地基处理之强夯法

强夯夯和和强强夯夯置置换换概述述强夯夯法法是是法法国国梅梅那那（（Menard）技技术术公公司司于于1969年首首创创的的一一种种地地基基加加固固方方法法，，亦亦称称动动力力固固结结法法，，迄迄今今已已为为国国内内外外广广泛泛采采用用。。该该法法一一般般是是以以8～40t重锤锤（（最最重重为为200t）起起吊吊到到一一定定高高度度（（一一般般为为8～30m），，令令锤锤自自由由落落下下，，对对土土体体进进行行强强力力夯夯实实，，以以提提高高其其强强度度、、降降低低其其压压缩缩性性的的一一种种地地基基加加固固方方法法。。它它是是重重锤锤夯夯实实法法的的基基础础上上发发展展起起来来的的，，但但又又与与重重锤锤夯夯实实法法迥迥然然不不同同的的一一项项新新技技术术。。此法法当当初初仅仅用用于于加加固固砂砂土土、、碎碎石石类类土土地地基基。。强夯夯法法经经过过几几十十年年的的发发展展，，它它已已适适用用于于加加固固从从砾砾石石到到粘粘性性土土的的各各类类地地基基土土。。在在我我国国常常用用来来处处理理碎碎石石土土、、砂砂土土、、低低饱饱和和度度的的粉粉土土、、粘粘性性土土、、杂杂填填土土、、素素填填土土、、湿湿陷陷性性黄黄土土等等各各类类地地基基。。它不不仅仅能能提提高高地地基基的的承承载载力力，，同同时时，，还还能能改改善善地地基基抵抵抗抗振振动动液液化化的的能能力力，，消消除除湿湿陷陷性性黄黄土土的的湿湿陷陷性性。。为为处处理理软软土土地地基基，，还还发发展展了了预预设设的的袋袋装装砂砂井井，，或或塑塑料料板板排排水水的的强强夯夯法法、、夯夯扩扩桩桩加加填填渣渣强强夯夯法法，，强强夯夯填填渣渣挤挤淤淤法法，，碎碎石石桩桩强强夯夯法法等等。。强夯法具具有设备备简单、、原理直直观、施施工速度度快、不不添加特特殊材料料、造价价低、适适用范围围广泛，，特别是是非饱和和土加固固效果显显著。对饱和土土加固地地基的效效果好坏坏，关键键在于排排水，如如饱和砂砂土地基基、渗透透性好，，超孔隙隙水压力力容易消消散，夯夯后固结结快。对于饱和和的粘性性土或淤淤泥质土土，由于于渗透性性差，土土体内的的水排出出困难，，加固效效果就比比较差，，必须慎慎重对待待。用砂井排排水与强强夯结合合使用，，加固效效果就比比较好。。强夯法法可适合合于房建建、桥涵涵、道路路、油罐罐、港口口、码头头、铁路路地基、、飞机场场跑道和和大型设设备基础础等工程程。而且且加固速速度快、、效果好好、投资资省、最最常用、、最经济济而简便便的地基基加固方方法之一一。根据国外外资料，，经强夯夯处理的的砂性土土地基，，其承载载能力可可提高200％～500％，压缩缩性可降降低200％～1000％。它的的适用范范十分广广泛，不不但能在在陆地上上施工，，而且也也可在水水下夯实实。其缺点是是施工时时噪声和和振动较较大，因因而不宜宜在人口口密集的的城市内内使用。。三支点式式强夯机机具“门”式强夯机机具强夯法一、加固机理理二、强夯法设设计计算算三、强夯法施施工四、施工步骤骤五、质量检验验加固机理理目前，强强夯法加加固地基基有三种种不同的的加固机机理：动动力密实实（DynamicCompaction）、动力力固结（（DynamicConsolidation）和动力力置换（（DynamicReplacement），它取取决于地地基土的的类别和和强夯施施工工艺艺。(一)、动力密密实采用强夯夯法加固固多孔隙隙、粗颗颗粒、非非饱和土土是基于于动力密密实的机机理，即即用冲击击型动力力荷载，，在土中中形成很很大的冲冲击波（（主要是是纵波和和横波）），土体体因受到到很大的的冲击力力，此力力远远超超过了土土体的强强度。在在此冲击击力的作作用下，，土体被被破坏，，土颗粒粒相互靠靠拢，排排出孔隙隙中的气气体、颗颗粒重新新排列，，土在动动荷载作作用下被被挤密压压实，强强度提高高，压缩缩性降低低。非饱和土土的夯实过过程，就就是土中中的空气气被挤出出的过程程，其夯夯实变形形主要是是由于土土颗粒的的相对位位移引起起。在冲冲击动能能作用下下，地面面会立即即产生沉沉陷，一一般夯击击一遍后后，其夯夯坑深度度可达0.6～1.0m，夯坑底底部形成成一层超超压密硬硬壳层，，承载力力可比夯夯前提高高2～3倍。非饱饱和土在在中等夯夯击能量量为1000～2000kN··m的作用下下，主要要是产生生冲切变变形，在在加固深深度范围围内气相相体积大大大减小小，最大大可减小小60%。(二)、动力固固结用强夯法法处理细细颗粒饱和土时，则是是借助于于动力固固结的理理论，即即巨大的的冲击能能量在土土中产生生很大的的应力波波，破坏坏了土体体原有的的结构，，使土体体局部发生液化并产生许许多裂隙隙，增加加了排水水通道，，使孔隙隙水顺利利逸出，，待超孔孔隙水压压力消散散后，土土体固结结，强度度得到提提高。梅纳根据据强夯法法的实践践，首次次对传统统的固结结理论提提出了不不同看法法，认为为饱和土土是可以以压缩的的新机理理，主要要表现有有四个方方面的特特性见下下表静力固结理论动力固结理论①可压缩的液体②固结时液体排出，所通过的小孔，其孔径是不变的③弹簧刚度是常数④活塞无摩阻力①含有少量气体的可压缩的液体②固结时液体排出，所通过的小孔，其孔径是变化的③弹簧刚度为变数④活塞有摩阻力1、饱和土土的压缩缩性由于土中中有机物物的分解解，土中中总存在在一些微微小气泡泡，土颗颗粒之间间的孔隙隙水也有有孔隙可可压缩，，其体积积占整个个体积的的1%～3%。实行强夯夯时，气气体体积积压缩，，孔隙水水压力增增大（产产生超孔孔隙水压压力）。。随后气气体有所所膨胀；；孔隙水水排出，，孔隙水水压力减减少，固固相体积积始终不不变。夯夯击一遍遍，液相相体积就就有所减减少，气气相体积积也有减减少，这这是与以以往的固固结理论论不同之之处。2、土体液液化土体沉降降与夯击击能成正正比，当当夯击能能达到一一定程度度时，即即当气体体的体积积百分比比接近于于零时，，土质具具有不可可压缩性性，此界界限值称称为饱和和能，饱饱和能的的大小与与土的种种类有关关。一般般为500～2000kN.m/m3。夯击能达达到饱和和能时，，土体产产生液化化，吸着着水变成成了自由由水，土土的强度度下降到到最小值值。必须须注意，，一旦达达到饱和和能量的的瞬间，，就不能能在夯击击，否则则对土体体固结不不利。因因为夯夯击能过过大，土土体固结结条件遭遭到破坏坏，孔隙隙水反而而不易排排出，土土体强度度降低后后难以恢恢复。3、渗透性性变化梅纳认为为，在很很大的夯夯击能作作用下，，土中出出现很大大的应力力和冲击击波，致致使地基基内部出出现裂缝缝形成树树枝状排排水网路路。强夯时土土体局部部液化，，即这一一瞬间的的孔隙水水压力等等于总压压力所产产生的超超孔隙水水压力，，使土颗颗粒之间间出现裂裂隙，形形成排水水通道，，土的渗渗透系数数陡增。。当孔隙隙水压力力消散，，达到小小于土颗颗粒之间间的横向向压力时时，裂隙隙闭合，，土中水水的运动动又恢复复常态，，4、触变的的恢复在重复夯夯击作用用下，土土体的强强度逐渐渐减低，，当土体体出现液液化或接接近液化化时，使使土的强强度达到到最低值值。此时时土体产产生裂隙隙，而土土中吸附附水部分分变成自自由水，，随着孔孔隙水压压力的消消散，土土的抗剪剪强度和和变形模模量都有有了大幅幅度地增增长。这这时自由由水重新新被土颗颗粒所吸吸附而变变成了吸吸附水，，这也是是具有触触变性土土的特性性。由于土体体产生裂裂隙或趋趋于液化化，引起起渗透性性增大。。(三)、动力置置换动力置换换可分为为整式置置换和桩桩式置换换。整式式置换是是采用强强夯将碎碎石整体体挤入淤淤泥中，，其作用用机理类类似于换换土垫层层。桩式式置换是是通过强强夯将碎碎石填筑筑土体中中，部分分碎石桩桩（或墩墩）间隔隔地夯入入软土中中，形成成桩式(或墩式)的碎石墩墩(或桩)。其作用机机理类似似于振冲冲法等形形成的碎碎石桩，，它主要要是靠碎碎石内摩摩擦角和和墩间土土的侧限限来维持持桩体的的平衡，，并与墩墩间土起起复合地地基的作作用。(四)、震动波波压密理理论强夯的特特点是将将机械能能转换为为势能，，再变为为动能作作用于土土体。在在重锤作作用于地地面一瞬瞬间，在在重锤作作用于地地面一瞬瞬间，使使土产生生强烈震震动，类类似于地地震的震震源（但但与地震震有许多多不同之之处），，在地基基土中产产生震动动波，从从震源向向四周传传播。又又因地基基为一弹弹塑性材材料，在在巨大的的冲击作作用下，，质点在在连续介介质内震震动，其其震动的的能量可可以传递递给周围围介质，，而引起起周围介介质的震震动，震震动在介介质内的的传播过过程形成成波，根根据其作作用、性性质和特特点的不不同波，，可分为为体波和面波两种。强夯主要要是体波起加固做做用，体体波又分分为纵波和横波，纵波是是由震源源向外传传递的压压缩波，，质点的的振动方方向与波波的前进进方向是是一致的的，同时时伴随着着产生体体积的变变化，一一般表现现为周期期短，振振幅小。。横波是是由震源源向外传传递的剪剪切波，，质点的的振动方方向与波波的前进进方向垂垂直，不不产生体体积的变变化。一一般表现现为周期期较长，，振幅较较大。横横波只能能在固体体里传播播，而纵纵波在固固体、液液体里都都能传播播。强夯时巨巨大的冲冲击能，，作用于于地基上上，在地地基中产产生体波波（含纵纵波和横横波）和和面波两两种。对对地基起起加固作作用的主主要是纵波（压压缩波））和横波（剪剪切波））。而面波波不但起起不到加加密的作作用，反反而对地地基表面面产生松松动，故故为无用用波或有有害波。。强夯法设设计计算算(一)、有效加加固深度度及范围围的确定定强夯法加加固的设设计主要要参数有有：加固深度度及范围，，单位面积积夯击能能力，夯击次数数，夯点间距距，布置以及及夯击遍遍数和间隙时间间等。有效加固固深度既既是选择择地基处处理方法法的重要要依据，，又是反反映处理理效果的的重要参参数，有有效加固固深度按按下式进进行计算算式中：H——有效加固固深度(m)W——垂重(kN)h——落距(m)k——强夯有效效加固深深度影响响系数，，其变动动范围为为0.37～0.8。一般对对粘土、、砂土取取0.45~0.6，对湿陷性黄土土取0.34～0.5。K值影响因素：：单位面积上施施加的总夯击击能及遍数，，土本身结构构强度影响；；锤底面积；；混凝土锤与铸铸铁锤对比；；土层分布影影响。目前，国内外外尚无关于有有效加固深度度的确切定义义，但一般可可理解为：经强夯加固后后，该土层强强度和变形等等指标能满足足设计要求的的土层范围。实际上影响有有效加固深度度的因素很多多，除了锤重重和落距外，，还有地基土土的性质、不不同土层的厚厚度和埋藏顺顺序、地下水水位以及其它它强夯的设计计参数等都与与有效加固深深度有着密切切的关系。因因此，强夯的的有效加固深深度应根据现现场试夯或当当地经验确定定。在缺少经经验或试验资资料时，可按按下表预估。。单击夯击能（kN.m）碎石土、砂土等粉土、粘性土、湿陷性黄土10005.0～6.04.0～5.020006.0～7.05.0～6.030007.0～8.06.0～7.040008.0～9.07.0～8.050009.0～9.58.0～8.560009.5～10.08.5～9.5注：强夯的有有效加固深度度应从起夯面面算起根据波在地基基中传播速度度和土对能量量的吸收能力力，可以计算算出波的有效效传播范围，，即强夯震动动波的能量对对地基加固的的半径Rs.经过多项工程程实践，提出出了一种新的的强夯的加固固有效深度计计算方法：式中：RS——有效加固半径径（加固深度度）(m)h——落距（落垂高高度）(m)M——锤重(kN)Vp——纵波速度(m/s)——土的能量吸收收系数，见下下表k——大于1的系数，一般般为3～5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0.01～0.03硬塑的粘土和中密的块石、碎石0.087～0.115很湿的亚粘土、粘土0.04～0.06可塑的粘土和中密的粗砂、砾石0.1～0.125稍湿的和干的轻亚粘土、亚粘土0.07～0.10土的能量吸收收系数(二)、夯击能量的的确定1单击夯击能为为夯锤重W与落距h的乘积。一般般说夯击时锤锤重和落距大大，则单击能能量大，夯击击击数少，夯夯击遍数也相相应减少。加加固效果和技技术经济较好好。2整个加固场地地的总夯击能能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积积称为单位夯击能。强夯的单位夯夯击能应根据据地基土类别别、结构类型型、荷载大小小和要求处理理的深度等综综合考虑，并并可通过试验验确定。在一一般情况下：：1对粗颗粒土可可取1000～3000KN·m/㎡2对细颗粒土可可取1500～4000KN·m/㎡但对饱和粘性性土所需的能能量不能一次次施加，否则则土体会产生生侧向挤出，，强度反而有有所降低，且且难于恢复。。根据需要可可分几遍施加加，两遍间可可间歇一段时时间，这样可可逐步增加土土的强度，改改善土的压缩缩性。有的文献也提提出，夯坑深深度不超过夯夯锤宽度的一一半，否则将将有一部分能能量损失在土土中。由此可可见，对细颗颗粒土在强夯夯时预计会产产生较深的夯夯坑，因而事事先要求加大大锤底的面积积。国内外夯锤材材料，特别是是大吨位的夯夯锤，多数采采用以钢板为为外壳和内灌灌混凝土的锤锤。目前也有有为了运输的的方便和根据据工程需要，，浇筑成在混混凝土的锤上上能临时装配配钢板的组合合锤。由于锤锤重的日益增增加，锤的材材料已趋向于于由钢材铸成成。夯锤确定后，，根据要求的的单点夯击能能量，就能确确定夯锤的落落距。围内通通常采用的落落距是8～25m。对相同的夯夯击能量，常常选用大落距距的施工方案案，这是因为为增大落距可可获得较大的的接地速度，，能将大部分分能量有效地地传到地下深深处，增加深深层夯实效果果，减少消耗耗在地表土层层塑性变形的的能量。(三)最佳夯击能从理论上讲，，在这样的夯夯击能作用下下，地基中出出现的孔隙水水压力达到土土的自重压力力这样的夯击击能称为最佳佳夯击能。粘性土最佳夯夯击能的确定定方法：在粘粘性土中，由由于孔隙水压压力消散慢，，当夯击能逐逐渐加大时孔孔隙水压力亦亦相应的叠加加，因而在粘粘性土中，可可根据孔隙水水压力的叠加加值来确定最最佳夯击能。。砂性土最佳夯夯击能的确定定方法：在砂砂性土中，由由于孔隙水压压力增长及消消散过程仅为为几分钟，因因此，孔隙水水压力不能随随夯击能增加加而叠加，为为此可绘制孔孔隙水压力增增量与夯击击击数（夯击能能）的关系曲曲线来确定最最佳夯击能。。当孔隙水压压力增量随着着夯击击数(夯击能)增加而逐渐趋趋于恒定时，，可认为该种种砂土所能接接受的能量已已达到饱和状状态，此能量量即为最佳夯夯击能。（在施工前试夯夯时确定）(四)夯击点布置及及间距对某些基础面面积较大的建建筑物或构筑筑物，可按等边三角形或正方形布置夯击点；；对办公楼和住住宅建筑等，，可根据承重重墙位置布置置夯点，一般般可采用等腰三角形布点；对工业厂房可可根据柱网来来布置夯击点点。布置夯击点时时应考虑施工工时吊机的行行走通道。夯距通常为5—15m夯击点间距夯夯击点间间距(夯距)的确定，一般般根据地基土土的性质和要要求处理的深深度而定。夯夯距通常为5～15m，以保证夯击击能量传递到到深处和保护护夯坑周围所所产生的辐射射裂隙为基本本原则。夯击击数应按按现场试夯得得到的夯击击击数和夯沉量量关系曲线确确定，且同时时满足下列条条件1)最后两击的夯夯沉量不大于于50mm，当单击夯击击能量较大时时不大于100㎜2)夯坑周围地面面不应发生过过大隆起；3)不因夯坑过深深而发生起锤锤困难。国内确定夯击击击数的方法法有所不同：：有的以孔隙水水压力达到液液化压力为准准则；有的以最后一一击的夯沉量量达某一数值值为限值；也有的以上、、下两击所产产生的沉降差差小于某一数数值为标准。。总之，各夯击击点的夯击数数，应使土体体竖向压缩最最大，而侧向向位移最小为为原则，一般般为4～10击。夯击遍数夯夯击遍数应应根据地基土土的性质和平平均夯击能确确定。一般情情况下可采用用1～8遍，对于粗颗颗粒土夯击遍遍数可少些，，而对于细颗颗粒土则夯击击遍数要求多多些。最后一遍是以以低能量“搭搭夯”即锤印印彼此错接（六）垫层铺铺设强夯加固场地地必须具有一一层稍硬的表表层，使其能能支承起重设设备，并便于于对所施工的的夯击能得到到扩散，同时时也可加大地地下水位与地地表面的距离离，因此有必必要铺设垫层层。垫层厚度度一般为50～200cm。预铺垫层可可形成一覆盖盖压力，减小小坑侧土隆起起，使坑侧土土得到加固。。预铺垫层的的又一作用就就是在夯击后后能形成夯坑坑底易透水层层，从而加大大加固深度，，并可作为坑坑底土孔隙水水压力的消散散通道，加快快坑底土孔隙隙水压力的消消散。另外，，这一垫层还还可防止夯坑坑底涌土，并并利于施工机机械的行走。。垫层材料宜采采用粗颗粒的的碎石、矿渣渣、砂砾石、、粗颗粒粒径径宜小于10cm。对处理土层层为饱和砂、、软土时，坑坑底易涌土涌涌砂，故垫层层材料不宜用用砂。（七）间歇歇时间对于需要分两两遍或多遍夯夯击的工程，，两遍夯击间间应有一定的的时间间隔。。各遍间的间间歇时间取决决于加固土层层中孔隙水压压力消散所需需要的时间。。对砂性土，，孔隙水压力力的峰值出现现在夯完后的的瞬间，消散散时间只有2～4min，故对渗透性性较大的砂性性土，两遍夯夯击间的间歇歇时间很短，，亦即可连续续夯击。对粘性土，由由于孔隙水压压力消散较慢慢，故当夯击击能逐渐增加加时，孔隙水水压力亦相应应地增加，其其间歇时间取取决于孔隙水水压力的消散散情况，一般般为2～4周。目前国内内有的工程对对粘性土地基基的现场埋设设了袋装砂井井(或塑料排水带带)，以便加速孔孔隙水压力的的消散，缩短短间歇.有时根据施工工流水顺序先先后，两遍间间也能达到连连续夯击的目目的强夯法施工主要机具及设设备：履带式起重机机，稳定性好好，行走方便便。轮胎式起重机机三足架和轮胎胎式强夯机夯锤、起重设设备、脱钩装装置等（国内内）施工步骤试夯根据工程需要要确定加固后后的地基承载载力，变形模模量，有效加加固深度，特特别是消除黄黄土的湿陷性性或地基的地地震液