强夯法与强夯置换法资料

山东科技大学王清标 1 第4章强夯法和强夯置换法 4 1概述 4 1 1强夯法的概念 强夯又称为动力固结法或动力压实法 它是反复将夯锤 质量10 40t 提到一定高度自由落下 落距10 40m 给地基以冲击和振动能量 提高地基承载力并降低其压缩性 改善地基性能 如改善砂土抗液化条件 消除湿陷性黄土湿陷性 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 如右图所示施工现场 山东科技大学王清标 2 法国Menard公司于1969年应用强夯法对法国Riviera滨海填土进行夯实 经3个月预压 荷载100kPa 沉降值200mm 100kN夯锤 落距13m 夯击后 场地平均沉降量500mm 基底压力300kPa 8层住宅竣工后 平均沉降量13mm 而差异沉降则可忽略不计 堆载预压与强夯的对比 山东科技大学王清标 3 4 1 2强夯法在我国的发展 在地基土中所产生的的冲击被和动应力 可提高土的强度 降低土的压缩性 改善砂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 夯击能还可提高土层的均匀程度 减少将来可能出现的差异沉降 对于砂土地基承载力提高2 5倍 压缩性降低2 10倍 1979年 秦皇岛码头堆煤场细砂地基强夯法试验 共节省150万元 1979年 廊坊机械化研究所宿舍工程强夯法处理可液化砂土和粉质粘土地基的试验 取得了较好的加固效果 山东科技大学王清标 4 20世纪80年代后期 又发展了强夯置换法 强夯置换法是采用在夯坑内回填块石 碎石等粗颗粒材料 用夯锤夯击形成连续强夯置换墩 最终形成砂石桩与软土构成的复合地基 从而提高地基的承载力并减少地基沉降 对于饱和软土地基 为提高其加固效果 必须设计排水通道 为此 在软粘土地基上采用强夯法与袋装砂井 或塑料排水带 综合处理的加固方法也是一种发展途径 山东科技大学王清标 5 4 1 3强夯法适用范围 强夯法用于处理碎石土 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 对于软土地基 处理效果不显著 强夯置换法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 地基处理规范 规定 采用强夯置换法前 必须通过现场试验确定其适用性和处理效果 否则不得采用 1 施工工艺和施工设备简单 适用土质范围广 加固效果显著 可取得较高的承载力 2 具有工效高 施工速度快 节省加固原材料 施工费用低 耗用劳力少等优点 强夯法的特点 山东科技大学王清标 6 目前 强夯法加固机理有3种不同的加固机理 动力密实 动力固结和动力置换 加固机理取决于地基土的类别和强夯施工工艺 4 2加固机理 强夯法虽然是一种较好的地甚处理方法 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 在第十届国际土力学和基础工程会议上 美国Mitchell教授在 地基处理 的科技发展水平报告中提到 强夯法目前已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试验相同 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压密的过程相似 这种方法对饱和细颗粒土的效果 成功的和失败的例于均有报道 对于这类土需要破坏土的结构 产生超孔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 山东科技大学王清标 7 4 2 1动力密实 强夯法加固多孔隙 粗颗粒 非饱和土体 是动力密实 夯击能使土的骨架变形 土体孔隙减小变得密实 提高了土的密实度和抗剪强度 使压缩性减小 夯击一遍后 夯坑深度0 6 1 0m 夯坑底部形成一层超压密硬壳层 承载力比夯前提高2 3倍 非饱和土在中等夯击能量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少 最大可减少60 山东科技大学王清标 8 4 2 2动力固结 用强夯法处理细颗粒饱和土时 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 软土触变性 使强度得到提高 Menard教授动力固结理论 饱和土的压缩性 局部液化 渗透性变化 触变恢复 时间效应 与土强度的增长 夯击一遍的情况 山东科技大学王清标 9 夯击三遍的情况 4 2 2动力固结 a 静力固结理论模型 太沙基 b 动力固结理论模型 Menard 静力固结与动力固结模型比较 a b 山东科技大学王清标 10 加固对象 细颗粒饱和土 加固机理 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 使土体局部产生液化并产生许多裂隙 增加了排水通道 使孔隙水顺利溢出 待孔隙水压力消散后 土体固结 由于软土的触变性 强度提高 a 饱和土的压缩性 山东科技大学王清标 11 b 产生液化孔隙水压力上升到与覆盖压力相等时 土体产生液化 不同于地震时液化 是土体的局部液化 当液化度达到100 土体产生液化的临界状态 此时的能量称为 饱和能 再继续夯击 能量造成浪费 c 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测向压力肘 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 孔隙水得以顺利徘出 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 所以应规划好强夯的施工顺序 而不规则的紊乱夯击 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在土工式验中所量测的渗透系数 是不能说明夯击后孔隙水压力迅速消散的这一特性的 山东科技大学王清标 12 d 触变恢复在重复夯击作用下 土体的强度逐渐减低 当上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 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 这也是具有触变性土的特性 山东科技大学王清标 13 静力固结与动力固结的区别 静力固结理论和动力固结理论的模型比较a 静力固结理论模型b 动力固结理论模型 山东科技大学王清标 14 4 2 3动力置换 强夯置换法是在强夯的同时 夯坑中可置入碎石 强行挤走软土 如下图所示 强夯置换法又分为整式置换和桩式置换两类 a 整式置换b 桩式置换 软土地基 提高地基承载力和减少沉降量 饱和砂土和粉土 消除液化趋势 黄土和新近堆积黄土 消除湿陷性 提高承载力 实际工程中 对于不同土类强夯的作用不同 山东科技大学王清标 15 4 3设计计算 4 3 1强夯法设计计算 1 有效加固深度 山东科技大学王清标 16 表4 2强夯的有效加固深度 山东科技大学王清标 17 2 夯锤和落距 1 单击夯击能夯锤重M与落距h的乘积 最好锤重和落距都大 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 2 单位夯击能场地总夯击能量 即锤重 落距 总夯击数 除加固面积称为单位夯击能 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 粗颗粒土1000 3000kN m m2 细颗粒土1500 4000kN m m2 最佳夯击能 地基中出现孔隙水压力等于土的自重应力时的夯击能量 1 粘性土最佳夯击能的确定办法 根据孔隙水压力的叠加值进行确定2 砂性土最佳夯击能的确定方法 孔隙水压力不能叠加 绘制孔隙水压力增量与夯击数的关系曲线确定最佳夯击能 孔隙水压力增量趋于稳定时 即可获得最佳夯击能 山东科技大学王清标 18 3 夯锤选择 国内夯锤一般重10 25t 夯锤材质最好用铸钢 或用钢板为壳内灌混凝土的锤 锥底锤 球底锤的加固效果较好 适用于加固较深层土体 平底锤适用于浅层及表层地基加固 上下贯通的气孔 孔径250 300mm 可减小起吊夯锤时吸力 夯锤吸力 3 锤重 又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力 锤底静压力值25 40kPa 锤底面积为2 6m2 防止偏锤现象 黄土高宽比1 2 5 1 2 8 山东科技大学王清标 19 夯击时注意事项 1 对于饱和粘性土所需能量不能一次施加 否则引起土体流动 强度降低 难以恢复 2 夯击时分几遍施加 对夯锤的制作要求 1 锤重 10 25t 目前最大为40t 2 形状 圆形和方形 带气孔或封闭式 3 锤的底面积 不能太小 对于砂性土和碎石土一般为 2 4平米 一般第四纪粘性土3 4平米 淤泥质粘土4 6平米 黄土4 5 5 5平米 山东科技大学王清标 20 国内通常采用的落距是8 25m 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 能将大部分的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 4 落距选择 1 夯击点布置 3 夯击点布置及间距 等边三角形 等腰三角形或正方形布置 强夯处理范围应大于建筑物基础范围 对一般建筑物 每边超出基础外缘宽度宜为设计处理深度1 2 2 3 并不宜小于3m 2 夯击点间距 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 第一遍夯击点间距5 15m 锤直径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 山东科技大学王清标 21 a 13个击点夯一遍分三次完成b 9个击点夯一遍分三次完成夯点布置及夯击次序 山东科技大学王清标 22 4 夯击击数与遍数 1 夯击击数确定按现场试夯夯击击数和夯沉量关系曲线确定 同时满足下列条件 最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值 单击夯击能小于4000kN m时为50mm 单击夯击能为4000 6000kN m时为100mm 单击夯击能大于6000kN m时为200mm 夯坑周围地面不应发生过大隆起 不因夯坑过深而发生起锤困难 夯击点的夯击击数3 10击比较合适 2 夯击遍数确定一般1 8遍 粗颗粒土可少些 细颗粘土 淤泥质土 要求多些 视满夯的夯实效果 除了采用2遍满夯外 还可采用轻锤或低落距锤多次夯击 以及锤印搭接等措施 山东科技大学王清标 23 砂性土 1 3遍粘性土 2 4遍 夯击点的夯击数为3 10击 最后低能量 1 4 1 5 2 4击满夯一遍 夯击遍数及夯点布置图 山东科技大学王清标 24 指两遍夯击之间应有一定的时间间隔 取决于土中超静孔隙水压力的消散时间 砂性土 孔隙水压力消散时间3 4分钟 可连续作业 饱和粉土和粘性土 一般不少于3 4周 无地下水或地下水在地面以下5m 含水率较低碎石类土和透水性强的砂性土 可取1 2天间隔时间 也可夯完一遍后 将土推平 连续夯击 5 间歇时间 6 垫层铺设 对场地地下水位 2m深度以下砂砾石层 无需铺设垫层 可直接强夯 对地下水位较高的饱和粘土地基 易液化流动的饱和砂土地基 需铺设垫层 砂砾石垫层厚度0 5 2 0m 山东科技大学王清标 25 7 现场测试设计 1 地面及深层变形观测地面变形研究的目的是 了解地表隆起的影响范围及垫层的密实度变化 研究夯击能与夯沉量的关系 用以确定单点最佳夯击能量 确定场地平均沉降和搭夯的沉降量 用以研究强夯的加固效果 当夯击一次应及时测量夯击坑及其周围的沉降量 隆起量和挤出量 2 孔隙水压力观测 3 侧向挤压力观测 4 振动影响范围观测 山东科技大学王清标 26 4 3 2强夯置换法设计计算 1 处理深度强夯置换法的深度有土质条件决定 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 强夯置换锤底静接地压力值100 200kPa 2 单击夯击能应根据现场试验确定 同时满足下列条件 墩底穿透软弱土层 且达到设计墩长 累计夯沉量为设计墩长的1 5 2 0倍 最后两击的平均夯沉量应满足强夯法的规定 较适宜的夯击能 夯击能最低值 山东科技大学王清标 27 3 墩体材料 地基处理规范 规定墩体材料应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颗粒含量不宜超过全重30 4 墩位布置强夯置换法的墩位布置宜采用等边三角形或正方形 对独立基础或条形基础根据基础形状与宽度布置 墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定 满堂布置取夯锤直径2 3倍 独立基础或条形基础取夯锤直径1 5 2 0倍 墩计算直径可取夯锤直径1 1 1 2倍 墩顶应铺一层厚度不小于500mm压实垫层 垫层材料可与墩体相同 粒径不宜大于100mm 5 现场测试设计强夯置换法的检测项目除进行现场载荷试验检测承载力和变形模量外 尚应采用超重型或重型动力触探等方法 检查置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化 软粘性土中强夯置换墩地基承载力特征值 可只考虑墩体 不考虑墩间土作用 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 6 垫层的设计置换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 7 地面抬高值的估算强夯置换时地面抬高是不可避免的 特别是在饱和粘性土中 根据现有资料 隆起的体积可达填入体积的大半 因此 在强夯置换设计中 要预估地面抬高值 山东科技大学王清标 28 8 地基承载力特征值的确定对饱和粉土地基可按复合地基考虑 其承载力特征值可通过现场单墩复合地基载荷试验确定 对淤泥或流塑的粘性土 确定其强夯置换墩地基承载力特征值时可只考虑墩体 而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 9 地基的变形计算强夯置换地基的变形计算可参照甄崇发地基处理变形计算 山东科技大学王清标 29 山东科技大学王清标 30 1 施工前应取得的资料 场地地层分布 土层的均匀性及承载力 土的物理力学性质 地下水类型及埋藏条件 场地周边环境以及各种地下管线情况 拟定初步施工方案 确定处理深度和单击夯击能 选择夯锤与落距 初步确定夯击点间距 布置方式及夯击次数 夯击遍数等 确定强夯参数 并提出试验方案 试夯 4 4施工技术 4 4 1强夯法施工技术 山东科技大学王清标 31 施工机械 强夯施工机械宜采用带有自动脱钩装置的履带式起重机或其他专用设备 采用履带式起重机时 可在臂杆端部设置辅助门架 或采取其他安全措施 防止落锤时机架倾覆 如果夯击工艺采用单缆锤击法 则100t的吊机最大只能起吊20t的夯锤 目前 强夯锤质量10 40t左右 若起重机起吊能力不足 可通过设置滑轮组来提高卷扬机的起吊能力 利用自动脱钩装置使锤形成自由落体运动 山东科技大学王清标 32 转动吊钩式杠杆式钳式蟹爪式 脱钩装置 脱钩装置图 山东科技大学王清标 33 定高度索脱原理 山东科技大学王清标 34 2 施工步骤 清理并平整施工场地 放线 埋设水准点和各夯点标桩 铺设垫层 在地表形成硬层 支承起重设备 确保机械通行和施工 标出第一遍夯击点的位置 并测量场地高程 起重机就位 使夯锤对准夯点位置 测量夯前锤顶标高 夯锤起吊到预定高度 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 重复步骤 按设计规定的夯击次数及控制标准 完成一个夯点夯击 重复步骤 完成第一遍全部夯点的夯击 用推土机将夯坑填平 并测量场地高程 在规定间隔时间后 按上述步骤逐次完成全部夯击遍数 最后用低能量满夯 将场地表层土夯实 并测量夯后场地高程 山东科技大学王清标 35 场地表土软弱或地下水位较高 夯坑底积水影响施工时 宜采用人工降低地下水位或铺填一定厚度松散性材料 地下水位低于坑底面2m 查明场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及标高等 并采取必要的措施 以免因施工而造成损坏 夯击振动对邻近建筑物或设备会产生有害的影响时 应设置监测点 并采取挖隔振沟等隔振或防振措施 按规定起锤高度 锤击数的控制指标施工 或按试夯后的沉降量控制施工 注意含水量对强夯效果的影响 注意夯锤上部排气孔的畅通 3 施工注意事项 山东科技大学王清标 36 清理并平整施工场地 当表土松软时可铺设一层厚度为1 0 2 0m的砂石施工垫层 标出夯点位置 并测量场地高程 起重机就位 夯锤置于夯点位置 测量夯前锤顶高程 夯击并逐击记录夯坑深度 当夯坑过深而发生起锤困难时停夯 向坑内填料直至与坑顶平 满足规定的夯击次数及控制标准完成一个墩体的夯击 按由内而外 隔行跳打原则完成全部夯点施工 推平场地 用低能量满夯 将场地表层松土夯实 测量夯后场地高程 铺设垫层 并分层碾压密实 4 4 2强夯置换法施工技术 山东科技大学王清标 37 施工过程中应有专人负责下列检测工作 开夯前应检查夯锤质量和落距 以确保单击夯击能量符合设计要求 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 按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量 对强夯置换尚应检查置换深度 施工过程中应对各项参数及情况进行详细记录 4 4 3施工检测 山东科技大学王清标 38 4 5质量检验 4 5 1检验方法 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 十字板剪切试验 适用于饱和软粘土 轻型动力触探试验 适用贯入深度小于4m粘性土及素填土 粘性土与粉土组成 重型动力触探试验 适用于砂土和碎石土 超重型动力触探试验 适用于粒径较大或密实的碎石土 标准贯入试验 适用于粘性土 粉土和砂土 静力触探试验 适用于粘性土 粉土和砂土 载荷试验 适用于砂土 碎石土 粉土 粘性土和人工填土 旁压试验 分预钻式旁压试验和自钻式旁压试验 预钻式旁压试验适用于坚硬 硬塑和可塑粘性土 粉土 密实和中密砂土 碎石土 自钻式旁压试验适用于粘性土 粉土 砂土和饱和软粘土 波速试验 适用于各类土 山东科技大学王清标 39 1 施工过程中的质量监测及夯后地基的质量检验 2 碎石土和砂土地基 其间隔时间可取7 14d 粉土和粘性土地基可取14 28d 强夯置换地基间隔时间可取28d 3 测点位置可布置在夯坑内 夯坑外和夯击区边缘 数量应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定 简单场地上一般建筑物 每个建筑物地基检验点不应少于3处 复杂场地或重要建筑物地基应增加检验点数 检验深度不小于设计处理深度 4 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 其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 4 5 2检验要求 山东科技大学王清标 40 例1 某港口砂土地基上欲修建一堆料场 地基承载力不能满足设计要求 采用强夯法进行地基处理 已知夯锤的重量为300KN 夯锤的落距为15m 求强夯处理的有效加固深度 并进行单点夯击击数与夯击遍数的确定 解 取修正系数 0 5 则有效深度H为 砂性土 夯击遍数取2遍 每夯击点的夯击数6击 最后再以较低能量 如前几遍能量的1 4 1 5 击数为2 3击 满夯一遍 以加固前几遍之间的松土和被振松的表层土 4 6工程应用实例 山东科技大学王清标 41 例2 某新建工厂场区强夯地基处理工程1 工程概况某新建工厂场区占地约2公顷 其东西两侧为岗丘地形 东侧岗丘主要分布黄褐色硬塑状粉质粘土 一般高程28 32m 西侧岗丘主要分布黄褐色硬塑状粉质粘土及志留系砂质 泥质页岩及砂岩 一般高程27 28m 中部为一冲沟地形 沟宽60 80m 冲沟北高南低 高程在纺纱车间段由26m降至24 3m 沟中有一小水塘 面积约800m2 沟谷中原种植水稻 为建厂房而平整场地 建设方用东西二侧岗地上的粘土及志留系页岩 砂岩 填入中部冲沟内 该厂纺纱车间几乎全部坐落于冲沟填土上 纺纱车间南北长112m 东西宽66m 柱距9m 9 9m 柱荷1650kN 主车间为单层 现浇屋面 抗震设防烈度7度 填土中粘土及页岩分布极不均匀 冲沟西半部填土为粉质粘土及砂页岩混合物 冲沟东半部以粉质粘土为主 未经辗压 不经处理无法满足设计要求 经多种方案对比 决定采用强夯法加固填土地基及其下伏部分天然地基 要求强夯后填土地基承载力fk 200kPa 其下伏土层强度满足下卧层验算 山东科技大学王清标 42 2 场地工程地质条件场地土层自上而下为填土 耕土 粉质粘土 粉土 粉质粘土 碎石夹粘土及砂页岩等 填土层结构疏松 块体间架空现象明显 为新近堆填 未经压实的填土 填土平均厚度2 8m左右 原地形低于28m高程均需堆填至28m 耕土为原始地表土层 以种植水稻为主 土质松软 含水量高 厚度0 5m左右 表4 3该场地土层工程地质参数 山东科技大学王清标 43