强夯法和强夯置

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 强夯和强夯置换,地基处理,第四章 强夯法和强夯置换法,主要内容, 4.3,设计计算, 4.2,加固机理, 4.1,概述, 4.4,1,强夯法是反复将很重的锤提到一定高度使其自由落下，给地基以冲击和振动能量，从而提高地基的强度并降低其压缩性，改善地基性能。夯锤重10t40t，提升高度10m40m。,2,3,4,强夯法是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法,可提高地基土的强度（一般地基强度可提高2-5倍）,、降低土的压缩性（压缩性可降低2-10倍 ）、增加密实度（可到达90%以上）、加固影响深度可达到6-10米、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。,4.1,概述,5,强夯法1969年首次应用于夯实法国的Rivier。a滨海填土。该场地是新近填筑的，地表下为9 m厚的碎石填土，其下是12 m厚疏松的砂质粉土，场地上要求建造20栋8层的住宅楼。由于碎石填土完全是新近填筑的，如使用桩基，将意味要产生占单桩承载力6070的负摩擦力，十分不经济；且对较轻的结构如不同时使用桩基支承，则结构将产生差异沉降，可能导致结构的破坏。,后用堆载预压，堆土5 m厚，在约100 kPa压力下，历时3个月，沉降平均仅20 cmi承载力仅提高30，加固效果不显著。,6,最后由法国工程师L Menard提出，用锤重80 kN的重,锤，以落距10 m，每击冲击能800 kNm，总能量1 200,kJm。的参数将该场地夯击一遍，地面沉降了50 cm。,夯后检测表明土工指标得到改善，旁压仪的资料证明土,的强度提高了23倍。建造的8层住宅楼竣工后，其平,均沉降仅为13 mm，而差异沉降可忽略不计。,1971年后，该方法在法国、英国、德国、瑞典等国家得到了推广，各届国际土力学及基础工程学会会议及世界各地区域性土力学会议上都有大量论文发表。,7,我国于1978年11月至1979年初首次由交通部一航局科研所及其协作单位，在天津新港3号公路进行了强夯试验研究。在初次掌握了这种方法的基础上，于1979年8月又在秦皇岛码头堆煤场细砂地基进行了试验并正式使用，效果显著。此后，强夯法在全国各地迅速推广。据不完全统计，迄今全国已有十几个省市在数百项工程中采用，并发表了大量论文，取得了明显的社会经济效益。,强夯法经过30余年的发展，已广泛应用于一般工业与民用建筑、仓库、油罐、公路、铁路、飞机场跑道及码头的地基处理中，主要适用于加固砂土和碎石土、低饱和度粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。,8,强夯法以其适应性强、效果好、造价低、工期短等优点，成为我国地基处理的一项重要技术。,对于饱和粘性土地基，近年来发展了强夯置换法，即利用夯击能将碎石、矿渣等材料强力挤入地基，在地基中形成碎石墩，并与墩间土形成碎石墩复合地基，提高地基承载力和减小地基沉降。,具有加固效果显著、施工工期短和施工费用低等优点。,强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软塑一流塑的粘性土等地基上对变形要求不严的工程。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,9,综上述：,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、素填土和杂填土等地基。,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，同时应在设计前通过现场试验确定其适用性和处理效果。,10,工程实践表明，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界各国工程界所重视。对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。但对饱和软土的加固效果，必须给予排水的出路。为此，强夯法加袋装砂井(或塑料排水带)是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。,11,4.2,加固机理,强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。,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，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。,12,一、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。,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。实际工程表明，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。,非饱和土在中等夯击能量10002000kNm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少，最大可减少60%。,13,二、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。动力固结理论可概述为：,14,1.饱和土的压缩性,Menard教授认为，由于土中有机物的分解，第四纪土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体，其含气量大约在1%4%范围内，进行强夯时，气体体积压缩， 孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水压力就减少。这样每夯击一遍，液相气体和气相气体都有所减少。根据实验，每夯击一遍，气体体积可减少40%。,15,2.局部产生液化,在重复夯击作用下，施加在土体的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。因此，土体的沉降量与夯击能成正比。当气体按体积百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。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。孔隙水压力与液化压力之比称为液化度，而液化压力即为覆盖压力。当液化度为100%时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为“饱和能”。此时， 吸附水变成自由水，土的强度下降到最小值。一旦达到“饱和能”而继续施加能量时，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。,16,3.渗透性变化,在很大夯击能作用下，地基土体中出现冲击波和动应力。当所出现的超孔隙水压力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。在有规则网格布置夯点的现场，通过积聚的夯击能量，在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。,当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合，土中水的运动重新又恢复常态。国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土颗粒间吸附水转化成为自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。,17,4.触变恢复,在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，使土的强度达到最低值。此时土体产生裂隙，而土中吸附水部分变成自由水，随着孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水，这也是具有触变性土的特性。,鉴于以上强夯法加固的机理，Menard对强夯中出现的现象，又提出了一个新的弹簧活塞模型，对动力固结的机理作了解释。,18,静力固结理论与动力固结理论的模型间区别主要表现为以下四个主要特性,19,三、动力置换,动力置换可分为整式置换和桩式置换。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，它主要是靠碎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。,20,4.3,强夯法的设计计算,一、有效加固深度,1.定义：经强夯加固后，该土层强度和变形指标等能满足设计要求的土层范围。,有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数。一般可按下列公式估算有效加固深度,式中,H,有效加固深度(m)；,M,夯锤重(t)；,h,落距(m)；,系数，须根据所处理地基土的性质而定,对软土可取0.5，对黄土可取0.340.5。,21,注：强夯的有效加固深度应从最初起夯面算起,强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上。深度不宜超过7m。,或按表4-2预估：,22,2.有效加固深度的影响因素 ：,单击夯击能（锤重和落距）、地基土的性质、不同土层的厚度、埋藏顺序和地下水位 等,二、夯锤和落距,单击夯击能：夯锤重与落距的乘积。,单位夯击能：加固场地的总夯击能量(即锤重落距总夯击数) 除以加固面积。,23,一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大, 夯击击数少, 夯击遍数也相应减少, 加固效果和技术经济较好。整个强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并可通过试验确定。在一般情况下，对粗颗粒土可取10003000kNm/m2，对细颗粒土可取15004000kNm/m2。,但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，这样可逐步增加土的强度，改善土的压缩性。,24,在设计中，根据需要加固的深度初步确定采用的单击夯击能，然后再根据机具条件因地制宜地确定锤重和落距。,一般国内夯锤可取1025t（最大为40t）。夯锤材质最好用铸钢，也可用钢板为外壳内灌混凝土的锤。夯锤的平面一般为圆形或方形，夯锤中设置若干个上下贯通的气孔，孔径可取250300mm，它可减小起吊夯锤时的吸力(试验测出，夯锤的吸力可达三倍锤重)；又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。,25,锤底面积,宜按土的性质确定，锤底静压力值可取2540kPa，对砂性土和碎石填土，一般锤底面积为24m,2,；对粘性土用34m,2,；对于淤泥质土用46m,2,；对于黄土用4.55.5m,2,。同时应控制,夯锤的高宽比,，以防止产生偏锤现象，如黄土，高宽比可采用1:2.51:2.8。,夯锤确定后，根据要求的单点夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距是825m。对相同的夯击能量，常选用大落距的施工方案，这是因为增大落距可获得较大的接地速度，能将大部分能量有效地传到地下深处，增加深层夯实效果，减少消耗在地表土层塑性变形的能量。,26,三、最佳夯击能,定义：地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力时对应的夯击能，称为最佳夯击能。,1、黏性土最佳夯击能的确定方法,在黏性土中，由于孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力亦相应叠加，因而在黏性土中，可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。,27,2、砂性土最佳夯击能的确定方法,在砂性土中，由于孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟，因此，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，因此可绘制孔隙水压力增量与夯击击数（夯击能）的关系曲线，当孔隙水压力随着夯击击数（夯击能）增加而逐渐趋于恒定时，可认为该种砂土所能接受的能量已达到饱和状态，此能量即为最佳夯击能。,夯点的夯击次数，可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4 000 kNm时为50 mm，当单击夯击能为4 0006 000 kNm时为100 mm，当单击夯击能大于6 000 kN。m时为200 mm；,28,(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。,也可参照夯坑周围土体隆起的情况予以确定，就是当夯坑的竖向压缩量最大而周围土体的隆起最小时的夯击数，为该点的夯击次数。夯坑周围地面隆起量太大，说明夯击效率降低，则夯击次数要适当减少。对于饱和细粒土，击数可根据孔隙水压力的增长和消散来决定；当被加固的土层将发生液化时，此时的击数即为该遍击数，以后各遍击数也可按此确定。,29,四、夯击点布置及间距,1、夯击点布置夯击点布置一般为三角形或正方形。强夯处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/22/3，并不宜小于3m。,2、夯击点间距夯击点间距(夯距)的确定，一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。,对于细颗粒土，为便于超静孔隙水压力的消散，夯点间距不宜过小。,30,当要求处理深度较大时，第一遍的夯点间距更不宜过小，以免夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递。,此外，若各夯点之间的距离太小，在夯击时上部土体易向周围已夯成的夯坑中挤出，从而造成坑壁坍塌，夯锤歪斜或倾倒，影响夯实效果。,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。以保证使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则,。,31,32,图59表示了两种夯击点的布置及夯击次序。,图59(a)中，13个击点夯一遍分三次完成。第一次夯5点，4.2 m4.2m正方形布置；第二次夯4点，4.2m4.2 m正方形布置；第三次夯4点，3 m3m正方形布置。三次完成后13个夯击点为2.1 m2.1 m正方形布置。,图59(b)中，9个击点夯一遍分三次完成。第一次夯4点，6 m6 m正方形布置；第二次夯1点，在6m6 m正方形中心；第三次夯4点，,4.24.2,正方形布置。三次完成后9个夯击点为33正方形布置。,33,五、夯击击数与遍数,1、夯击击数各夯击点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为410击。,2、夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质和平均夯击能确定。一般点夯23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，锤印彼此搭接。,34,六、垫层铺设,强夯前要求拟加固的场地必需具有一层稍硬的表层，使其能支承起重设备；并便于对所施工的“夯击能”得到扩散；同时也可加大地下水位与地表面的距离，因此有时必需铺设垫层。对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石土层，可直接施行强夯，无需铺设垫层；对地下水位较高的饱和粘性土与易液化流动的饱和砂土，都需要铺设砂、砂砾或碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动。垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及其形状等条件而定。当场地土质条件好，夯锤小或形状构造合理，起吊时吸力小者，也可减少垫层厚度。垫层厚度一般为0.52.0m。铺设的垫层不能含有粘土。,35,七、间歇时间,各遍间的间歇时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。对砂性土，孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间，消散时间只有24min故对渗透性较大的砂性土，两遍夯间的间歇时间很短，亦即可连续夯击。对粘性土，由于孔隙水压力消散较慢，故当夯击能逐渐增加时，孔隙水压力亦相应地叠加，其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况，一般为34周。目前国内有的工程对粘性土地基的现场埋设了袋装砂井(或塑料排水带)，以便加速孔隙水压力的消散，缩短间歇时间。有时根据施工流水顺序先后，两遍间也能达到连续夯击的目的。,36,八、现场测试,现场测试主要内容 ：,(1)地面沉降观测。每夯击一次应及时测量夯击坑及其周围地面的沉降、隆起。通过每夯击后夯击坑的沉降量控制夯击数。通过地面沉降观测可以估计强夯处理地基的效果。,(2)孔隙水压力观测。沿夯击点等距离不同深度以及等深度不同距离埋设孔隙水压力测头，测量在夯击和间歇过程中地基土体中孔隙水压力沿深度和水平距离变化的规律，从而确定夯击点的影响范围，合理选用夯击点间距和夯击问歇时间等。,37,(3)强夯振动影响范围观测。通过测试地面振动加速度可以了解强夯振动影响范围。,一般建议夯坑离建筑物的最小距离为1520 m。为了减小强夯振动对建筑物的影响，可在夯区周围设置隔振沟。,(4)深层沉降和侧向位移测试。为了了解强夯处理过程中深层土体的位移情况，可在地基中设置深层沉降标测量不同深度土体的竖向位移和在夯坑周围埋设测斜管测量土体侧向位移沿深度的变化。通过对地基深层沉降和侧向位移的测试可以有效地了解强夯处理有效加固深度和夯击的影响范围。,38,4.4,强夯置换法的设计,强夯置换法的设计内容与强夯法基本相同，也包括：起重设备和夯锤的确定、夯击范围和夯击点布置、夯击击数和夯击遍数、间歇时间和现场测试等。,强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上。深度不宜超过7m。墩体材料可采用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30。,强夯置换锤底静接地压力值可取100200kPa,。,39,夯点的夯击次数应通过现场试夯确定，且应同时满足下列条件：,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应满足强夯法的规定,墩位宜采用等边三角形或正方形布置。对独立基础或条形基础可根据基础形状与宽度相应布置。,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。,40,墩顶应铺设一层厚度不小于500mm的压实垫层，垫层材料可与墩体相同，粒径不宜大于100mm。,处理范围应大于基础范围。每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的12至23，并不宜小于3 m。,确定软粘性土中强夯置换墩地基承载力特征值时，可只考虑墩体，不考虑墩间土的作用，其承载力应通过现场单墩载荷试验确定，对饱和粉土地基可按复合地基考虑，其承载力可通过现场单墩复合地基载荷试验确定。,41,4.5,施工工艺,一强夯法施工,强夯法施工可按下列步骤进行：,(1)清理并平整施工场地；,(2)标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；,(3)起重机就位，夯锤置于夯点位置；,(4)测量夯前锤顶高程；,(5)将夯锤起吊到预定高度，开启脱钩装置，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平。,42,(6)重复步骤(5)，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击；,(7)换夯点，重复步骤(3)至(6)，完成第一遍全部夯点的夯击；,(8)用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；,(9)在规定的间隔时间后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。,43,二、强夯置换法施工,强夯置换法施工可按下列步骤进行：,(1)清理并平整施工场地，当表土松软时可铺设一层厚度为1.02.0 m的砂石施工层；,(2)标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；,(3)起重机就位，夯锤置于夯点位置；,(4)测量夯前锤顶高程；,(5)夯击并逐击记录夯坑深度。当夯击过深而发生起锤困难时停夯，向坑内填料直至与坑顶平，记录填料数量，如此重复，直至满足规定的夯击次数及控制标准完成一个墩体的夯击。当夯点周围软土挤出影响施工时，可随时清理，并在夯点周围铺垫碎石，继续施工；,44,(6)按由内向外、隔行跳打原则完成全部夯点的施工；,(7)推平场地，用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程；,(8)铺设垫层，并分层碾压密实。,三、施工监测,施工过程中应有专人负责下列监测工作：,(1)开夯前应检查夯锤质量和落距，以确保单次夯击能量符合设计要求；,(2)在每一遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差或漏夯应及时纠正；,(3)按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量。对强夯置换法施工，尚应检查置换深度。,45,4.6,质量检验,强夯施工结束后应间隔一定时间方能对地基加固质量进行检验。对碎石土和砂土地基，其间隔时间可取12周；对粉土和粘性土地基可取24周。强夯置换地基间隔时间可取4周。,质量检验方法可采用：1) 室内试验；2) 十字板试验；3) 动力触探试验(包括标准贯入试验)；4) 静力触探试验；5) 旁压仪试验；6) 载荷试验；7) 波速试验。,46,强夯法检测点位置可分别布置在夯坑内、夯坑外和夯击区边缘。其数量应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定。对简单场地上的一般建筑物，每个建筑物地基的检验点不应少于3处；对复杂场地或重要建筑物地基应增加检验点数。检验深度应不小于设计处理的深度。强夯置换施工中可采用超重型或重型圆锥动力触探检查置换墩着底情况。强夯置换地基载荷试验检验和置换墩着底情况检验数量均不应少于墩点数的1，且不应少于3点。,47,强夯处理后的地基竣工验收时，承载力检验应采用原位测试和室内土工试验。强夯置换后的地基竣工验收时，承载力检验除应采用单墩载荷试验检验外，尚应采用动力触探等有效手段查明置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化，对饱和粉土地基允许采用单墩复合地基载荷试验代替单墩载荷试验。,48,