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1第八章强夯法及强夯置换法第一节概述强夯法是法国梅那（Menard）技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，亦称动力固结法，迄今已为国内外广泛采用。该法一般是以8～40t重锤（最重为200t）起吊到一定高度（一般为8～30m），令锤自由落下，对土体进行强力夯实，以提高其强度、降低其压缩性的一种地基加固方法。它是重锤夯实法的基础上发展起来的，但又与重锤夯实法迥然不同的一项新技术。此法当初仅用于加固砂土、碎石类土地基。强夯法的第一个工程用于处理滨海填土地基，该场地表层为新近填筑的厚度约为9m的碎石填土，其下是12m厚的疏松砂质粉土，场地上要建20栋8层住宅楼，由于碎石是新近堆积，如采用桩基，负摩擦阻力很大，将占单桩承载力的60%～70%，不经济。采用堆载预压法处理地基，堆载历时3个月，堆载高度为5m，只沉降200mm。用强夯法锤重80kN，落距10m，单击夯击能为800kN.m，单位夯击能1200kN.m/m2，仅夯击一遍，整个场地的平均沉降量为500mm。8层建筑采用基底应力300kpa，建造的楼房竣工后，其平沉降量仅为13mm，如图8·1·1所示。图8·1·1堆载预压与强夯效果对比强夯法经过几十年的发展，它已适用于加固从砾石到粘性土的各类地基土。在我国常用来处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土、粘性土、杂填土、素填土、湿陷性黄土等各类地基。这主要是由于施工方法的改进和排水条件的改善。它不仅能提高地基的承载力，同时，还能改善地基抵抗振动液化的能力，消除湿陷性黄土的湿陷性。为处理软土地基，还发展了预设的袋装砂井，或塑料板排水的强夯法、夯扩桩加填渣强夯法，强夯填渣挤淤法，碎石桩强夯法等。强夯法具有设备简单、原理直观、施工速度快、不添加特殊材料、造价低、适用范围广泛，可用于加固各种填土、湿陷性黄土、碎石土、砂土、一般粘性土、软土以及工业、生活垃圾等地基，特别是非饱和土加固效果显著。对饱和土加固地基的效果好坏，关键在于排水，如饱和砂土地基、渗透性好，超孔隙水压力容易消散，夯后就固结快。对于饱和的粘性土或淤泥质土，由于渗透性差，土体内的水排出困难，加固效果就比较差，必须慎重对待。目前，对这类地基用砂井排水与强夯结合使用，加固效果就比较好。强夯法可适合于房建、桥涵、道路、油罐、港口、码头、铁路地基、飞机场跑道和大型设备基础等工程。而且加固速度快、效果好、投资省、最适当最经济而简便的地基加固方法之一。强夯法加固后的地基压缩性可降低200%～1000%，而强度可提高200%～500%（有的文献介绍，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%）。用强夯法处理垃圾土，尚可使有害气体迅速排出，有利于环境保护，为废渣利用开辟2了新途径。强夯法与以往的机械夯实、爆炸夯实等比较有以下特点：1.平均每一次夯击能量比普通夯法能量大的多。2.以往的夯实方法，能量不大，仅使地表夯实紧密，但能量不能向深处传递，其结果仅限于表层加固，而强夯法能按照我们的预计效果进行控制施工，可根据地基的加固要求来确定夯击点间距击夯击方式，依次按需要加固的深度进行改良，使地基深层得到加固。3.在施工中，必要的夯击能量可以分几遍进行夯击。4.地基经过强夯加固后，能消除不均匀沉降现象，这是任何天然地基所不能达到的。强夯法最适宜的施工条件：1、处理深度最好不超过15m，（特殊情况出外）。2、对饱和软土、地表面应铺一层较厚的砂石、砂土等优质填料。3、地下水位离地表面下2～3m为宜，也可采用降水强夯。4、施工现场离既有建筑物有足够的安全距离（一般大于10米），否则不宜施工。5、夯击对象最好为粗颗粒土组成。在遇到低洼地填土区高饱和度的粘性填土和沿海地带在海积淤泥层上用开山的山石料填海造地的情况，显然，普通的强夯处理方法已不实用。应用强夯置换的原理，在夯坑中回填砂石或炉渣等材料，夯后形成一个砂石墩，用作建筑物的持力基墩。碎石墩与墩间形成复合地基以提高地基承载力，减小沉降。强夯置换法适用范围广泛。通过在多种工程中的实践证明，夯实后的土体力学性能得到了很好的改善，这也是采用强夯法加固地基的主要功效。尽管强夯法和强夯置换法已得到普遍推广与应用，但对其机理仍在研究之中。根据多项工程的分析，强夯法与其他加固方法相比较，在经济上具有较大的优越性，见表8-1-1。常用软土地基加固方法经济比较表8·1·1加固方法强夯法砂井预压挤密砂桩钢筋混凝土桩化学拌合造价比0.31.02.04.04.0第二节加固机理目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实（DynamicCompaction）、动力固结（DynamicConsolidation）和动力置换（DynamicReplacement），它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。一、动力密实采用强夯法加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力3荷载，在土中形成很大的冲击波（主要是纵波和横波），土体因受到很大的冲击力，此力远远超过了土体的强度。在此冲击力的作用下，土体被破坏，土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体、颗粒重新排列，土在动荷载作用下被挤密压实，强度提高，压缩性降低。非饱和土的夯实过程，就是土中的空气被挤出的进行，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，地面会立即产生沉陷，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为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小，最大可减小60%。二、动力固结用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即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。梅纳根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同看法，认为饱和土是可以压缩的新机理，如图8·2·1（b）所示。主要表现有四个方面的特性见表8·2·1。图8·2·1新、旧固结理论（a）静力固结理论模型.（b）动力固结理论模型静力固结和动力固结理论对比表8·2·1静力固结理论动力固结理论①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含有少量气体的可压缩的液体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1、饱和土的压缩性由于土中有机物的分解，土中总存在一些微小气泡，土颗粒之间的孔隙水也有孔隙可压缩，其体积占整个体积的1%～3%，最多可达4%。实行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大（产生超孔隙水压力）。随后气体有所膨胀；孔隙水排出，孔隙水压力减少，固相体积始终不变。这夯击一遍，液相体积就有所减少，气相体积也有减少，这是与以往的固结理论不同之处。在冲击力作用下，含有空气的孔隙水不能立即消散而具有滞后现象。气相的体积也不可能立即膨胀，这可用图8·2·1模型中活塞与筒体之间存在摩擦力来加以说明。土颗粒周围的吸着水，由于振动或温度上升而变作自由水。其结果是土颗粒之间的内聚力削弱，土的强度降低，这可用图8·2·1模型中，弹簧强度是可变来加以说明。42、土体液化土体沉降与夯击能成正比，当夯击能达到一定程度时，即当气体的体积百分比接近于零时，土质具有不可压缩性，此界限值称为饱和能，饱和能的大小与土的种类有关。一般为500～2000kN.m/m3。夯即能达到饱和能时，土体产生液化，吸着水变成了自由水，土的强度下降到最小值。必须注意，一旦达到饱和能量的瞬间，就不能在夯击，否则对土体固结不利。因为夯击能过大，土体固结条件遭到破坏，孔隙水反而不易排出，土体强度降低后难以恢复。3、渗透性变化当夯击能增大到饱和能时，孔隙水压力上升到与竖向应力相等〔即U=σ,而τ0=(σ-u),tgφ=0〕，夯击停止后，孔隙水压力迅速消散。如果仍使用夯击前土的渗透系数，就无法解释孔隙水压力何以能如此迅速消散。所以梅纳认为，在很大的夯击能作用下，土中出现很大的应力和冲击波，致使地基内部出现裂缝形成树枝状排水网路入图8·2·2所示。图8·2·2树枝状排水网路图强夯时土体局部液化，即这一瞬间的孔隙水压力等于总压力所产生的超孔隙水压力，使土颗粒之间出现裂隙，形成排水通道，土的渗透系数陡增。当孔隙水压力消散，达到小于土颗粒之间的横向压力时，裂隙闭合，土中水的运动又恢复常态，如图8·2·3中表现为二段不同斜率的直线，这可用图8·2·1模型中孔径是变化的来加以说明，图8·2·4表示渗透系数随孔隙水压力U与全应力σv之比的变化情况。图8·2·3强夯后孔隙水压力的消散图8·2·4渗透系数随孔隙水压利与全应力之比的变化4、触变的恢复从实验中可知，在夯实进行中土的抗剪强度明显的降低，当土体液化或接近液化时，抗剪强度为零或最小，吸附水变成自由水。当孔隙水压力消散，土的抗剪强度和变形模量大幅度的增长，土体颗粒间的接触更加紧密，新的吸附水层逐渐固定，这是由于自由水重新被土颗粒吸附变成了吸着水的缘故。这就是具有触变性的土的特性，触变性与土质种类有很大关系，有的恢复的快，有的恢复的非常慢。所以强夯效果的检验工作宜在夯后4～5周进行。5应当指出，土在触变恢复过程中，对振动是十分敏感的，所以在这期间进行测试工作时一定要十分注意。通过大量的试验实测资料，证实了梅纳提出的新的动力固结理论是正确的，强夯对饱和粘性土地基加固是有一定效果的，如果夯击参数选择得合理，效果更为显著一些。三、动力置换动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图8·2·5所示。整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩（或墩）间隔地夯入软土中，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，它主要是靠石内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用，目前强夯置换中常用的有以下三种情况：图8·2·5动力置换类型(a)整式置换(b)桩式置换1、当地基表层为具有适当厚度的砂垫层、下卧层为压缩性的淤泥质软土时，采用低能量夯，通过强夯将表层砂挤入软土层中，形成一根治砂桩，这种砂桩的承载力很高，同时，下卧的软土也可通过置换砂桩加速固结，强度得以提高。2、同上，软地基的表面也常堆填一层一定厚度的碎石料，利用夯锤冲击成孔，再次回填碎石料，夯实成碎石桩。3、在厚3～5米的淤泥质软土层上面抛填石块，利于抛石自重和夯锤冲击力使石块座到硬土层上，淤泥大部分被挤走，少量留在石缝中，形成强夯置换的块石层。利用石块之间的相互接触，提高地基承载力。亦类似于垫层中的“抛石挤淤”法，同时下卧层的软土也得以快速固结，提高了下卧层的强度。四、震动波压密理论法国梅纳指出，由于强夯是巨大的冲击能量，使土体产生强烈的震动和应力，而导致土体中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水顺利溢出，土体迅速固结以达到减少沉降提高承载能力的目的。目前，除了梅纳理论对强夯机理作了解释外，还有用震动波理论的原理来分析强夯法机理的。震动波压密理论强夯的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面一瞬间，在重锤作用于地面一瞬间，使土产生强烈震动，类似于地震的震源（但与地震有许多不同之处），在地基土中产生震动波，从震源向四周传播。又因地基为一弹塑性材料，在巨大的冲击作用下，质点在连续介质内震动，其震动的能量可以传递给周围介质，而引起周6围介质的震动，震动在介质内的传布过程形成波，根据其作用、性质和特点的不同波，可分为体波和面波两种。强夯主要是体波起加固做用，体波又分为纵波和横波，纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向是一致的，同时伴随着产生体积的变化，一般表现为周期短，振幅小。横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，不产生体积的变化，如图8·2·6所示。一般表现为周期较长，振幅较大。横波只能在固体里传播，而