第4講-強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換

強(qiáng)夯與強(qiáng)夯置換NewTechnicalofSoilImprovement3.1概述3.2加固機(jī)理3.3設(shè)計(jì)計(jì)算3.4施工方法3.5現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)夸?.1概述強(qiáng)夯是法國(guó)Menard技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法，它通過一般8—30t的重錘(最重可達(dá)200t)和8—20m的落距(最高可達(dá)40m)，對(duì)地基土施加很大的沖擊能，一般能量為500—8000kN.m。地基土中所出現(xiàn)的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力，可提高地基土的強(qiáng)度、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性等。同時(shí)，夯擊能還可提高土層的均勻程度，減少將來可能出現(xiàn)的差異沉降。等等強(qiáng)夯法適用土層碎石土砂土低飽和度的粉土與粘性土濕陷性黃土雜、素填土對(duì)于高飽和度的可采用強(qiáng)夯置換法《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)規(guī)定強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。強(qiáng)夯置換法適用于高飽和度的粉土與軟～塑流塑的粘性土等地基上對(duì)變形控制要求不嚴(yán)的工程。強(qiáng)夯置換法在設(shè)計(jì)前必須通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性和處理效果。強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換法的優(yōu)點(diǎn)加固效果好使用經(jīng)濟(jì)施工簡(jiǎn)單強(qiáng)夯法加袋裝砂井軟粘土地基的綜合治理夯錘地面擠壓土體隆起夯擊能沖擊力沖擊波沖切上部土體結(jié)構(gòu)破壞形成夯坑擠壓周圍土體3.2加固機(jī)理某工程測(cè)得的單點(diǎn)夯夯坑夯沉量及周圍地表隆起情況對(duì)非飽和土地基壓密過程基本上同實(shí)驗(yàn)室中的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)相同，擠密振密效果明顯。對(duì)飽和無(wú)粘性土地基土體可能會(huì)產(chǎn)生液化，其壓密過程同爆破和振動(dòng)密實(shí)的過程相同。對(duì)飽和粘性土地基產(chǎn)生超孔壓，并且逐漸消散，地基土固結(jié)，孔隙比減小，強(qiáng)度提高。目前，強(qiáng)夯法加固地基有三種不同的加固機(jī)理：動(dòng)力密實(shí)、動(dòng)力固結(jié)和動(dòng)力置換。取決于地基土的類別和強(qiáng)夯施工工藝。三種加固機(jī)理動(dòng)力密實(shí)加固多孔隙、粗顆粒、非飽和土動(dòng)力荷載減小土孔隙，提高強(qiáng)度超孔隙水壓力消散，土體固結(jié)

分為整式置換和樁式置換

加密、碎石墩置換、排水的組合

處理細(xì)顆粒飽和土局部產(chǎn)生裂縫，增加排水通道

動(dòng)力固結(jié)動(dòng)力置換3.2.1動(dòng)力密實(shí)采用強(qiáng)夯加固多孔隙、粗顆粒、非飽和土是基于動(dòng)力密實(shí)的機(jī)理，即用沖擊型動(dòng)力荷載，使土體中的孔隙減小，土體變得密實(shí)，從而提高地基土強(qiáng)度。Flash非飽和土的夯實(shí)過程，就是土中的氣相(空氣)被擠出的過程，其夯實(shí)變形主要是由于土顆粒的相對(duì)位移引起。3.2.1動(dòng)力密實(shí)在沖擊動(dòng)能作用下，地面會(huì)立即產(chǎn)生沉降，一般夯擊一遍后，其夯坑深度可達(dá)0.6—1.0m，夯坑底部形成一層超壓密硬殼層，承載力可比夯前提高2—3倍。AbuDhabiCorniche(UnitedArabEmirates)夯坑3.2.1動(dòng)力密實(shí)肇慶—花都—博羅輸變電工程花都站土石方強(qiáng)夯施工3.2.1動(dòng)力密實(shí)水下地基加固3.2.1動(dòng)力密實(shí)巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，使土體局部發(fā)生液化并產(chǎn)生許多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水順利逸出，待超孔隙水壓力消散后，土體固結(jié)。由于軟土的觸變性，強(qiáng)度得到提高。3.2.2動(dòng)力固結(jié)飽和土的壓縮性：進(jìn)行強(qiáng)夯時(shí)，氣體體積壓縮，孔壓增大，隨后氣體有所膨脹，孔隙水排出的同時(shí)，孔壓就減少。產(chǎn)生液化：土體中氣體體積百分比為零時(shí)，就變成不可壓縮的。相應(yīng)于孔隙水壓力上升到覆蓋壓力相等的能量級(jí)，土體即產(chǎn)生液化。繼續(xù)施加能量，除了使土起重塑的破壞作用外，能量純屬是浪費(fèi)。滲透性變化：超孔壓大于顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，致使土顆粒間出現(xiàn)裂隙，形成排水通道。此時(shí)，土的滲透系數(shù)驟增，孔隙水得以順利排出?？讐合⒌叫∮陬w粒間的側(cè)向壓力時(shí)，裂隙即自行閉合。4.觸變恢復(fù)：在重復(fù)夯擊作用下，土體的強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)出現(xiàn)液化或接近液化時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最低值。此時(shí)土體產(chǎn)生裂隙，而吸附水部分變成自由水，隨著孔壓的消散，土的抗剪強(qiáng)度和變形模量都有大幅度的增長(zhǎng)。3.2.2動(dòng)力固結(jié)夯擊一遍的情況夯擊三遍的情況從右圖可以看出，每夯擊一遍時(shí)，體積變化有所減少，而地基承載力有所增長(zhǎng)，但體積的變化和承載力的提高，并不是遵照夯擊能的算術(shù)級(jí)數(shù)規(guī)律增加的。青島港8號(hào)碼頭強(qiáng)夯工程樁式置換：形成樁式或墩式的碎石墩或樁。其作用機(jī)理類似于振沖法等形成的碎石樁。整式置換：將碎石整體擠入淤泥中，作用機(jī)理類似于換土墊層。動(dòng)力置換3.2.3動(dòng)力置換整式置換樁式置換3.3設(shè)計(jì)計(jì)算有效加固深度是反映地基處理效果的重要參數(shù)。其確切定義國(guó)內(nèi)尚無(wú)，但一般可以理解為：經(jīng)強(qiáng)夯加固后，該土層強(qiáng)度提高，壓縮模量增大，加固效果顯著的土層范圍（或者能夠滿足設(shè)計(jì)要求的范圍）。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——夯錘重（t）h——落距（m）α——修正系數(shù)。國(guó)內(nèi)則提出：對(duì)軟土可取0.5作修正系數(shù)，對(duì)黃土修正系數(shù)取0.34～0.5。3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)（一）有效加固深度影響H的因素除了錘重和落距外，還有地基土的性質(zhì)、不同土層的厚度和埋藏順序、地下水位以及其它強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)參數(shù)。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試夯或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定有效加固深度如果沒有則根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的建議取值3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)單擊夯擊能（kNm）碎石土、砂土等粉士、粘性土、濕陷性黃土等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強(qiáng)夯的有效加固深度（m）注：強(qiáng)夯的有效加固深度應(yīng)從起夯面算起。3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)（二）夯錘和落距夯錘重M與落距h的乘積稱為單擊夯擊能。整個(gè)加固場(chǎng)地的總夯擊能量（即錘重×落距×總夯擊數(shù)）除以加固面積稱為單位夯擊能。強(qiáng)夯的單擊夯擊能應(yīng)根據(jù)地基土類別、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和要求處理的深度等綜合考慮，并可以通過試驗(yàn)確定。一般情況下，粗粒土可取l000kN·m～6000kN·m，細(xì)粒土可取l000kN·m～3000kN·m。國(guó)內(nèi)夯錘重量一般為10t～25t,最大40T，底面為圓形，并對(duì)稱設(shè)置若干個(gè)貫通頂?shù)酌娴呐艢饪?，孔?50mm～300mm，這樣可以降低能量損失，減小起吊吸力等。夯錘落距理論上講，地基中出現(xiàn)孔隙水壓力與土的自重應(yīng)力相等時(shí)的夯擊能成為“最佳夯擊能”。1、粘性土中最佳夯擊能的確定方法可根據(jù)孔隙水壓力的疊加值來確定2、砂性土最佳夯擊能的確定方法可以根據(jù)孔隙水壓力增量與夯擊擊數(shù)（夯擊能）的關(guān)系曲線來確定，當(dāng)孔隙水壓力增量隨夯擊擊數(shù)（夯擊能）增加而逐漸趨于穩(wěn)定時(shí)，可以認(rèn)為砂土所能接受的能量已達(dá)到飽和狀態(tài)，此能量極為最佳夯擊能。3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)（三）最佳夯擊能3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)夯擊點(diǎn)位置可以根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型布置。對(duì)基礎(chǔ)面積較大的建（構(gòu)）筑物，可以按等邊三角形布置，對(duì)辦公樓和住宅，可在承重墻位置按等腰三角形布點(diǎn)；對(duì)工業(yè)廠房，可根據(jù)柱網(wǎng)來布置夯點(diǎn)。強(qiáng)夯的處理范圍應(yīng)大于基礎(chǔ)范圍。對(duì)一般建筑物而言，每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為設(shè)計(jì)處理深度的1/2～2/3，并且不宜小于3m。（四）夯擊點(diǎn)布置和間距1.夯擊點(diǎn)布置確定原則：一般根據(jù)地基土的性質(zhì)和要求處理的深度而定，以保證使夯擊能量傳遞到深處和保護(hù)鄰近夯坑周圍所產(chǎn)生的輻射向裂隙。1.強(qiáng)夯第一遍夯擊點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間。以后各遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小。2.對(duì)處理深度較深或單擊夯擊能較大的工程，第一遍夯擊點(diǎn)間距宜適當(dāng)增大。3.強(qiáng)夯置換墩間距應(yīng)根據(jù)荷載大小和原土的承載力選定，當(dāng)滿堂布置時(shí)可取夯錘直徑的2～3倍。對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)可取夯錘直徑的1.5～2.0倍。墩的計(jì)算直徑可取夯錘直徑的1.1～1.2倍。

3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.夯擊點(diǎn)間距某倉(cāng)庫(kù)夯擊點(diǎn)布置（三角形）NICEAIRPORT(France)夯擊擊數(shù)強(qiáng)夯夯點(diǎn)的夯擊擊數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊擊數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定還要滿足1.最后兩擊平均夯沉量不宜大于下列數(shù)值：?jiǎn)螕艉粨裟芰啃∮?000kN*m時(shí)為50mm；夯擊能為4000～6000kN*m時(shí)為100mm；夯擊能大于6000kN·m時(shí)為200mm;2.夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大隆起;3.不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)夯擊擊數(shù)強(qiáng)夯置換點(diǎn)的夯擊擊數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊擊數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定還要滿足1.墩底穿透軟弱土層，且達(dá)到設(shè)計(jì)墩長(zhǎng);2.累計(jì)夯沉量為設(shè)計(jì)墩長(zhǎng)的1.5～2.0倍;3.最后兩擊的平均夯沉量不大于強(qiáng)夯的規(guī)定值。3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)（五）夯擊擊數(shù)與遍數(shù)夯擊遍數(shù)夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定，可采用點(diǎn)夯2～3遍，對(duì)于滲透性較差的細(xì)顆粒土，必要時(shí)夯擊遍數(shù)可適當(dāng)增加。最后再以低能量滿夯2遍，滿夯還可采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印搭接。搭夯3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)強(qiáng)夯前要求擬加固的場(chǎng)地必需具有一層稍硬的表層，使其能支承起重設(shè)備；并便于對(duì)所施工的“夯擊能”得到擴(kuò)散；同時(shí)也可加大地下水位與地表面的距離。對(duì)場(chǎng)地地下水位在-2m深度以下的砂礫石土層，可直接施行強(qiáng)夯，無(wú)需鋪設(shè)墊層；對(duì)地下水位較高的飽和粘性土與易液化流動(dòng)的飽和砂土，需要鋪設(shè)砂、砂礫或碎石墊層才能進(jìn)行強(qiáng)夯，否則土體會(huì)發(fā)生流動(dòng)。墊層厚度隨場(chǎng)地的土質(zhì)條件、夯錘重量及其形狀等條件而定。當(dāng)場(chǎng)地土質(zhì)條件好，夯錘小或形狀構(gòu)造合理，起吊時(shí)吸力小者，也可減少墊層厚度。墊層厚度一般為0.5～2.0m，保證地下水位低于坑底面以下2m。鋪設(shè)的墊層不能含有粘土。3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)（六）墊層鋪設(shè)3.3.1強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)要點(diǎn)砂性土消散快間歇時(shí)間很短連續(xù)夯粘性土消散慢孔壓疊加間歇時(shí)間長(zhǎng)設(shè)置袋裝砂井加速消散縮短間歇時(shí)間砂土可連續(xù)，粘性土3~4周。需要分兩遍或多遍夯擊的工程，兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔。各遍間的間隔時(shí)間取決于加固土層中孔隙水壓力消散所需要的時(shí)間。（七）間歇時(shí)間3.4施工方法3.4.1施工機(jī)械強(qiáng)夯法的主要設(shè)備為夯錘、吊鉤和起重機(jī)械等。3.4.1施工機(jī)械排氣孔排氣孔的作用：減少起吊夯錘時(shí)的吸力和夯錘落地前瞬時(shí)的氣墊上托力3.4.1施工機(jī)械西歐國(guó)家大多采用大噸位的履帶式起重機(jī)起吊夯錘，其穩(wěn)定性好，行走方便；日本則采用輪胎式起重機(jī)進(jìn)行強(qiáng)夯，效果令人滿意。另外，國(guó)外除使用現(xiàn)成的履帶起吊機(jī)外，還制造了常用的三足架和輪胎式強(qiáng)夯機(jī)，可以起吊重達(dá)40t的夯錘，落距可達(dá)40m。我國(guó)絕大多數(shù)強(qiáng)夯工程只具備小噸位起重機(jī)的施工條件，只能使用滑輪組起吊夯錘，利用自動(dòng)脫鉤裝置（圖3-9（p50）），使夯錘自由下落。拉動(dòng)自動(dòng)脫鉤器的鋼絲繩，其一端拴在樁架的架盤上，以鋼絲繩的長(zhǎng)短控制夯錘的落距。夯錘掛在脫鉤器的鉤上，當(dāng)?shù)蹉^提升到要求的高度時(shí)，張緊的鋼絲繩將脫鉤器的伸臂拉轉(zhuǎn)一個(gè)角度，致使夯錘突然落下。自動(dòng)脫鉤裝置應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，而且施工時(shí)要求靈活。為了防止落錘時(shí)起重機(jī)架傾覆，應(yīng)采用相應(yīng)的安全保護(hù)措施。3.4.1施工機(jī)械強(qiáng)夯脫鉤裝置圖1-吊鉤2-鎖卡焊合件3、6-螺栓4-開口銷5-架板7-墊圈8-止動(dòng)板9-銷軸10-螺母11-鼓形輪12-護(hù)板3.4.2施工步驟強(qiáng)夯法施工可以按下列步驟進(jìn)行：1．清理并平整施工場(chǎng)地；當(dāng)表土松軟時(shí)可鋪設(shè)一層厚度為1.0～2.0m的砂石施工墊層；2．標(biāo)出第一遍夯擊點(diǎn)位置，并測(cè)量場(chǎng)地標(biāo)高；3．起重機(jī)就位，使夯錘對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)位置；4．測(cè)量夯前錘頂高程；5．將夯錘起吊到預(yù)定高度，待夯錘脫鉤自由下落后放下吊鉤，測(cè)量錘頂高程；若出現(xiàn)坑底不平而造成夯錘歪斜時(shí)，應(yīng)及時(shí)將坑底整平；6．重復(fù)步驟5，按設(shè)計(jì)規(guī)定的夯擊次數(shù)和控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個(gè)夯點(diǎn)的夯擊；7．重復(fù)步驟3～6，完成第一遍全部夯點(diǎn)的夯擊；8．用推土機(jī)填平夯坑，并測(cè)量場(chǎng)地高程；9．在規(guī)定的間歇時(shí)間后，重復(fù)以上步驟逐次完成全部夯擊遍數(shù)，最后用低能量滿夯，使場(chǎng)地表層松土密實(shí)，并測(cè)量夯后場(chǎng)地高程。

3.4.2施工步驟強(qiáng)夯法施工可以按下列步驟進(jìn)行：注意：當(dāng)?shù)叵滤惠^高，夯坑底積水而影響施工時(shí)，宜采用人工降低地下水位的方法或鋪設(shè)一定厚度的松散材料。夯坑內(nèi)或場(chǎng)地積水應(yīng)及時(shí)排除。當(dāng)強(qiáng)夯施工所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物或設(shè)備產(chǎn)生有害影響時(shí)，應(yīng)采取防振或隔振措施。3.5現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與質(zhì)量檢驗(yàn)3.5.1現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作是強(qiáng)夯施工中的一個(gè)重要組成部分。因此，在大面積施工之前應(yīng)選擇面積不小于400m2的場(chǎng)地，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以取得強(qiáng)夯設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。測(cè)試工作一般有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）地面及深層變形地面變形研究的目的是：1．了解地表隆起的影響范圍及墊層的密實(shí)度變化；2．研究夯擊能與夯沉量的關(guān)系，用以確定單點(diǎn)最佳夯擊能；3．確定場(chǎng)地平均沉降量和搭夯的沉降量，以便用來研究強(qiáng)夯的加固效果。變形研究手段有：地面沉降觀測(cè)、深層沉降觀測(cè)和水平位移觀測(cè)。3.5.1現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（2）孔隙水壓力一般可在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)沿夯擊點(diǎn)等距離的不同深度和等深度的不同距離埋設(shè)鋼弦式孔隙水壓力儀，在夯擊作用下，進(jìn)行孔隙水壓力沿深度和水平距離的變化情況測(cè)試，從而確定兩個(gè)夯擊點(diǎn)的夯距、夯擊影響范圍、間歇時(shí)間以及飽和