强夯法地基处理工艺（58页）

1、强夯和强夯置换 概述强夯法是法国梅那（Menard）技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，亦称动力固结法，迄今已为国内外广泛采用。该法一般是以840t重锤（最重为200t）起吊到一定高度（一般为830 m），令锤自由落下，对土体进行强力夯实，以提高其强度、降低其压缩性的一种地基加固方法。它是重锤夯实法的基础上发展起来的，但又与重锤夯实法迥然不同的一项新技术。此法当初仅用于加固砂土、碎石类土地基。强夯法经过几十年的发展，它已适用于加固从砾石到粘性土的各类地基土。在我国常用来处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土、粘性土、杂填土、素填土、湿陷性黄土等各类地基。它不仅能提高地基的承载力，同时，还能改

2、善地基抵抗振动液化的能力，消除湿陷性黄土的湿陷性。为处理软土地基，还发展了预设的袋装砂井，或塑料板排水的强夯法、夯扩桩加填渣强夯法，强夯填渣挤淤法，碎石桩强夯法等。 强夯法具有设备简单、原理直观、施工速度快、不添加特殊材料、造价低、适用范围广泛，特别是非饱和土加固效果显著。 对饱和土加固地基的效果好坏，关键在于排水，如饱和砂土地基、渗透性好，超孔隙水压力容易消散，夯后固结快。对于饱和的粘性土或淤泥质土，由于渗透性差，土体内的水排出困难，加固效果就比较差，必须慎重对待。 用砂井排水与强夯结合使用，加固效果就比较好。强夯法可适合于房建、桥涵、道路、油罐、港口、码头、铁路地基、飞机场跑道和大型设备基

3、础等工程。而且加固速度快、效果好、投资省、最常用、最经济而简便的地基加固方法之一。 根据国外资料，经强夯处理的砂性土地基，其承载能力可提高200500，压缩性可降低2001000。它的适用范十分广泛，不但能在陆地上施工，而且也可在水下夯实。其缺点是施工时噪声和振动较大，因而不宜在人口密集的城市内使用。 三支点式强夯机具“门”式强夯机具强夯法一、加固机理二、强夯法设计计算 三、强夯法施工 四、施工步骤五、质量检验 加固机理目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实（Dynamic Compaction）、动力固结（Dynamic Consolidation）和动力置换（Dynamic R

4、eplacement），它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。(一) 、动力密实采用强夯法加固多孔隙、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，在土中形成很大的冲击波（主要是纵波和横波），土体因受到很大的冲击力，此力远远超过了土体的强度。在此冲击力的作用下，土体被破坏，土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体、颗粒重新排列，土在动荷载作用下被挤密压实，强度提高，压缩性降低。 非饱和土的夯实过程，就是土中的空气被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。在冲击动能作用下，地面会立即产生沉陷，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，承载力可比夯

5、前提高23倍。非饱和土在中等夯击能量为10002000kNm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小，最大可减小60%。(二)、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的理论，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，强度得到提高。 梅纳根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同看法，认为饱和土是可以压缩的新机理，主要表现有四个方面的特性见下表静力固结理论动力固结理论可压缩的液体固结时液体排出，所通过的小孔，其孔径是不变的弹簧刚度是常

6、数活塞无摩阻力含有少量气体的可压缩的液体固结时液体排出，所通过的小孔，其孔径是变化的弹簧刚度为变数活塞有摩阻力1、饱和土的压缩性 由于土中有机物的分解，土中总存在一些微小气泡，土颗粒之间的孔隙水也有孔隙可压缩，其体积占整个体积的1%3%。实行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大（产生超孔隙水压力）。随后气体有所膨胀；孔隙水排出，孔隙水压力减少，固相体积始终不变。夯击一遍，液相体积就有所减少，气相体积也有减少，这是与以往的固结理论不同之处。2、土体液化土体沉降与夯击能成正比，当夯击能达到一定程度时，即当气体的体积百分比接近于零时，土质具有不可压缩性，此界限值称为饱和能，饱和能的大小与土的种类有关

7、。一般为5002000 kN.m/m3。夯击能达到饱和能时，土体产生液化，吸着水变成了自由水，土的强度下降到最小值。必须注意，一旦达到饱和能量的瞬间，就不能在夯击，否则对土体固结不利。 因为夯击能过大，土体固结条件遭到破坏，孔隙水反而不易排出，土体强度降低后难以恢复。3、渗透性变化梅纳认为，在很大的夯击能作用下，土中出现很大的应力和冲击波，致使地基内部出现裂缝形成树枝状排水网路。强夯时土体局部液化，即这一瞬间的孔隙水压力等于总压力所产生的超孔隙水压力，使土颗粒之间出现裂隙，形成排水通道，土的渗透系数陡增。当孔隙水压力消散，达到小于土颗粒之间的横向压力时，裂隙闭合，土中水的运动又恢复常态， 4、

8、触变的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地增长。这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水，这也是具有触变性土的特性。 由于土体产生裂隙或趋于液化，引起渗透性增大。(三) 、动力置换 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填筑土体中，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

9、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。 (四)、震动波压密理论强夯的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面一瞬间，在重锤作用于地面一瞬间，使土产生强烈震动，类似于地震的震源（但与地震有许多不同之处），在地基土中产生震动波，从震源向四周传播。又因地基为一弹塑性材料，在巨大的冲击作用下，质点在连续介质内震动，其震动的能量可以传递给周围介质，而引起周围介质的震动，震动在介质内的传播过程形成波，根据其作用、性质和特点的不同波，可分为体波和面波两种。强夯主要是体波起加固做用，体波又分为纵波和横波，纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与

10、波的前进方向是一致的，同时伴随着产生体积的变化，一般表现为周期短，振幅小。横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，不产生体积的变化。一般表现为周期较长，振幅较大。横波只能在固体里传播，而纵波在固体、液体里都能传播。强夯时巨大的冲击能，作用于地基上，在地基中产生体波（含纵波和横波）和面波两种。对地基起加固作用的主要是纵波（压缩波）和横波（剪切波）。而面波不但起不到加密的作用，反而对地基表面产生松动，故为无用波或有害波。 强夯法设计计算 (一)、有效加固深度及范围的确定强夯法加固的设计主要参数有：加固深度及范围，单位面积夯击能力，夯击次数，夯点间距，布置以及夯击遍数和间隙时

11、间等。 有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数，有效加固深度按下式进行计算 式中：H有效加固深度(m)W垂重(kN)h落距(m)k强夯有效加固深度影响系数，其变动范围为0.370.8。一般对粘土、砂土取0.450.6， 对湿陷性黄土取0.340.5。 K值影响因素：单位面积上施加的总夯击能及遍数，土本身结构强度影响；锤底面积；混凝土锤与铸铁锤对比；土层分布影响。目前，国内外尚无关于有效加固深度的确切定义，但一般可理解为：经强夯加固后，该土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围。 实际上影响有效加固深度的因素很多，除了锤重和落距外，还有地基土的性质、不同土层的

12、厚度和埋藏顺序、地下水位以及其它强夯的设计参数等都与有效加固深度有着密切的关系。因此，强夯的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。在缺少经验或试验资料时，可按下表预估。 单击夯击能（kN.m）碎石土、砂土等粉土、粘性土、湿陷性黄土10005.06.04.05.020006.07.05.06.030007.08.06.07.040008.09.07.08.050009.09.58.08.560009.510.08.59.5注：强夯的有效加固深度应从起夯面算起根据波在地基中传播速度和土对能量的吸收能力，可以计算出波的有效传播范围，即强夯震动波的能量对地基加固的半径Rs. 经过多项工程实践，提出

13、了一种新的强夯的加固有效深度计算方法： 式中：RS有效加固半径（加固深度）(m) h落距（落垂高度）(m) M锤重(kN) Vp纵波速度(m/s)土的能量吸收系数，见下表k大于1的系数，一般为35土质情况值（s/m）土质情况值（s/m）松散饱和粉细砂、亚粘土、轻亚粘土、粘土0.010.03硬塑的粘土和中密的块石、碎石0.0870.115很湿的亚粘土、粘土0.040.06可塑的粘土和中密的粗砂、砾石0.10.125稍湿的和干的轻亚粘土、亚粘土0.070.10土的能量吸收系数 (二)、夯击能量的确定1 单击夯击能为夯锤重W与落距h的乘积。一般说夯击时锤重和落距大，则单击能量大，夯击击数少，夯击遍数

14、也相应减少。加固效果和技术经济较好。 2 整个加固场地的总夯击能量(即锤重落距总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。 强夯的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。在一般情况下 ：1 对粗颗粒土可取10003000KNm/2 对细颗粒土可取15004000 KNm/但对饱和粘性土所需的能量不能一次施加，否则土体会产生侧向挤出，强度反而有所降低，且难于恢复。根据需要可分几遍施加，两遍间可间歇一段时间，这样可逐步增加土的强度，改善土的压缩性。有的文献也提出，夯坑深度不超过夯锤宽度的一半，否则将有一部分能量损失在土中。由此可见，对细颗粒土在强夯时预

15、计会产生较深的夯坑，因而事先要求加大锤底的面积。 国内外夯锤材料，特别是大吨位的夯锤，多数采用以钢板为外壳和内灌混凝土的锤。目前也有为了运输的方便和根据工程需要，浇筑成在混凝土的锤上能临时装配钢板的组合锤。由于锤重的日益增加，锤的材料已趋向于由钢材铸成。 夯锤确定后，根据要求的单点夯击能量，就能确定夯锤的落距。围内通常采用的落距是825m。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。(三) 最佳夯击能 从理论上讲，在这样的夯击能作用下，地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力

16、这样的夯击能称为最佳夯击能。粘性土最佳夯击能的确定方法：在粘性土中，由于孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐加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叠加值来确定最佳夯击能。砂性土最佳夯击能的确定方法：在砂性土中，由于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，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。（在施工前试夯时确定）(四)夯击点布置及间距 对某些基础面积较大的建筑物或构筑物，可按等边三

17、角形或正方形布置夯击点；对办公楼和住宅建筑等，可根据承重墙位置布置夯点，一般可采用等腰三角形布点；对工业厂房可根据柱网来布置夯击点。布置夯击点时应考虑施工时吊机的行走通道。 夯距通常为515m 夯击点间距 夯击点间距(夯距)的确定，一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。夯距通常为515m，以保证夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射裂隙为基本原则。夯击击数应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且同时满足下列条件1)最后两击的夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时不大于1002)夯坑周围地面不应发生过大隆起；3)不因夯坑过深而发生起锤困难。国内确定夯击击数的方法有所不同：

18、有的以孔隙水压力达到液化压力为准则； 有的以最后一击的夯沉量达某一数值为限值；也有的以上、下两击所产生的沉降差小于某一数值为标准。总之，各夯击点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为410击。 夯击遍数 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18遍，对于粗颗粒土夯击遍数可少些，而对于细颗粒土则夯击遍数要求多些。 最后一遍是以低能量“搭夯”即锤印彼此错接 （六）垫层铺设 强夯加固场地必须具有一层稍硬的表层，使其能支承起重设备，并便于对所施工的夯击能得到扩散，同时也可加大地下水位与地表面的距离，因此有必要铺设垫层。垫层厚度一般为50200cm。预铺垫层可

19、形成一覆盖压力，减小坑侧土隆起，使坑侧土得到加固。预铺垫层的又一作用就是在夯击后能形成夯坑底易透水层，从而加大加固深度，并可作为坑底土孔隙水压力的消散通道，加快坑底土孔隙水压力的消散。另外，这一垫层还可防止夯坑底涌土，并利于施工机械的行走。垫层材料宜采用粗颗粒的碎石、矿渣、砂砾石、粗颗粒粒径宜小于10cm。对处理土层为饱和砂、软土时，坑底易涌土涌砂，故垫层材料不宜用砂。（七） 间歇时间 对于需要分两遍或多遍夯击的工程，两遍夯击间应有一定的时间间隔。各遍间的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24min，故对渗透性较大的砂

20、性土，两遍夯击间的间歇时间很短，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，孔隙水压力亦相应地增加，其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况，一般为24周。目前国内有的工程对粘性土地基的现场埋设了袋装砂井(或塑料排水带)，以便加速孔隙水压力的消散，缩短间歇.有时根据施工流水顺序先后，两遍间也能达到连续夯击的目的 强夯法施工 主要机具及设备 ：履带式起重机，稳定性好，行走方便。轮胎式起重机三足架和轮胎式强夯机 夯锤、起重设备、脱钩装置等（国内） 施工步骤试夯根据工程需要确定加固后的地基承载力，变形模量，有效加固深度，特别是消除黄土的湿陷性或地基的地震液化深度，以此根据土的类型、特征，选定单点夯击能，单位面积夯击能、夯击次数、夯击遍数、夯点间距、间歇时间等，确定是否需要加设垫层及填料并确定其厚度。试夯的目的就是根据这些选定的施工参数，进行试夯，并根据试夯后的检验结果，适当调整设计、施工参数，使其达到预