1-3为土的渗透系数与液化度关系曲线。当液化度小于临界液化度ai时，渗透系数成比例增长，当液化度超过ai时，渗透系数骤增，夯坑周围出现冒气冒水现象。随着孔隙水压力消散，土颗粒重新组合，此时土中液体又恢复到正常状态。夯击前后土的渗透性的变化，可用一个孔径可变的排水孔进行模拟。1112（四）触变恢复土体在夯击能量作用下，结构被破坏，当出现液化时，抗剪强度几乎为零，但随着时间的推移，土的结构逐渐增长，这一过程称为触变恢复，也称为时效。饱和土随强度的变化见图9.1-4。地基土强度增长规律与土体中孔隙水压力有关。由图9.1-4，液化度为100%时，土的强度降到零；但随着孔隙水的消散，土的强度逐渐增长，存在一个触变恢复阶段，这一阶段能持续几个月，据实测资料，夯击6个月后所测得的强度比一个月所测得的强度增长20%~30%，而变形模量增长30%~80%。1314二、动力夯实强夯加固多孔隙颗粒、非饱和土是基于动力夯实的机理。夯锤夯击地面的冲击能量是以振动波的形式在地基中传播，其中对地基加固起作用的主要是纵波和横波。纵波使土体受拉、压作用，使孔隙水压力增加，导致土骨架解体；横波使解体的土颗粒处于更密实的状态。因此，土体在冲击能量作用下，被挤密压实，强度提高，压缩性降低。根据工程实践，非饱和土夯击一遍后，夯坑可达0.6~1.0m深，坑底形成一层厚度为夯坑直径1.0~1.5倍的硬壳层，承载力可提高2~3倍。15三、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、石层或桩柱。目前，动力置换有3种形式：（1）动力置换砂柱：当地基表层为适当厚度的砂覆盖层，其下卧层为高压缩性淤泥质软土时，采用较低的夯击能将表层砂夯挤入软土层中，形成一根根砂柱。（2）动力置换碎石桩：先在软土表面堆铺一层碎石料，利用夯锤夯击成孔，向夯坑中填料后再夯击，直至夯实成桩。（3）动力置换挤淤：在厚度不是很大的淤泥质软土层上抛填石块，利用抛石自重和夯锤冲击力使块石沉到持力硬土层，将大部分淤泥挤走，少量留在石缝中，利用块石之间的相互接触，提高地基的承载能力。169.2强夯法设计计算一、强夯参数选择（一）有效加固深度强夯法的有效加固深度是指起夯面以下，经强夯加固后，土的物理力学指标已达到或超过设计值的深度。其判别标准可参考表9.2-1。强夯法的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定，在缺少资料或经验时可按表9.2-2预估。17表9.2-1加固深度判别标准土层加固深度判别标准软土一般要求fk≥150kPaps≥500kPa一般粘性土fk≥160kPaps≥500kPa饱和砂土和粉土①《建筑抗震设计规范》GBJ11-89标准NNcrNcr=N0[0.9+0.1（ds-dw）]c3式中：N——实测标贯值；ds——饱和砂土或粉土标贯点所处深度（m）；dw——地下水位埋深（m）；Ncr——液化判别标准入锤击数临界值；N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，对粉砂和粉土，设计烈度为70时分别为7和6；80时分别为8和7，；90时分别为9和8。c——粘粒含量百分率。当c≤3时，取c=3，c≥12时，取c=12。②fk=150kPa;③N=10~15;④ps=5000~10000kPa黄土及新近堆积黄土s≤0.015c≥0.87d≥15kN/m3;垫层时c=0.93表中：c——静力触探试验比贯入阻力（kPa）;s——湿陷系数；c——压实系数；1819另外，也可按修正后的Menard公式进行预估：H=a·10hM(9.2-1)式中：H——加固深度（m）；M——锤重（kN）；h——落距（m）；a——小于1的修正系数，变动范围为0.35~0.8，饱和软土取0.45~0.5，一般粘性土取0.5，砂性土取0.7，填土取0.6~0.8，黄土取0.35~0.5。20（二）每次夯点的夯击次数•夯点的夯击次数，应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满足下列条件：1最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能小于4000kN·m时为50mm；当单击夯击能为4000~6000kN·m时为100mm；当单击夯击能大于6000kN·m时为200mm；2夯坑周围地面不应发生过大的隆起；3不因夯坑过深而发生提锤困难。21（三）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。22（四）两遍夯击之间的时间间隔•两遍夯击之间应有一定的时间间隔，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。23（五）夯击点位置•夯击点位置可根据基底平面形状，采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。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。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。24(六）强夯处理范围•强夯处理范围应大于建筑物基础范围，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。25（七）现场试夯•根据初步确定的强夯参数，提出强夯试验方案，进行现场试夯。应根据不同土质条件待试夯结束一至数周后，对试夯场地进行检测，并与夯前测试数据进行对比，检验强夯效果，确定工程采用的各项强夯参数。26（八）强夯地基承载力特征值•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有关规定确定。•（九）强夯变形计算•强夯地基变形计算应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007有关规定。夯后有效加固深度内土层的压缩模量应通过原位测试或土工试验确定。27282930二、施工方案的制定（一）应取得的资料(1)场地地层分布、土层的均匀性及承载能力；(2)土的物理力学性质、地下水类型及埋藏条件；场地周围建筑物的情况，离场地的距离以及场地内各种地下管线的位置和标高。(3)场地周围建筑物的情况，离场地的距离以及场地内各种地下管线的位置和标高。31（二）拟定初步施工方案（1）根据加固目的，土质情况及建筑物的变形要求，确定处理深度。由处理深度根据表9.2-2或下式估算单击夯击能E：E=m·h=10)(2aH(9.2-2)（2）夯锤与落距的选择：①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。自由落体冲量公式为：F=m·gh2(9.2-3)32式中：F——夯锤着地时的冲量；g——重力加速度；m——夯锤质量；h——落距。将h＝E/m代入上式得：F=gME/2(9.2-4)即：夯锤越重，冲量越大，加固效果越好。根据有关单位在湿陷性黄土地基上进行的对比试验表明，20t锤5m落距比10t锤10m落距加固效果要好，见表9.2-3。表9.2-3重锤低落距与轻锤高落距加固效果对比锤重（t）×落距（m）干密度平均值（g/cm3）孔隙比平均值（%）压缩量Es1-2平均值（MPa）湿陷系数20×51.65766.813.380.003210×101.58472.012.30.0041改善幅度4.6%7.2%8.8%22%33但锤重越大，对起吊设备要求越高，一般国内常用的夯锤有8t、10t、12t、16t、20t、25t几种，落距为8~20m。因此，在起吊设备能力范围内可选质量大的锤。2）夯锤的选择夯锤的材料可采用铸钢，也可采用钢板壳内填混凝土。夯锤的形状有方柱体和圆台状等，常用的锤体结构见图9.2-4。根据实践，一般锥底锤、球底锤的加固效果较好，适用于加固较深层土体，而平底锤适用于浅层及表层地基加固。34•夯锤的底面积对加固效果也有直接的影响，对同样的锤重，当锤底面积太小时，静压力就大，夯锤对地基土的作用以冲切力为主；若锤底面积过大，静压力就太小，达不到加固效果。锤底面积应按土的性质确定，一般锤底静压力可取25~40kPa，对饱和细颗粒土宜取较小值。对砂土，锤底面积一般为2~4M2，对粘性土一般为3~4m2，淤泥质土可取4~6m2。3536（3）初步确定夯击点间距、布置方式及夯击次数、夯击遍数等。（4）根