地基处理031换土垫层法-强夯

1、主讲人：崔德山2010/12/14几个月前，距离14层公寓约30米的中华城项目工地开始施工，该幢楼便出现裂缝和沉降，现在该工地挖的基坑深10多米，并从中排出了大量的地下水对周边地基下沉和建筑可能产生的影响进行安全监测处理原则及需要考虑的因素选用地基处理方法要力求做到安全适用、确保质量、经济合理、技术先进。在选择处理方法时需要综合考虑各种影响因素，如：建（构）筑物的体型、刚度、结构受力体系、建筑材料和使用要求，荷载大小、分布和种类，基础类型、布置和埋深，基底压力、天然地基承载力、稳定安全系数、变形容许值，地基土的类别、加固深度、上部结构要求、周围环境条件、材料来源、施工工期、施工队伍技术素质与施

2、工技术条件、设备状况和经济指标等。方案设计步骤（1）搜集详细的工程地质、水文地质及地基基础的设计资料。 （2）根据结构类型、荷载大小及使用要求，结合地形地貌、地层结构、土质条件、地下水特征、周围环境和相邻建（构）筑物等因素，初步选定几种可供考虑的地基处理方案。 （3）对初步选定的各种地基处理方案，分别从处理效果、材料来源及消耗、机具条件、施工进度、环境影响等方面进行认真的技术经济分析和对比，根据安全可靠、施工方便、经济合理等原则，从而因地制宜地选择最佳的处理方法。技术路线图目前地基处理已成为土力学与岩土工程领域的一个主要分支学科，国际土力学与岩土工程协会下有专门的地基处理学术委员会。中国土力学

3、与岩土工程学会 1984 年成立了地基处理学术委员会，并于 1986、1989、1992、1995、1997、2000 年分别召开了六届全国地基处理学术讨论会。第十一届全国地基处理学术讨论会(CGIS2010) 将于2010年11月19日23日在“热带海滨度假胜地”海口举办。1988 年编著出版了地基处理手册 ，2000年修订出版了地基处理手册（第二版），1990 年又开始出版了地基处理杂志，提供了推广和交流地基处理新技术的园地。我国建设部已发布了建筑地基处理技术规范 （JGJ79-91） ，2002 年又修订出版了建筑地基处理技术规范 （JGJ79-2002） 。交通部 1997 年发布了公

4、路软土地基路堤设计与施工技术规范 （JTJ 017-96） ，对公路工程中软土地基处理设计、施工起到了重要指导作用。历史历史地基处理监测与检验方法由于地基处理问题的复杂性，一般还难以对每种方法进行严密的理论分析，还不能在设计时作精确的计算与设计，往往只能通过施工过程中的监测和施工后的质量检验来保证工程质量。因此，地基处理现场监测和质量检验测试是地基处理工程的重要环节。效果检验的方法有：载荷试验、钻孔取样、静力触探试验、动力触探试验、标准贯入试验、取芯试验等。有时需要采用多种手段进行检验，以便综合评价地基处理效果。现场监测与质量检验的目的(1) 为工程设计提供依据； (2) 作为大面积施工的控制

5、和指导； (3) 为地基处理工程验收提供依据； (4) 为理论研究提供实验依据。现场监测与质量检验的内容与方法 (1) 地基与桩体强度：包括单桩和复合地基静载荷试验、标准贯入试验、静力触探与动力触探试验、桩身高应变检测、钻芯法等； (2) 地基变形：包括地基沉降与水平位移测试； (3) 应力监测：包括土压力和孔隙水压力测试； (4) 桩身完整性：采用桩身低应变检测和声波透射法测试； (5) 动力特性：采用波速测试、地基刚度测试等。 监测仪器的布置固定式和活动式测斜仪分层沉降仪现场监测与质量检验应注意的问题 为了检验地基处理的效果，通常在同一地点分别在处理前后进行测试，以进行对比，并注意以下问题

6、： (1) 前后两次测试应尽量使用同一仪器、同一标准进行；(2) 由于各种测试方法都有一定的适用范围，因此必须根据测试目的和现场条件，选择最有效的方法； (3) 无论何种方法，都有一定的局限性，故应尽可能采用多种方法，进行综合评价； (4) 测试位置应尽量选择有代表性的部位，测试数量按有关规定要求进行。 现场测试一般具有直观、代表性强、工效高、避免取样运输过程中的扰动等优点，但也有不能测定土的基本参数和不易控制应力状态等不足之处，故有时仍需辅以一定的室内试验。土压力计孔隙水压力计其它载荷试验静力触探试验圆锥动力触探试验均质人工地基换填垫层法强夯法排水固结法1、换土垫层法 换土垫层法的基本原理是

7、挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂（或砂石）垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土（灰土、二灰）垫层等。换土垫层法可提高持力层的承载力，减少沉降量；消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性；防止土的冻胀作用及改善土的抗液化性。常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。 适用性该法常用于基坑面积宽大和开挖土方较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层（淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土、以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。一般处理深度为 23m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土、素填土和杂填土。垫层作用（1）提高持力层的承载力（

8、2）减少沉降量（3）加速软弱土层的排水固结（ 砂垫层和砂石垫层）（4）防止冻胀（孔隙大，不易产生毛细现象）（5）消除膨胀土的胀缩作用通常基坑开挖后，利用分层回填压实，也可处理较深的软弱土层，但经常由于地下水位高而需要采取降水措施；坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护，以及施工土方量大、弃土多等因素，从而使处理费用增高、工期拖长，因此换填法的处理深度通常宜控制在 3m 以内，也不宜小于 0.5m，因为垫层太薄，则换土垫层的作用也不显著。深度土的压实原理垫层设计1、垫层的厚度的确定2、垫层宽度的确定3、垫层承载力的确定4、沉降计算 软基换填路段（2米片石垫层+砂砾换填+土工格栅）图为武汉客运专线基础设

9、施维修基地在咸宁站区进行道岔人工换填及机械大修清筛的场景2、振密、挤密法振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。 （1）表层压实法 采用人工或机械夯实、机械碾压或振动对填土、湿陷性黄土、松散无粘性土等软弱或原来比较疏松表层土进行压实。也可采用分层回填压实加固。 适用于含水量接近于最佳含水量的浅层疏松粘性土；松散砂性土；湿陷性黄土及杂填土等。 （2）重锤夯实法 利用重锤自由下落时的冲击能来夯击浅层土，使其表面形成一层较为均匀的硬壳层。 适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性黄土。（3）强夯法 利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动

10、力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性，消除土的湿陷性、胀缩性和液化性。 适用于碎石土、砂土、素填土、杂填土、低饱和度的粉土与粘性土及湿陷性黄土。 （4）振冲挤密法 振冲挤密法一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，颗粒重新排列，孔隙比减小；另一方面依靠振冲器的水平振动力，形成垂直孔洞，在其中加入回填料，使砂层挤压密实。 适用于砂性土和小于 0.005mm 的粘粒含量低于 10的粘性土。（5）土桩与灰土桩法 是利用打入钢套管（或振动沉管、炸药爆破）在地基中成孔，通过挤压作用，使地基土变得密实，然后在孔中分层填入素土（或灰土）后夯实而成土桩（或灰土桩）。 适用于处理地下水位

11、以上的湿陷性黄土、新近堆积黄土、素填土和杂填土。 （6）砂桩 在松散砂土或人工填土中设置砂桩，能对周围土体产生挤密作用或同时产生振密作用。可以显著提高地基强度，改善地基的整体稳定性，并减小地基沉降量。 适用于处理松砂地基和杂填土地基。 （7）爆破法 利用爆破产生振动使土体产生液化和变形，从而获得较大的密实度，用以提高地基承载力和减小沉降量。 适用于饱和净砂、非饱和但经灌水饱和的砂、粉土和湿陷性黄土。3、强夯法强夯法是 20 世纪 60 年代末、70 年代初首先在法国发展起来的，国外称之为动力固结法，以区别于静力固结法。它一般是通过 1040t 的重锤采用 1040m 的落距，对地基土施加强大的

12、冲击能，在地基土中形成冲击波和动应力，使地基土压实和振密，以加固地基土，达到提高强度、降低压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土地湿陷性的目的。 安庆石化800万吨/年炼化一体化项目施工现场检测强夯作业的深度中央人民广播电台维语编辑部在乌鲁木齐开工起源强夯法 1969 年首次应用于法国的Riviera夯实滨海填土。该场地是新近填筑的，地表下为 9m厚的碎石填土，其下是 12m厚疏松的砂质粉土，场地土要求建造 20 栋8 层的住宅楼。如使用桩基，6070的负摩擦力后用堆载预压，堆土 5m，在约 100kPa压力下，历时 3 个月，沉降平均仅 20cm，承载力仅提高 30，加固效果不显著。后

13、由法国工程师L.Menard提出用锤重80kN，落距 10m，每击冲击能 800kNm，总能量 1200kJ/m2夯击一遍，地面沉降了 50cm。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 13cm，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。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，在天津新港三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

14、 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，其效果显著。2009年5月11日上午9时，斯里兰卡项目开始了堆场试夯施工，此举标志斯里兰卡汉班托塔项目堆场工程地基强夯施工分项正式开始。本工程强夯施工工期为6个月，后方堆场地基处理面积为421678.81m2，共分为6个区:A、B、C1、C2、C3、C4。本工程包括除A区以外的5个区的地基强夯处理，强夯施工的总面积为375025m2， B区强夯施工能量为4000KN.M，面积为107397m2。C区区强夯施工能量为3000KN.M，面积为267628 m2。强夯法经过 30 余年的发展，它已广泛应用于工业与民用建筑、仓库、油罐、公路

15、、铁路、飞机场跑道及码头的地基处理中，它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。 对于饱和粘性土地基，近年来发展了强夯置换法，这是利用夯击能将碎石、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沉降。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要求不严的工程。加固机理宏观机理从加固区土所受冲击力、应力波的传播、土的强度对土加密的影响作出解释。微观机理，则对冲击力作用下，土微观结构的变化，如土颗粒的重新排列、连接作出解释。饱和土和非饱和土，饱和土存在孔隙水排出土才能压实固结这一问题。粘性

16、土和无粘性土，它们的渗透性不同，粘性土存在固化内聚力，砂土则不然。另外对一些特殊土，如湿陷性黄土、填土、淤泥等。Leon 认为，强夯加固作用应与土层在被处理过程中的三种不同机理有关。其一是加密作用，以空气和气体的排出为特征；其二是排水作用，以孔隙水的排出为特征；其三是预加变形作用，以各种颗粒成分在结构上的重新排列以及颗粒结构和形态的改变为特征。由于加固地基土地复杂性，他认为不可能建立对各类地基具有普遍意义的理论。目前普遍一致的看法认为，经强夯后，土强度提高过程可分为四个阶段：夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密（包括气体的排出、孔隙水压力上升）；土体液化或土体结构破坏（表现为土体强度降低或抗剪

17、强度尚失）；排水固结压密（表现为渗透性能改变土体裂隙发展、土体强度提高）；触变恢复并伴随固结压密（包括部分自由水又变成薄膜水，土的强度继续提高）。其中第阶段是瞬时发生的，第阶段是强夯终止后很长时间才能达到的（可长达几个月以上），中间两个阶段则介于上述两者之间。饱和土的加固机理摩擦液气不定比弹簧裂隙排水强夯机理研究中还有一个必须研究的内容就是夯击能量的传递，即确定夯击能量中真正用于加固地基的那部分能量和该部分能量如何加固地基。 7%26%67%土强度增长和孔隙水压力变化动力固结理论与静力固结理论（1）荷载与沉降的关系具有滞后效应； （2）由于土中气泡的存在，孔隙水具有压缩性； （3）土颗粒骨架的

18、压缩模量在夯击过程中不断改变，渗透系数亦随时间而变化。非饱和土的加固机理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，即冲击型动力荷载使土体的孔隙体积减少，土体变得密实，从而提高地基土地强度。非饱和土地夯实过程就是土中气相（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的。饱和粘性土的强夯加固微观机理非饱和土的强夯加固微观机理黄土湿陷是架空孔隙的存在和胶结程度差等在内的各种内因和外因共同作用的结果。微结构强夯置换法机理强夯置换是利用强夯能量将碎石、矿渣等物理力学性能较好的粗粒强制挤入地基，主要通过置换作用来达到加固地基的目的，它主要用于处理饱和粘性土。 强夯置换可分为

19、整式置换和桩式置换。用得较多的是桩式置换，其作用机理类似于砂石桩。在置换过程中，土体结构破坏，地基土体中产生超孔隙水压力，随着时间发展土体强度恢复，同时由于碎石墩具有较好的透水性，利用超孔隙水压力消散产生固结。这样，通过置换挤密及排水固结作用，碎石墩和墩间土形成碎石墩复合地基，提高地基承载力和减小沉降。 整式置换是置换率要求较大时，以密集的群点进行置换，使被置换土体整体向两侧或四周排出，置换体连成统一整体，构成置换层，其作用机理类似于换土垫层。整式置换后的双层状地基，其变形和强度性状取决于置换材料的性质又取决于置换层的厚度和下卧层的性质。设计有效加固深度建筑地基处理技术规范JGJ 792002

20、建议了其取值范围单击夯击能夯锤的平面一般有圆形和方形，又分气孔式和封闭式。锤底面积宜按土的性质确定，对砂性土一般为 34m2，对粘性土不宜小于 6m2。锤底静接地压力可取 2540kPa。锤重一般1040t，落距 825m。对相同的夯击能量，常选用大落距方案，这样能获得较大的接地速度，将能量的大部分有效地传到地下深处，增加深层夯实效果，减小消耗在地表土层塑性变形的能量。最佳夯击能从理论上讲，在最佳夯击能作用下，地基土中出现的孔隙水压力达到土的自重压力，这样的夯击能称为最佳夯击能。在粘性土中，由于孔隙水压消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力相应地叠加，因此可根据孔隙水压力的叠加来确定最佳夯击能

21、。在砂性土中，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，可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系来确定最佳夯击能。夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质确定。一般来说，由粗颗粒土组成的渗透性强的地基，夯击遍数可少些。反之，由细颗粒土组成的渗透性弱的地基，夯击遍数要求多些。根据工程实践经验，一般可采用点夯 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。间歇时间两遍夯击之间的间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。但土中超静孔隙水压力的消散速率与土的类别、夯点间距等有关。有条件时最好能在试夯前埋设孔隙水压力传感器，通过试夯确

22、定超静孔隙水压力的消散时间，从而决定两遍夯击之间的间隔时间。当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性较差的粘性土地基，间隔时间不应少于 34 周；对于渗透性好的地基，超孔隙水压力消散很快，夯完一遍，第二遍可连续夯击。夯击点布置处理范围由于基础的应力扩散作用，强夯处理范围应大于建（构）筑物基础范围，具体放大范围可根据建筑结构类型和重要性等因素考虑确定。对于一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的 1/2 至2/3，并不宜小于 3m。 承载力确定强夯地基承载力特征值应通过现场载荷试验确定,初步设计时也可根据夯后原位测和土工试验指标按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB 50007 有关规定确定。现场测试设计地面沉降观测孔隙水压力观测强夯振动影响范围观测（夯击和间歇）深层沉降和侧向位移测试强夯置换法处理深度：深度不宜超过 7m。墩体材料 ：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。 夯击次数 ：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；