4强夯法与强夯置换法

4强夯法与强夯置换法强夯法又名动力固结法，是一种快速加固的地基处理方法。强夯法是指用起 重机将重锤提到一定高度，利用自动脱钩法使重锤自由下落，冲击能夯实地基， 从而提高地基土的强度、降低土的压缩性的方法。1969年，法国的路易斯梅那德(Louis Menard)技术公司首次提出强夯法 (Dynamic consolidation method)。强夯法开始适用于砂土和碎石地基，随着技术 的发展，逐渐推广到细粒土地基。20世纪70年代初，我国引进强夯法，经过几 十年的发展，在路桥、水利、建筑方面得到广泛的应用，是目前最经济、最常用 的深层地基处理办法之一。强夯法在处理湿陷性黄土方面取得了显著的效果，但 是对粘性土、淤泥、淤质泥土等饱和性较高的地基处理效果不是很理想。1991 年深圳建筑科学中心首创强夯碎石挤淤 法，打开了我国利用强夯法处理饱和性粘 土地基的新篇章。4.1加固机理强夯法在工程实践中受到广泛应用， 但目前仍然没有一套完善的指导理论和设 计方法，对于不同的土基有不同的加固机 理。综合归纳，强夯法主要有三个加固机 理方式：1) 动力密实(Dynamic Compaction)对于多孔隙、粗颗粒、非饱和土，是基于动力密实的机理。利用冲击型动力荷载，减小土体的孔隙体积，从而使 土体密实。工程实践表明，经夯击一遍后，夯坑深度可达0.61.0m，夯击后 的地基承载力可提高23倍。2) 动力固结(Dynamic Consolidation)为解释饱和黏性土的强夯效应，Louis Menard提出了动力固结模型。表4-1动力固结理论与静力固结理论的区别动力固结理论静力固结理论含有少量气泡的可压缩液体不可压缩的气体固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的弹簧刚度为变数弹簧刚度为常数活塞有摩阻力活塞没有摩阻力地基土的强度的变化规律与孔隙水压力的状态有关。进行夯击时，孔隙水压 力增大，土体冲击变形而强度减小，在液化阶段，强度降低为零；孔隙水排 出时孔隙水压力减小，此时为土的强度增长阶段；孔隙水压力涨幅为零，此 时为土的触变恢复阶段。3）动力置换（Dynamic Replacement）对于软黏土，往强夯形成的夯坑中填充碎石、砂等粗颗粒材料，强行夯击， 填料挤入软土中并排开土体，形成砂、碎石桩与软土的复合地基，这种方法 称为强夯置换法。动力置换分为桩式置换和整体置换，桩式置换的机理类似 于振冲法形式的碎石桩，利用碎石的内摩擦角和桩间土的侧限维持桩体平 衡，并与软土形成复合地基；整体置换的机理类似于换土垫层。4.2设计计算4.2.1强夯法设计强夯法施工参数一般包括：有效加固深度、强夯机具、夯锤质量与落距、单 点总夯击能（或夯击次数）与夯入度、夯击点间距、夯击遍数与间歇时间、加固 范围。1）有效加固深度在实际工程中，地基土的性质、土层深度、地下水位及强夯的其他设计参数 均对实测深度有影响，因此应根据现场试夯结果或当地经验来确定。在无经验或 试验资料时，可按下式预估：D=aQh式中：Q夯锤重量（kN）；h落距（m）；a修正系数，可按表4-2选用。单击夯击能指E= Qxho表4-2有效加固深度影响系数a土质湿陷性黄土一般黏性土、 粉土砂土碎石土（不包 括土）煤石块石矿渣人工填土a0.450.600.550.650.650.700.600.700.490.500.550.752）夯锤与落距的选择国内一般夯锤的重量为1040t。夯锤的平面分为圆形和方形，锤底的静压力值可取2540kPa。强夯细粒土时可能造成深坑，有关文献提出，夯坑深度不宜 小于夯锤宽度的一半，否则将会损失部分能量。因此对细粒土可取较小锤底静压 力值或加大锤底底面积。国内外资料表示，锤底面积对砂性土一般取34m2，对 黏性土不宜小于6 m2。夯锤的落距可根据夯锤的重量和要加固地基的深度来确定，国内取820m。3）夯击次数单点夯击次数一般按最后两击的沉降量之和或之差来确定。原冶金工业部做 了明确规定。表4-3单点夯击次数的确定土质最后两击沉降量之和s（cm）最后两击沉降量之和匡（cm）一般黏性土、粉土、湿陷性黄土1558粉砂、细砂101547砂土（不包括粉砂、细砂）、碎石 土、人工填土、矿渣煤矸石、矿渣 废石1035夯击次数可按下列公式计算:N=（EL2）/（Qh）式中：E一单位面积平均夯击能；L一加固范围（m）。实际施工时还应根据试夯得出的夯击次数与夯沉量的关系曲线来确定，要 求：最后3击的夯沉量平均值不大于50mm；夯坑周围不产生过大的隆起。4）夯击点间距夯距一般根据地基土性质和加固深度来确定。通常取59m。第一遍的夯击 点间距要大，避免相邻夯击点在浅层加固成硬壳层，影响夯击能向深处的传递； 下一遍的夯击点取上一遍夯击点的中间；后一遍以较低的夯击能进行满夯。对单 击能E较大或加固深度较深的地基，第一遍的夯点间距要适当加大。5）夯击遍数和间歇时间夯击遍数一般根据地基土性质和平均夯击能来确定，以不出现“翻浆”或“橡 皮土”为宜。对跳打夯击，取35遍；对连续夯击，取23遍。满夯时用较低的 夯击能多次夯击，锤印彼此重叠搭接。各遍的间歇时间要根据孔隙水压力的消散情况来确定。对黏性土，孔隙水压 力的消散较慢，一般为24周，6）加固范围加固范围确定的原则是：加固范围需比加固地基的长度和宽度每边扩出一个加固深度。4.2.2强夯置换法设计强夯置换法的设计参数与强夯法大部分一致，另外还包括：置换材料、桩体 参数、夯击次数。1）置换材料：对于整体置换法，宜采用级配良好、最大粒径不超过1m、 结构密实、不透淤泥、抗剪强度高的块石或石渣。对于桩式置换法，桩体材料宜 采用级配良好、粒径大于0.3m的颗粒含量不超过30%、抗剪强度高的块石、碎 石、石渣、建筑垃圾等粗颗粒材料。2）桩体参数：对桩式置换法，桩的深度由土质条件确定。除厚层饱和粉土 外，桩底穿透软弱土层，到达较硬土层上，深度不宜超过7m。桩的直径可取1.11.2 倍的夯锤直径。桩间距由荷载大小和地基土承载力确定，一般取3倍的桩直径。 桩顶应铺设不小于500mm厚的压实垫层，垫层材料可与桩体相同，粒径不大于 100mm。3）夯击次数：通过现场试夯确定夯点的夯击次数，同时还应满足：桩底透 过软土层且达到设计桩长；累计夯沉量总和为设计桩长的1.52.0倍；最后两击 的夯沉量应满足原冶金工业部提出的规定。4.2.3其他设计要求对于地下水位较高的饱和黏土地基，土体会发生流动，因此须铺设垫层，起 到支撑起重机、扩散“夯击能”的作用。垫层的材料可以选用砂、砂砾、碎石、卵 石等，但不能含有黏土。垫层的厚度根据地基土质、夯锤重量及形状结构等条件 而确定，一般为0.52.0m。强夯引起的振动与爆破的振动相似，但不同于地震。在一定范围内要考虑强 夯引起的振动，即安全距离。当单点夯击能为10002000kNm时，安全距离取 1215m；当夯击能大于2000kNm时，安全距离宜大于15m；对于沟槽、管线等 地下建筑，可取812m。强夯地点在距离建筑物较近时，应采取必要的防震措施， 比如设防震沟，具体的设计尺寸由现场试验决定。可以采用砂垫层、袋装砂井、塑料板排水法等排水措施，降低孔隙水压力。4.3强夯法施工工艺4.3.1施工准备（1）平整场地。清除障碍物，施工现场要保证场地平整。测量人员放出加 固地基的中线，根据加固深度放出强夯范围边线。强夯范围内铺设一定厚度的垫 层，可取0.5m厚碎石垫层。测量场地高程。（2）施工机械。根据地基条件、设计要求，选择合适的机械设备。包括起 重机、自动脱钩装置、夯锤、推土机。（3）在施工现场进行试夯，确定落距、单点夯击次数防震沟尺寸等施工参 数。（4）夯点放线。根据设计要求和试夯结果布置夯点。夯点间距为59m，呈 四方形，夯点中心用石灰标识。4.3.2施工流程强夯法的主要施工工艺流程图如下：循环图3-3强夯法施工工艺流程图1）机具就位：起重机就位，龙门架安放稳定，在龙门架上用小红旗标示出 落距。将夯锤用自动脱钩装置连接起重机，并提升至小红旗标示点。将夯锤对准 夯点中心，测量夯锤锤顶高程。2）重锤下落：启动自动脱钩装置，夯锤以自由落体至夯点，再次测量锤顶 高程。提升夯锤，回填夯坑至原地面高程，反复夯击。达到单点夯击次数规 定，完成一个夯点的夯击。3）点夯：重复2）工序，完成第一遍所有夯点的夯击。4）推平间歇：用推土机将夯坑填平，等待孔隙水压力消散。间歇时间一般 为24周。按照施工的流水顺序，当一遍点夯完时进行第二遍夯击的间隔可以达 到0要求，允许进行连续夯击。5）多遍点夯：重复3）、4）工序，对上一遍夯点的中间取二遍夯点。夯击 遍数根据设计要求决定。对跳打夯击，取35遍；对连续夯击，取23遍。6）满夯：点夯完成时，用推土机将夯坑填平。满夯时对整片处理范围用较 低的夯击能夯击一遍，锤印彼此重叠搭接。夯点以梅花状排列，每点夯击一次， 相邻夯点的距离不大于0.75倍的夯锤直径。4.3.3质量控制1）填料控制：对于强夯置换法，整体置换法宜采用级配良好、最大粒径不超 过1m、结构密实、不透淤泥、抗剪强度高的块石或石渣；桩式置换法宜采用级 配良好、粒径大于0.3m的颗粒含量不超过30%、抗剪强度高的块石、碎石、石 渣、建筑垃圾等粗颗粒材料。2）机械控制：确保夯锤对准夯点中心，控制夯锤的落距及下落平稳性。提升 夯锤后应回填夯坑至原地面高程。若有倾斜夯坑应及时填平，使夯击能向深处传 递，减小水平向损失。3）技术控制：认真记录每一击的夯沉量和周围土的隆起量，当隆起量大于 0.25倍的夯沉量时，应停止夯击。对于有些行业的单点夯击次数没有定性规定， 以“软土地基不破坏上部土体结构”为原则，做到：夯坑周围土体没有明显隆起； 夯坑深度不会造成提锤困难；前一击的夯沉量大于后一击。土体含水率对强夯效果有很大影响。一般在施工中控制含水量在最佳含水量 的98%102%左右。可以采用砂垫层、袋装砂井、塑料板排水法等排水措施，降 低孔隙水压力。强夯结束后表层会有0.40.5m厚的扰动层，属于薄弱层。因此在施工过程 中要采取必要的措施，减小或消除扰动层。4）安全控制：强夯地点在距离建筑物较近时，应采取必要的防震措施，比如 设防震沟，具体的设计尺寸由现场试验决定。当单点夯击能为10002000kNm 时，安全距离取1215m；当夯击能大于2000kNm时，安全距离宜大于15m； 对于沟槽、管线等地下建筑，可取812m。5）质量检测：强夯施工结束后，等待一段时间（软粘土间隔为34周）对加 固地基进行质量检验。采用动力触探测验地基从地表到设计加固深度的地基承载 力；并在每一试验点取土样，分析夯后土的干密度、湿陷密度等物理力学性能指 标；用环刀法测量夯后土的压实度。4.3.4应用分析1）能加固各种软弱地基。适用于碎石类土、砂类土、杂填土、低饱和粉土 和粘土、湿陷性黄土等地基的加固；对于高饱和软粘土 （淤泥及淤泥质土） 强夯处理效果较差，但若结合夯坑内回填块石、碎石或其他粗粒料，强 行夯入形成复合地基2）加固效果理想。强夯过程中沉降量即可达到设计要求的60%90%；夯 后压缩性可降低200500%,影响深度在510m,地基强度可提高25 倍；强夯可以有效的防止地震区的沙土液化。3）设备简单、施工简便。施工机械包括起重机、自动脱钩装置、夯锤、推 土机。施工流程操作简便，不需要太多的人手，便于施工管理和质量控 制。4）施工期较短。每台设备的月处理地基面积高达500010000m2。对于大面 积的处理范围，采用连续夯击，可以节省孔隙水消散的间歇时间。5）节约造价。强夯法同换填法相比，具有节省造价、节约用地的有点。与 其他处理方法相比可减少投资费用50%以上。6）不利城区施工。强夯时引起的震动对于周围人口稠密、建筑密集、场地 狭小的城区施工有不利的影响。强夯地点在距离建筑物较近时，还应采 取必要的防震措施。