强夯法的加固机理及适用范围

1、强夯法的加固机理及适用范围当前，应用强夯法和强夯置换法处理的工程范围极为广泛，大量工程实例证明，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。关于强夯法的加固机理，由于加固土质复杂，至今尚未形成一套成熟完善的理论。目前普遍认为，强夯法加固地基有三种加固机理，即动力密实、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。1 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，土体颗粒重新排列，在动荷载作用下被挤密压

2、实，从而提高地基土强度、减少压缩性。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(厚度约为夯坑直径的1.01.5倍)，承载力特征值可比夯实前提高23倍。非饱和土在中等夯击能量(一般为10002000kN·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。2 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

3、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：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14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。2)局部产生液化。强夯时，土体被压缩，在重复夯击作用下，施加在土体中的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。因此，土体的沉降量与夯

4、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。孔隙水压力上升，当达到与覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。当液化度(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)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，除了对土的重塑起破坏作用外，别无他用。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

5、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，加速排水。4)触变恢复。土体经强夯后结构遭到破坏，抗剪强度几乎为零，随着时间的推移，强度逐渐恢复。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，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

6、水，这也是其具有了触变性土的特性。强夯法在工程中虽已得到了广泛应用，并取得了较好的效果，但时至今日，人们对其加固机理和设计计算理论的认识还有待于进一步深化。3 动力置换在强夯的同时，夯坑中可置人碎石，强行挤走软土，即强夯置换。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等填筑到土体中，部分碎石间隔地夯入软土中，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，并与墩间土形成复合地基，如图1所示。 (a)整式置换 (b)桩式置换图1动力置换类型强夯置换法加固机理相当于下列三者之和，即由强夯加密、碎石墩和特大直径排水井组成。因此，墩间的和墩下的粉土或黏性土通过排水与加密，其密度和状态可以改善。从而提高地基的承载能力，减少沉降。目前，强夯置换有三种形式：1)当地基表层为具有适当厚度的砂覆盖层，下卧层为高压缩性淤泥质软土时，采用低能夯，即将表层砂夯挤填人软土层中，形成一根根动力置换砂桩。软土层受动力固结作用而趋于密实，从而提高软土层的承载能力。2)当地基为高压缩性软土时，在其表面堆铺一层适当厚度的碎石料，