第4讲-强夯和强夯置换

强夯与强夯置换NewTechnicalofSoilImprovement3.1概述3.2加固机理3.3设计计算3.4施工方法3.5现场观测与质量检验目录3.1概述强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般8—30t的重锤(最重可达200t)和8—20m的落距(最高可达40m)，对地基土施加很大的冲击能，一般能量为500—8000kN.m。地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。等等强夯法适用土层碎石土砂土低饱和度的粉土与粘性土湿陷性黄土杂、素填土对于高饱和度的可采用强夯置换法《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)规定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。强夯置换法在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。强夯法、强夯置换法的优点加固效果好使用经济施工简单强夯法加袋装砂井软粘土地基的综合治理夯锤地面挤压土体隆起夯击能冲击力冲击波冲切上部土体结构破坏形成夯坑挤压周围土体3.2加固机理某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况对非饱和土地基压密过程基本上同实验室中的击实实验相同，挤密振密效果明显。对饱和无粘性土地基土体可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动密实的过程相同。对饱和粘性土地基产生超孔压，并且逐渐消散，地基土固结，孔隙比减小，强度提高。目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换。取决于地基土的类别和强夯施工工艺。三种加固机理动力密实加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土动力荷载减小土孔隙，提高强度超孔隙水压力消散，土体固结

分为整式置换和桩式置换

加密、碎石墩置换、排水的组合

处理细颗粒饱和土局部产生裂缝，增加排水通道

动力固结动力置换3.2.1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，土体变得密实，从而提高地基土强度。Flash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。3.2.1动力密实在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6—1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2—3倍。AbuDhabiCorniche(UnitedArabEmirates)夯坑3.2.1动力密实肇庆—花都—博罗输变电工程花都站土石方强夯施工3.2.1动力密实水下地基加固3.2.1动力密实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。由于软土的触变性，强度得到提高。3.2.2动力固结饱和土的压缩性：进行强夯时，气体体积压缩，孔压增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔压就减少。产生液化：土体中气体体积百分比为零时，就变成不可压缩的。相应于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。继续施加能量，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。渗透性变化：超孔压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。孔压消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合。4.触变恢复：在重复夯击作用下，土体的强度逐渐降低，当出现液化或接近液化时，强度达到最低值。此时土体产生裂隙，而吸附水部分变成自由水，随着孔压的消散，土的抗剪强度和变形模量都有大幅度的增长。3.2.2动力固结夯击一遍的情况夯击三遍的情况从右图可以看出，每夯击一遍时，体积变化有所减少，而地基承载力有所增长，但体积的变化和承载力的提高，并不是遵照夯击能的算术级数规律增加的。青岛港8号码头强夯工程桩式置换：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。整式置换：将碎石整体挤入淤泥中，作用机理类似于换土垫层。动力置换3.2.3动力置换整式置换桩式置换3.3设计计算有效加固深度是反映地基处理效果的重要参数。其确切定义国内尚无，但一般可以理解为：经强夯加固后，该土层强度提高，压缩模量增大，加固效果显著的土层范围（或者能够满足设计要求的范围）。可以用下列公式估算有效加固深度：H=α(M•h)1/2式中H——有效加固深度（m）M——夯锤重（t）h——落距（m）α——修正系数。国内则提出：对软土可取0.5作修正系数，对黄土修正系数取0.34～0.5。3.3.1强夯法设计要点（一）有效加固深度影响H的因素除了锤重和落距外，还有地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位以及其它强夯的设计参数。应根据现场试夯或当地经验确定有效加固深度如果没有则根据《建筑地基处理技术规范》的建议取值3.3.1强夯法设计要点3.3.1强夯法设计要点单击夯击能（kNm）碎石土、砂土等粉士、粘性土、湿陷性黄土等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表3-2强夯的有效加固深度（m）注：强夯的有效加固深度应从起夯面算起。3.3.1强夯法设计要点（二）夯锤和落距夯锤重M与落距h的乘积称为单击夯击能。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。强夯的单击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，并可以通过试验确定。一般情况下，粗粒土可取l000kN·m～6000kN·m，细粒土可取l000kN·m～3000kN·m。国内夯锤重量一般为10t～25t,最大40T，底面为圆形，并对称设置若干个贯通顶底面的排气孔，孔径250mm～300mm，这样可以降低能量损失，减小起吊吸力等。夯锤落距理论上讲，地基中出现孔隙水压力与土的自重应力相等时的夯击能成为“最佳夯击能”。1、粘性土中最佳夯击能的确定方法可根据孔隙水压力的叠加值来确定2、砂性土最佳夯击能的确定方法可以根据孔隙水压力增量与夯击击数（夯击能）的关系曲线来确定，当孔隙水压力增量随夯击击数（夯击能）增加而逐渐趋于稳定时，可以认为砂土所能接受的能量已达到饱和状态，此能量极为最佳夯击能。3.3.1强夯法设计要点（三）最佳夯击能3.3.1强夯法设计要点夯击点位置可以根据建筑物结构类型布置。对基础面积较大的建（构）筑物，可以按等边三角形布置，对办公楼和住宅，可在承重墙位置按等腰三角形布点；对工业厂房，可根据柱网来布置夯点。强夯的处理范围应大于基础范围。对一般建筑物而言，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并且不宜小于3m。（四）夯击点布置和间距1.夯击点布置确定原则：一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定，以保证使夯击能量传递到深处和保护邻近夯坑周围所产生的辐射向裂隙。1.强夯第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.5～3.5倍，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间。以后各遍夯击点间距可适当减小。2.对处理深度较深或单击夯击能较大的工程，第一遍夯击点间距宜适当增大。3.强夯置换墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定，当满堂布置时可取夯锤直径的2～3倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.5～2.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.1～1.2倍。

3.3.1强夯法设计要点2.夯击点间距某仓库夯击点布置（三角形）NICEAIRPORT(France)夯击击数强夯夯点的夯击击数按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定还要满足1.最后两击平均夯沉量不宜大于下列数值：单击夯击能量小于4000kN*m时为50mm；夯击能为4000～6000kN*m时为100mm；夯击能大于6000kN·m时为200mm;2.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。3.3.1强夯法设计要点夯击击数强夯置换点的夯击击数按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定还要满足1.墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长;2.累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍;3.最后两击的平均夯沉量不大于强夯的规定值。3.3.1强夯法设计要点（五）夯击击数与遍数夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯2～3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，满夯还可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。搭夯3.3.1强夯法设计要点强夯前要求拟加固的场地必需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。对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石土层，可直接施行强夯，无需铺设垫层；对地下水位较高的饱和粘性土与易液化流动的饱和砂土，需要铺设砂、砂砾或碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动。垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及其形状等条件而定。当场地土质条件好，夯锤小或形状构造合理，起吊时吸力小者，也可减少垫层厚度。垫层厚度一般为0.5～2.0m，保证地下水位低于坑底面以下2m。铺设的垫层不能含有粘土。3.3.1强夯法设计要点（六）垫层铺设3.3.1强夯法设计要点砂性土消散快间歇时间很短连续夯粘性土消散慢孔压叠加间歇时间长设置袋装砂井加速消散缩短间歇时间砂土可连续，粘性土3~4周。需要分两遍或多遍夯击的工程，两遍夯击之间应有一定的时间间隔。各遍间的间隔时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。（七）间歇时间3.4施工方法3.4.1施工机械强夯法的主要设备为夯锤、吊钩和起重机械等。3.4.1施工机械排气孔排气孔的作用：减少起吊夯锤时的吸力和夯锤落地前瞬时的气垫上托力3.4.1施工机械西欧国家大多采用大吨位的履带式起重机起吊夯锤，其稳定性好，行走方便；日本则采用轮胎式起重机进行强夯，效果令人满意。另外，国外除使用现成的履带起吊机外，还制造了常用的三足架和轮胎式强夯机，可以起吊重达40t的夯锤，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，只能使用滑轮组起吊夯锤，利用自动脱钩装置（图3-9（p50）），使夯锤自由下落。拉动自动脱钩器的钢丝绳，其一端拴在桩架的架盘上，以钢丝绳的长短控制夯锤的落距。夯锤挂在脱钩器的钩上，当吊钩提升到要求的高度时，张紧的钢丝绳将脱钩器的伸臂拉转一个角度，致使夯锤突然落下。自动脱钩装置应具有足够的强度，而且施工时要求灵活。为了防止落锤时起重机架倾覆，应采用相应的安全保护措施。3.4.1施工机械强夯脱钩装置图1-吊钩2-锁卡焊合件3、6-螺栓4-开口销5-架板7-垫圈8-止动板9-销轴10-螺母11-鼓形轮12-护板3.4.2施工步骤强夯法施工可以按下列步骤进行：1．清理并平整施工场地；当表土松软时可铺设一层厚度为1.0～2.0m的砂石施工垫层；2．标出第一遍夯击点位置，并测量场地标高；3．起重机就位，使夯锤对准夯点位置；4．测量夯前锤顶高程；5．将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后放下吊钩，测量锤顶高程；若出现坑底不平而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平；6．重复步骤5，按设计规定的夯击次数和控制标准，完成一个夯点的夯击；7．重复步骤3～6，完成第一遍全部夯点的夯击；8．用推土机填平夯坑，并测量场地高程；9．在规定的间歇时间后，重复以上步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，使场地表层松土密实，并测量夯后场地高程。

3.4.2施工步骤强夯法施工可以按下列步骤进行：注意：当地下水位较高，夯坑底积水而影响施工时，宜采用人工降低地下水位的方法或铺设一定厚度的松散材料。夯坑内或场地积水应及时排除。当强夯施工所产生的振动对邻近建筑物或设备产生有害影响时，应采取防振或隔振措施。3.5现场观测与质量检验3.5.1现场观测现场测试工作是强夯施工中的一个重要组成部分。因此，在大面积施工之前应选择面积不小于400m2的场地，进行现场试验以取得强夯设计数据。测试工作一般有以下几个方面的内容：（1）地面及深层变形地面变形研究的目的是：1．了解地表隆起的影响范围及垫层的密实度变化；2．研究夯击能与夯沉量的关系，用以确定单点最佳夯击能；3．确定场地平均沉降量和搭夯的沉降量，以便用来研究强夯的加固效果。变形研究手段有：地面沉降观测、深层沉降观测和水平位移观测。3.5.1现场观测（2）孔隙水压力一般可在试验现场沿夯击点等距离的不同深度和等深度的不同距离埋设钢弦式孔隙水压力仪，在夯击作用下，进行孔隙水压力沿深度和水平距离的变化情况测试，从而确定两个夯击点的夯距、夯击影响范围、间歇时间以及饱和