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浅谈地基处理强夯法上海市第二市政工程有限公司(陈斌)阅读次数:3384隧道网 2006-01-15【文字大小：大中小】摘 要：本文详细介绍了强夯法的由来和在国内外的发展情况，着重阐述了强夯加固机理中的动力固结理论和震动波压密理论。另外，还介绍了强夯施工的一般流程和施工要点。最后，文章详细介绍了沪青平高速公路(中段)二标段工程中强夯法对软土路基处理的情况，并通过中期监测数据对加固效果进行了分析评价。关键词：强夯法、饱和能、震动波压密、沪青平高速公路1 前言任何建筑物的荷载最终将通过基础传递到地基上。凡是基础直接建造在未经加固的天然土层上时，这种地基称为天然地基。若天然地基很软弱，则事先要经过人工处理，这种地基称之为人工地基。而其处理过程就称为“地基处理”(SOIL TREATMENT)或“地基加固”(SOIL IMPROVEMENT)。地基处理方法主要分为：换土垫层法，深层密实法，排水固结法，化学加固法，加筋法和热学法。强夯法属于地基处理方式中的深层密实法中。强夯法设备简单，适用范围广泛，可用于填土、失陷性黄土、粘土、砂砾、碎石等各种土质。对于淤泥质软土的试验性施工证明，只要控制好施工参数，也是可行的。此法不仅用于房建工程，也适合桥涵、道路、港口码头和大型设备基础等工程，而且具有速度快、效果显著和节省投资等优点，是一种比较理想的地基处理方式。目前，上海强夯法的应用还不是十分广泛，特别是在软基处理研究和施工方面还比较缺乏经验，希望能通过本文对强夯理论和软基处理工程实例的介绍和分析，给强夯法在上海的推广和应用提供一些资料和借鉴。2 概述2.1 强夯法的由来及特性强夯法处理地基是六十年代末由法国Menard技术公司首先创造的。这种方法是将很重的锤(一般为100400kN)从高处自由落下落(落距一般为6-40m)给地基以冲击力和振动，从而提高土的强度并降低土的压缩性，改善土的振动液化条件和消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。同时，夯击能还可以提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。强夯法开始时仅用于加固砂土和碎石，经过几十年的发展，它以适用从砾石到粘性土的各种地基土，这主要是由于施工方法的改进和排水条件的改善。强夯法由于具有地基加固效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点，很快传播到世界各地。目前已经有几十个国家的数千项工程采用强夯法加固地基。2.2 国内外发展情况强夯法是法国Menard技术公司于1969年首创并创用的。由于强夯法特有的优点，所以在国外十分普遍。1974年英国工程师协会专门召开了深基础会议，在该次会议上Menard本人对强夯作了详细介绍。从那以后，十几年来第九、十、十一界国际土力学和基础工程会议上以及世界各地区性会议上，都发表了很多关于强夯的论文，对强夯的发展、完善起到了很大的推动作用。我国是1978年9月引进这项技术的，1979年首先在塘沽进行了强夯法加固粘土地基的实验研究。1979年6月分别在河北省廊坊与山西省阳泉，对轻亚粘土、粉细砂地基与黄土质砂粘土填方地基进行了处理。这是我国采用强夯法处理地基的最早两项工程。随后很快推广到北京、上海、天津、广州、深圳等很多地方，并且都取得了良好的技术经济效果，为国家节省了巨额基础工程费用。3 加固机理3.1 动力固结理论强夯法虽然已经在实践中证实了是一种比较好的地基处理方法，但到目前为止还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法。在第十界国际土力学和基础工程会议上，美国Menard教授在“地基处理”的科学发展水平报告中精辟的论述强夯法的传统固结机理：强夯法目前已经发展到地基土的大面积加固，深度可达30m。当应用于非饱和土时，压密过程基本上同实验室中的击实实验相同。在饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动密实的过程相似。这种方法对饱和细粒土的效果，成功和失败的例子都有报道。对这类土需要破坏土的结构、产生超空隙水压力以及通过裂隙形成排水通道。而强夯法对杂填土特别有效。实践证明，在夯击的工程中，土体的瞬时沉降可达几十厘米；土中产生液化后使土的结构破坏，土的强度下降到最小值；随后在夯击点出现径向裂隙，成为加速空隙水压力消散的主要通道；因粘性土具有触变性，使降低的强度得到恢复和增强。Menard教授实践，并结合传统的固结机理，提出了饱和土是可以压缩的新的机理，并现在得到了大多数科学家的认可。下面再作进一步的介绍。(1) 饱和土的压缩性在工程实践中，不论对土的性质如何，夯击时能立即引起地基土的很大沉降，这个结果对颗粒状土是可以理解的。对渗透性很小的饱和细粒土，孔隙水的排出被认为是考虑沉降的必要和充分条件，这是传统的固结理论的基本假定。由于饱和细粒土的渗透性低，因而在瞬时荷载作用下，空隙水不能迅速排出，这样就无法理解在强夯时回立即引起很大沉降的机理。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，其含量大约在1-4。进行强夯时气体体积压缩，空隙水压力增大，随后气体有所膨胀，空隙水排出的同时，空隙水压力就减小。这样每夯一遍，气相体积和液体积都有所减少。根据实验，每夯击一遍，气体体积可减少40。(2) 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。当气体按百分比接近于零时，土体变成不可压缩的。相应于空隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。如图1所示，液化度为空隙水压力与液化压力之比，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”而继续施加能量者，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。应当指出，天然土的液化常常是逐渐发生的，绝大多数沉积物是层状和结构性的。粉质土和砂质土层比粘性土层先进人液化。并应当注意到，强夯时所出现的液化，只是土体的局部液化。图1 夯击一遍情况(3) 渗透性变化在很大的夯击能作用下，地基土体中出现了冲击波和动应力。当所出现超孔隙水压力大雨颗粒间的侧向压力时，致使土颗粒间出现裂缝，形成排水通道。此时，土的渗透系数聚增孔隙水顺利排出。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垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。所以应规划好强夯的施工顺序，而不规则的和紊乱的夯击，可以破坏这些天然排水通道的连续性。在现场可观察到夯击前土工试验中所测的渗透系数，是不能说明夯击后孔隙水压力迅速消散的这一特性的。当空隙水压力消散到小于土颗粒间的侧向压力时，裂缝即自行闭合，土中水的运动重新又恢复常态。有的国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土颗粒间吸附水转化为自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。(4) 触变恢复在重复夯击的作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，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。这是由于土颗粒间紧密接触以及新吸附水层逐渐固定的原因，而吸附水逐渐固定的过程可能会延续至几个月。在触变恢复期间，土体的变形(沉降)却是很小的，有的资料中介绍在0.1以下。如果用传统的固结理论也就不能说明这一现象，这是自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水的缘故，这也具有触变性土的特性。众所周知，饱和粘性土是具有触变性的，当强夯以后，土结构被破坏，强度几乎降为零，如图(2)。随着时间的推移，强度逐渐恢复。这种触变强度的恢复也称为时效(time effect)。图(2)中为土体在强夯以后第17d，31d和118d十字板强度值。在一般孔隙水压力已经完全消散的情况下，夯击后六个月所测得的土的抗剪强度一般比一个月所测得的强度增长20-30，而变形模量增长30-80。因此，强夯后质量检验的勘探工作或测试工作，至少宜在强夯施工后一个月再进行，不然得出的指标会偏小。图2 强夯后地基抗剪强度的增长与时间关系对灵敏度较高的粘土中，存在触变现象这一土的特性是众所周知的。实际上这一现象对所有细颗粒土都是明显的，仅是程度上不同而已。值得注意的是，经过强夯后土在触变恢复过程中，对振动是十分敏感的，所以在进行勘探和测试工作时候应该十分注意。鉴于以上强夯法加固的机理，Menard教授对强夯中出现的现象，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。图3 静力固结理论和动力固结理论的模型比较图(3)表示静力固结理论与动力固结理论的模型间区别，主要表现在以下四个主要特性，见表1。表1 静力固结理论和动力固结理论的区别对动力固结的理论模型，可从四个方面进行解释： 由于微气泡的存在，充满气缸的水以为部分是可压缩的，亦即孔隙水具有压缩性， 对夯击前、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； 弹簧的刚度是模拟土体的压缩模量，过去传统的固结理论的观点以为是常数。实际上强夯法施工时候，在反复荷载的影响下，会使压缩模量有很大改变，在这个过程中，吸附水起了重要作用。 加载后传递力的活塞和气缸间存在磨阻力。因此，液体中压力减少，不能自动导致活塞的位移和弹簧的变化。在实际现场的地基中，常观察到孔隙水压力的减少并没有相应地引起沉降。另外，试验研究证明，强夯后所导致砂性土的液化，能够降低地基在未来地震作用下的液化。亦即经过若干次强夯液化后，虽然地基土的密度增加不多，但却能减少在未来地震作用下发生液化的可能性。3.2 震动波压密理论目前，除了Menard的动力固结理论对强夯机理作解释外，还有震动波理论对强夯也作了解释。在实施强夯时，重锤由高空落下，产生强大的动能(震动源)作用于地基土。此时，动能转化为波能，从震源向深层扩散，能量释放于一定范围的地基中，使土体得到不同程度的加固。震动波主要分为体波和面波，体波又分为纵波和横波，面波分为瑞利波和乐浦波。纵波(P波)是由震源向外传递的压缩波，质点振动方向与波前进方向一致，这种波使孔隙水压力增大，同时还使土粒错位。横波(S波)是由震源向外传递的剪切波，质点振动方向与波前进方向垂直。瑞利波传播时，介质质点在波的传播方向与自由面的法线组成的平面内作椭圆形运动，而在与该平面垂直的水平方向没有振动。乐浦波只在与传播方向相垂直的水平方向运动。对地基加固起主要作用的是体波。面波只限于在地基表面传播，它不但起不到加密的作用，反而使地基表面松动，故为无用波或有害波。地基压密理论将地基加固区分为四层，详见图(4)地基压密固结模式图。第一层是松弛区，地基土因受冲击力而扰动，主要是横波和面波的干扰。因横波方向和质点方向垂直，瑞利波和乐浦波分别按椭圆形运动和按地面水平向运动，所以都只在地基表面传播使土体产生上下运动，土体松动而产生松弛区。第二层是固结效果最佳区， 由于压缩波在此层反复作用，使地下应力超过了地基的破坏强度，土中吸收纵波放出的能量最多，所以这层的固结效果也最好。第三层效果减弱区，这层压缩波渐减，地下应力界于地基破坏强度和屈服强度之间，致使固结强度迅速下降。第四层是无效固结区，此层地下应力处于地基的弹性界限内，能量消耗已经无法克服土体的塑性变形，顾此层基本上没有固结作用。图4 地基压密固结模式图在实施强夯时，随着地基的压密加固，能量会发生变化。当初夯时，土体产生压缩塑变，因波速和介质密度、弹性模量、剪切模量有关，初夯时纵波会很快被土体吸收产生塑性变形，当达到一定能量时，塑像变形完成后产生弹性变形。随着土体密度的增加，而压缩模量和剪切模量增大，波的传播速度相应加快，这时横波增加，纵波在削弱，并且波的折射和反射要消耗能量，不利于对土体的加固，如果再增加夯击能(夯次)，其效果不会明显。对非饱和土地基，其加固机理可以归结为压缩波的反复作用消耗能量做功，而对土体产生压密固结。一部分能量使土体产生塑变转换为土的位能，使土体产生弹性变形并将另一部分能量向深层传播而加固深层地基。最终使能量转换为土的塑变位能。对含水量教高的饱和土地基，其加固机理也是压缩波的反复作用和波的折射、反射重复做功而获得加固效果的。具体说，由于压缩波的反复做功和空隙水压力的共同作用，在土中形成了网状贯通排水通道，使土体的渗透条件得到明显的改善，夯击之后，土体将在良好的渗透条件和较高的空隙水压力作用下完成其动力固结过程，使土中空隙水迅速排出，孔隙水压力迅速消散，土体进一步密实。对饱和粘性土，因其渗透系数小，土体大量在夯后固结，因此，夯后土体应有足够的间隔时间，否则即使较小能量的过早夯击也是有害无艺，使土体无法恢复。这一动力固结过程，成为强夯法处理淤泥质土的显著特点，随着这一固结过程的完成，土体的性质将得到明显改善，获得强夯后的预期效果。3.3 施工工艺(1) 施工程序图图5 施工程序图 平整场地预先估计强夯后可能产生的平均地面起伏，并以此确定地面高程，然后用推土机平整。 铺垫层遇到地表为细粒土，且地下水位较高的情况，有时需在表层铺设0.52m左右的砂、砂砾或碎石。这样做的目的是在地表形成硬层、可以用以支撑起重设备，确保机械通行、施工。又可加大地下水和表层面的距离，防止夯击效率低。另外，硬层还可以有效的保护表层土层不被破坏。 夯点放线定位宜用石灰或小木桩的办法进行。其偏差不得大于5cm。 强夯施工每夯完一遍后，用新土或坑壁的土将夯坑填平，再进行下一遍夯击，直到将计划的夯击遍数完成为止。最后一夯为满夯(搭夯)。 现场记录强夯施工时应对每一夯实点的夯击能量、夯击次数和每次夯击后的沉降量等做好详细的现场记录。 安全措施为了防止飞石伤人，现场工作人员应戴好安全帽，另外，夯击时工作人员应退出强夯机工作半径内。4 工程实例4.1 工程简介沪青平高速公路(中春路一朱枫路)二标段工程地处“鱼米之乡”的青浦区。该标段沿线地势平坦，河道纵横，水系发达，且多河塘、鱼塘和明、暗浜，地下水位高，导致了土层具有含水量高、空隙比大、压缩性高、承载力低等特点；区段内以可塑性粘性土为主，且含水量较高，多数地段处于软弱层上。强夯法软土路基处理段处于九峰江东岸，是设计九峰江桥的东桥台位置，桩号为K2+013K2+133。为了对不同夯击能对土路基的处理效果进行对比分析， 强夯段共分为两个试验区：A 区桩号K2+013K2+073，B区桩号K2+073K2+133。整个区段土层由上到下分为5层，第一层为人工填土层，层厚1.5m，褐色粘性土，含水量高，呈可塑状；第二层为灰黄色填土层，层厚约0.6m，松软、稍湿，含少量植物根茎；第二层2为褐色粉质粘土层，层厚约1m，分布连续，强度较高；第三层1为灰色淤泥质粉质粘土，呈流塑状，高压缩性，层厚约2.9m；第四层2为砂质粉土层，层厚约5.5m，稍密，强度较高；第五层3为淤泥质粉质粘土层，层厚约8.3m，呈流塑状，高压缩性。4.2 设计要求(1) 路基承载力标准值(基地附近)K120KPa，变形模量EO8.0MPa。(2) 淤泥质土层在填土荷重及动荷载作用下，在路面层施工的固结沉降达到其层厚的4。软土静力触探比贯人阻力平均值Ps1.0MPa。(3) 经碾压后路基土压实度达到规范要求。4.3 施工工艺流程整平原地面并填土-做砂石盲沟-摊铺下层砂垫层-塑料排水板打人-摊铺上层砂垫层和5-15mm碎石-夯击4.4 强夯施工参数(1) 开挖盲沟设集水井纵向盲沟设于道路中心，沟深2550cm，沟底向集水井方向有1的排水坡度。横向盲沟以25cm间距设置，沟深2560cra，沟底向集水井或道路外测有1.5排水坡度。集水井沿纵向盲沟每隔50m设一口，井底深应比盲沟深50cm以上，用碎石作虑料，井底用铁砂网、塑料砂网及土工布包封。(2) 设砂石垫层为保证机械通行施工，由于地下水位较高和粘土上施工，故需要铺设一层砂砾和碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动。碎石的厚度一般位60cm为宜，垫层无粘土。(3) 插塑料排水板 插设间距及深度九峰江桥(HQPK2+013HQPK2+073)(实验A区)以1.5m1.5m正方形布点，深度20m九峰江桥(HQPK2+073HQPK2+133)(实验B区)以1.7m1.7m正方形布点，深度22m 排水板需要用SPB-1B型 用履带式振动插板机(4) 强夯A区： 第一遍：以450kNm3.9m3.4m梅花形布点，每点1击 第二遍：以900kNm4.5m.9m梅花形布点，每点12击 第三遍：以1800kNm5.2m4.5m梅花形布点，每点25击 第四遍：以22502700kNm6.0m5.2m梅花形布点，每点12击 第五遍：以600kNm2.9m2.5m梅花形布点，每点1击 相邻两遍夯击之间的最短间歇时间为71 5天，具体根据孔隙水压力测试结果确定； 夯锤直径为2.52m； 夯击范围距离试验区周边1.26m； 强夯设备(3000kNm)一套，配120kN、150kN夯锤各1个，夯锤面积5m2。B区： 第一遍：以450kNm3.9m0.4m梅花形布点，每点1击 第二遍：以900kNm4.5m3.9m梅花形布点，每点12击 第三遍：以1800kNm5.2m4.5m梅花形布点，每点25击 第四遍：以600kNm2.9m2.5m梅花形布点，每点12击 相邻两遍夯击之间的最短间歇时间为715天，具体根据孔隙水压力测试结确定； 夯锤直径为2.52m； 夯击范围距离试验区周边1.26m； 强夯设备(3000kNm)一套，配120kN、150kN夯锤各1个，夯锤面积5m2。4.5 测试手段(1) 孔隙水压力测试：这是了解加固深度、范围、加固效果及控制工程进度的 最重要的监测方法。需作动静两种状态的测试，以了解夯击时超静水压力峰值及孔隙压力随时间消散规律。每试验小区一组测孔，每孔在不同深度布三个测计(2) 动力触探：这是了解每一遍夯击加固效果的测试方法。在夯前及每一遍夯后7天进行检测，每500m2设一测孔。(3) 静力触探：这是了解夯前、夯中、夯后土层特性的重要测试方法。(4) 平板静荷载试验：这是了解加固后路基层承载力标准值、变型模量及回弹模量的测试方法。每一试验小区及路段每100m布一测点。(5) 压实度试验(6) 沉降监测：每小区布两个沉降板，测定淤泥质土顶面的沉降。另外用麻花钻测量砂石面的标高，每400m2布一测点。4.6 效果评价(1) 静力触探经过对A、B试验区静力触探测试数据的分析，大部分地基固结度在短期内得到了大幅度增加，承载力也提高了300以上，应该说效果还是十分明显的。但从静力触探曲线图(6)(7)看，第三层淤泥质粉质粘土层比贯入阻力Ps并无大的变化，加固效果不够理想。这主要是由于淤泥质粉质粘土高压缩性和流塑状态使得其触变性不够灵敏，静力触探曲线不能在短期反映的增长幅度不明显，甚至有低于夯前值的情况。但根据以往的强夯工程看，在静置半年后，该层的曲线应该有比较大的增长。下面对A、B试验区测试曲线图分别进行分析：A区：第一、二、四层加固效果都十分的明显，加固后的承载力和变形模量都满足要求。第二层粉质粘土平均h值由夯前的1.4MPa增加到夯后的2.8MPa，增加了100；第四层砂质粉土平均Ps值由夯前的1.2MPa增加到夯后的2.8MPa，增加了130。第三层淤泥质粘土层Ps值没有大的变化。强夯的影响深度约为1 2m。见图(6)。B区：B区的加固效果不如A区显著，仅第一层和第五层的1214m的加固效果比较好，其余的区域变化都不是很大，甚至在9.512