地基处理技术强夯和强夯置换法.ppt

1、强夯和强夯置换法,地基处理技术,第三章 强夯与强夯置换法,强夯法定义 强夯法加固机理与适用性 强夯法设计方法 强夯法施工方法 强夯法质量检测,强夯法,什么是强夯法？ 强夯法就是将很重的锤吊到较大 的高度后使其自由落下，给地基 表面以大的冲击力，冲击能量在 地基中的传播使土体得到压密， 从而提高地基土的强度、降低土 体压缩性、改善砂土的抗液化条 件、消除湿陷性黄土湿陷性方法。 锤重一般为100400kN ，落高一 般为840m。,强夯法适用性 应用强夯法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。强夯法的适用性在某种程度上比其它机械的、化学的加

2、固方法更为广泛和有效。根据国外资料，经强夯处理的砂性土基，其承载能力可提高200%-500%，压缩性可降低200%-1000%。它的适用范围十分广泛，不但能在陆地上施工，而且也可在水下夯实。 适用于碎石土、砂土、低饱和度粉土和粘性土、杂填土、塑填土、失陷性黄土。 对于w60%,e1.5,粘里含量30%的饱和粘性土，尤其是淤泥和淤泥质土地基，不宜用强夯法。,强夯法的优缺点 强夯法的优点 强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点 。 强夯法的缺点 施工时噪音和振动较大，不宜在人口密集的城市内使用。,强夯法加固机理,强夯释放能量转换成各种波传到土体内。 1、压缩波：7%振动能量，使土体受拉和受

3、压，强度降低，孔隙水汇集。 2、剪切波： 26%振动能量，导致土体结构破坏。 3、面波（瑞利波）： 67%振动能量，造成夯点处地面隆起，使饱和土密实,强夯法加固机理,目前，强夯法加固地基有三 种加固机理： 动力密实 动力固结 动力置换 到底哪一种加固机理，取 决于土的类型和施工工艺。,1、动力密实（粗颗粒土，非饱和土） 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颗粒的相对位移引起 的。,非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(

4、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。,A区：主压实区，动应力超过土的强度，土结构破坏后压 实，侧向压力较大，加固效果好。 B：次压实区，动应力小于土的强度但大于土的弹性极限。 C：隆起区。 D：未加固区。 最佳夯击能：夯击次数增加到隆起量与下沉量相等时对应的 夯击能量。,动应力等值线,干密度等值线,动应力、干密度随深度和水平距离增加而减小,2、动力固结 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 超静孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触 变性，强度得到提高。,Menard提

5、出的饱和土可压缩的新机理 1饱和土的压缩 2土体液化 3渗透性增加 4触变恢复,1饱和土的压缩 在工程实践中，不论土的性质如何，夯击时能立即引起地基土的很大沉降，这个结果对粒状土是可以理解的。对渗透性很小的饱和细颗粒土，孔隙水的排出被认为是发生体积压缩的必要条件和充分条件，这是传统的固结理论的基本假定。由于饱和细颗粒土渗透性低，在瞬时荷载作用下，孔隙水不能迅速排出，这样就无法理解在强夯时会立即引起很大沉降的机理。 Menard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

6、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土体液化 在重复夯击过程中，施加在土体上的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。因此，土体的沉降量与夯击能成正比。当气体含量按百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。这时，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。 液化度为孔隙水压力与液化压力之比，而液化压力即为上覆土的压力。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，吸着水开始变成自由水，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，继续夯击不能提高加固效果，

7、仅会使土体发生塑性变形。,夯一遍,夯三遍,3渗透性增加 在强大夯击能量作用下，在土体中出现冲击波和动应力。 当所出现的超静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，裂隙开始闭 合，土中水的运动又恢复常态。,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，使土体的强度达到最低值。此时土体产 生裂隙，而土中吸着水部分变成自由水，随着孔隙水压力

8、的 消散，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。 这是由于颗粒间紧紧接触以及新吸着水层逐渐固定的原 因，而吸着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1以下。如果用传统的固结理论就不能解释这一现象 ，这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸着水，这也是 具有触变性土的特性。,动力置换 动力置换可分为整体置换和桩式置换，如图所示。整体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入土体中，部分碎石桩（或墩）间隔地夯入软土中，形成桩式（或墩式）的碎石桩（或墩）。其作用机理类似于振冲法等 形成的

9、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。,强夯法设计计算,强夯法的主要设计参数： 有效加固深度 夯击能； 夯点的平面布置形式； 夯击次数与遍数； 间歇时间。 处理范围,1、有效加固深度,有效加固深度定义： 经强夯后，强度和变形等指标满足设计要求的土层范围。 有效加固深度取决于单点夯击能的大小，用经验公式确定， 单点夯击能主要根据需要加固土层的厚度和现有起吊设备起吊 能力的大小来初步确定的。 Lukas(1986)公式： 式中：h：有效加固深度（m）；W：夯锤重（kN）； H：夯锤落距（m）。 经验修正系数。软土可取0.5，对黄土可取0.34-

10、0.5建筑地基处理技术规范(JGJ-2002)采用表3-2形式,2.影响强夯法的有效加固深度的因素 锤重和落距； 地基土性质； 不同土层的厚度和埋藏顺序； 地下水位； 强夯的其它设计参数 。,3、夯击能 单点夯击能：等于锤重W乘以夯锤落距H。 单位夯击能：等于整个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。 最佳夯击能： 当最后两击的平均夯沉量不大于50mm（单点夯击能较 大时不大于100 mm）时或夯坑周围地面发生过大的隆起 时对应的夯击能称为最佳夯击能。 从理论上讲，当地基中出现的孔隙水压力达到土的自 重应力时，这样的夯击能称为最佳夯击能。,最佳夯击能确定方法 1粘性土地基：由

11、于粘性土中的孔隙水压力消散慢，当夯击 能逐渐增大时，孔隙水压力亦相应的叠加，因而在粘性土中 ，可根据孔隙水压力的增长曲线来确定最佳夯击能。 2砂性土地基：由于在砂性土中的孔隙水压力增长及消散过 程仅为几分钟，因此，孔隙水压力不随夯击能增加而增长， 为此可绘制孔隙水压力增量与夯击击数（夯击能）的关系曲 线来确定最佳夯击能。当孔隙水压力增量随着夯击的击数（ 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。,4、夯击点布置及间距,夯击点布置 一般有等边三角形、梅花形和正方形,运城-三门峡高速公路,某填海工程,夯击点间距,一般根据地基土的性质和要求处理

12、的深度而定，通常为59m。为了使深层土得以加固，第一遍夯击点的间距要大些，这样才能使夯击能量传递到深处。下一遍夯点往往布置在上一遍夯点的中间，如图所示。,夯击遍数和间歇时间,夯击遍数应根据地基土的性质和平均夯击能确定，一般情况下可采用2-3遍，最后再以低能量搭夯一遍，其目的是将松动的表层土夯实。对渗透性弱的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。 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，消散时间只有几分钟到几小时，两遍夯间的间歇时间可以很短，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，孔隙水压力亦相应的叠加，其间

13、歇时间取决于孔隙水压力的消散情况，一般为2-4周。,强夯处理范围：由于基础的应力扩散作用或需消除液化，强夯处理范围应大于建筑物基础范围，对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2-2/3，并不宜小于3m。,施工机械,欧美国家所用的起重设备大多为大吨位的履带式起重机，通常在1000kN以上，稳定性好，行走方便。日本采用轮胎式起重机进行强夯作业，亦取得了满意结果。国外除使用现成的履带式起重机外，还制造了常用的三足架和轮胎式夯机，用于起吊400kN夯锤，落距可达40m。 我国绝大多数强夯工程只具备小吨位起重机的施工条件，所以只能使用滑轮组起吊夯锤，利用自动脱钩的装置，如下图所示，使

14、锤形成自由落体。,1吊钩 2锁卡焊合件 3、7螺栓 4开口锁 5架板 6垫圈 8止动板 9销栓 10螺母 11鼓形轮 12护板,强夯脱钩装置示意图,施工步骤,1清理并平整施工场地； 2当地基表面土质较软弱时，要先在地表铺设垫层，用以支承起重设备，确保机械通行和施工。同时可加大地下水和表层面的距离，防止夯击的效率降低； 3标出第一遍夯击点的位置，并测量场地高程； 4起重机就位，夯锤对准夯点位置； 5测量夯前锤顶标高；,施工步骤,6将夯锤起吊到预定高度，待夯锤锐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； 7重复步骤6，按设计规定的夯击次数及控制标准，完

15、成一个夯点的夯击； 8重复步骤47，完成第一遍全部夯点的夯击； 9用推土机将夯坑填平，并测量场地高程； 10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，将场地表层土夯实，并测量夯后场地高程。,第三节 强夯置换复合地基,强夯置换原理 强夯置换是利用夯锤冲击填在夯坑中的碎石（或块石），使夯锤下的土体压缩，夯锤周边土体发生剪切破坏，形成的碎石（块石）墩体与周围土体共同构成性能良好的复合地基或层状地基。,置换方式,置换方式主要有两种： 1.单夯点或有一定间距的多夯点置换，称为桩式置换，碎石（或块石）墩体构成的竖向增强体（强夯置换碎石桩）与基体（天然地基土体）共同组成散体材料桩

16、复合地基； 2.密集的点置换便形成线置换（或面置换），称为整体置换，这时置换体连成一片，与下部土层组成层状地基。 整体置换可以看作是桩式置换的特殊情况 。,强夯置换的设计,与前面介绍的强夯法不同之处在于要确定：强夯置换的置换深度h 。 确定置换深度的主要方法有：原位测试法、经验预估法、拟静力法等。,原位测试法,原位测试包括斜钻及地质雷达检测。由于钻机难以在碎石（块石）墩上成孔，故采用斜钻，斜钻只适应小面积施工检测。为适应大面积施工需要，可用地质雷达这种快速的检测方法，它借助于发射天线发出的电磁波在地层中的传播特性来确定桩体长度（即置换深度）。,经验预估法,修正的Menard公式： 式中：修正系

17、数，扬光煦（1992年）给定=0.18-0.30， 建议当淤泥厚度小于5m时，取0.2；淤泥厚度大于6m时取0.3； W锤重（kN）； H落高（m）。,罗嗣海（1999年）给出了另一种形式的单点夯击能WH与置换深度h的经验关系： 式中：D夯锤直径（m）； fa欲加固深度范围内中下部土层容许承载力； W、H的意义同上。,经验预估法,曾庆军根据波能传播理论提出：当最后一击下沉量为4cm时，可按下式计算强夯置换的最终置换深度： 式中：1土的能量吸收系数（m-1）； K 地基承载力的安全系数； 夯击能综合效率系数（一般取0.8）； W、H、h、fa意义同上。,根据波能传播理论确定置换深度,第四节 质量检验与现场试夯,质量检验方法 强夯施工结束一段时间以后，待地基土体的强度大部恢复或超过天然地基的强度后，应对地基加固效果进行检验。对碎石土和砂土地基，施工结束到效果检验的间隔时间可取12周；对低