地基處理之強夯法和強夯置換法

時間：2022-02-28

強夯是法國的Menard技術性企業(yè)于1969年創(chuàng)新的一種路基加固方式，它根據(jù)一般10～40t的重錘式和10～40m的落距，對路基土增加非常大的沖擊性能，在路基土中所產(chǎn)生的震波和動內(nèi)應力，可提升路基土的抗壓強度、減少土的膨脹性、改進碎石土的抗汽化標準、清除濕陷性的濕陷性等。與此同時，夯擊能還可提升土壤層的勻稱水平，降低未來很有可能產(chǎn)生的不同地基沉降。

強夯換置法是選用在夯坑內(nèi)回填土料石、砂礫石等粗顆粒物原材料，用夯錘夯擊產(chǎn)生持續(xù)的強夯換置墩。具備加固成效顯著、工程施工工期緊和工程施工花費劣等優(yōu)勢。

　　當今，運用強夯法和強夯換置法解決的項目范疇較其普遍，有工業(yè)生產(chǎn)與工業(yè)建筑、庫房、儲油罐、儲倉、道路和公路地基、機場運動場及港口等?？偠灾瑥姾环ㄔ谀撤N意義上比機械設備的、**化學的和其他結(jié)構(gòu)力學的加固方式較加普遍和合理。

強夯法適用解決砂土、碎石土、低對比度的砂土與粘性土、濕陷性、素填土和濕陷性黃土等路基。強夯換置法適用高對比度的砂土與軟塑～粉細砂的粘性土等基礎上對形變操縱規(guī)定不緊的工程項目，與此同時應在設計前根據(jù)實地實驗明確其實用性和解決實際效果。

工程項目實踐活動表明，強夯法具備工程施工簡易、加固效果非常的好、應用經(jīng)濟發(fā)展等優(yōu)勢，因此被世界各地建筑界所高度重視。對各種土強夯解決都獲得了十分優(yōu)良的工程經(jīng)濟實際效果。但對飽和狀態(tài)軟基處理的加固實際效果，務必給與排水管道的發(fā)展方向。因此，強夯法加袋裝砂井(或塑膠排水管道帶)是一個在軟黏土路基上開展綜合性解決的加固方式。

1、加固原理

強夯法是運用強悍的夯擊能給路基一撞擊力，并在路基中造成震波，在撞擊力功效下，夯錘對上方土體開展沖切，土體構(gòu)造毀壞，產(chǎn)生夯坑，并對周邊土開展驅(qū)動力壓擠

現(xiàn)階段，強夯法加固路基有三種不一樣的加固原理：驅(qū)動力密實度、驅(qū)動力土體驅(qū)動力換置，它在于路基土的類型和強夯施工技術。

(1)驅(qū)動力密實度

　　選用強夯加固多孔隙度、粗顆粒物、非飽和土是根據(jù)驅(qū)動力密實度的原理，即用沖擊性型驅(qū)動力承載力，使土體中的孔隙度減少，土體越來越密實度，進而提升路基土抗壓強度。非飽和土的壓實全過程，便是土中的氣相色譜(氣體)被擠壓的全過程，其壓實形變主要是因為土顆粒物的相對位移造成。具體工程項目表明，在沖擊性機械能功效下，路面會馬上造成地基沉降，一般夯擊一遍后，其夯坑深層可達0.6～1.0m，夯坑底端產(chǎn)生一層過壓密殼子層，承載能力相比夯前提升2～3倍。非飽和土在適中夯擊動能1000～2000kN·m的效果下，主要是造成沖切形變，在加固深層范疇內(nèi)氣相色譜容積大大減少，較大可降低60%。

(2)驅(qū)動力土體

　　用強夯法解決細顆粒物飽和狀態(tài)土時，則是憑借驅(qū)動力土體的基礎理論，即較大的沖擊性動能在土中造成較大的內(nèi)應力波，毀壞了土體原來的構(gòu)造，使土體部分產(chǎn)生汽化并造成很多裂縫，提升了排水管道安全通道，使孔隙度水成功逸出，待**孔隙水壓力消退后，土體土體。因為軟基處理的可壓縮性，抗壓強度獲得提升。驅(qū)動力土體基礎理論可簡述為：

　　1)飽和狀態(tài)土的膨脹性　Menard*教授覺得，因為土中少量的溶解，*四紀土中絕大多數(shù)都帶有以微汽泡方式發(fā)生的汽體，其含供氣量大概在1%～4%范疇內(nèi)，開展強夯時，氣體體積縮小，孔隙水壓力擴大，接著汽體有一定的脹大，孔隙度水排出來的與此同時，孔隙水壓力就降低。那樣每夯擊一遍，高效液相汽體和氣相色譜汽體都有一定的降低。依據(jù)試驗，每夯擊一遍，氣體體積可降低40%。

　　2)部分造成汽化　在反復夯擊功效下，增加在土體的夯擊動能，使汽體慢慢遭受縮小。因而，土體的下沉量與夯擊能正相關。當汽體按容積百分數(shù)貼近零時，土體便變?yōu)椴荒芸s減的。相對應于孔隙水壓力升高到遮蓋工作壓力相同的動能級，土體即造成汽化。孔隙水壓力與液化工作壓力之比稱之為汽化度，而液化工作壓力即是遮蓋工作壓力。當汽化為**時，亦即是土體造成汽化的臨界阻尼，而該動能級稱之為“飽和狀態(tài)能”。這時，吸附變?yōu)樽杂伤?，土的硬度降低到較小值。一旦做到“飽和狀態(tài)能”而再次增加動能時，除開使土起重構(gòu)的影響功效外，動能實屬是消耗。

　　3)透水性轉(zhuǎn)變　在非常大夯擊能功效下，路基土體中發(fā)生震波和動內(nèi)應力。當所產(chǎn)生的**孔隙水壓力**過顆粒物間的側(cè)面工作壓力時，導致土顆粒物間發(fā)生裂縫，產(chǎn)生泄水安全通道。這時，土的透水率劇增，孔隙度水得到成功排出來。在有標準網(wǎng)格圖布局夯點的當場，根據(jù)堆積的夯擊動能，在夯坑四周會產(chǎn)生有標準的豎直縫隙，夯坑周邊發(fā)生涌水狀況。

　　當孔隙水壓力消退到**顆粒物間的側(cè)面工作壓力時，裂縫即自主合閉，土原水的健身運動再次又修復常態(tài)化。海外材料報導，夯擊時經(jīng)常出現(xiàn)的震波，將土顆粒物間吸附轉(zhuǎn)換變成自由水，因此推動了毛細血管安全通道橫剖面的擴大。

　　4)觸變修復　在反復夯擊功效下，土體的硬度慢慢降低，當土體發(fā)生汽化或貼近汽化時，使土的抗壓強度做到較低限。這時土體造成裂縫，而土中吸附一部分變?yōu)樽杂伤?，伴隨著孔隙水壓力的消退，土的抗剪強度和變形模量都是有了大幅的提高。這時自由水再次被土顆粒物所吸咐而變成了吸附，這也是具備可壓縮性土的特點。

　　由于以上強夯法加固的原理，Menard對強夯中產(chǎn)生的狀況，又明確提出了一個新的扭簧活塞桿實體模型，對驅(qū)動力土體的原理作了表述。

　基樁土體基礎理論與驅(qū)動力土體基礎理論的實體模型間差別具體表現(xiàn)為下列四個關鍵特點，見表4.2.3-1。

表-1 基樁土體驅(qū)動力土體基礎理論比照

基樁土體基礎理論(圖4.2.3-1a)

驅(qū)動力土體基礎理論(圖4.2.3-1b)

①不能縮減的液態(tài)

②土體時液態(tài)排出來所經(jīng)過的小圓孔，其直徑是不會改變的

③剛度系數(shù)是參量

④活塞桿無摩摩擦阻力

①帶有小量汽泡的可壓縮性液態(tài)

②土體時液態(tài)排出來所經(jīng)過的小圓孔，其直徑是轉(zhuǎn)變的

③剛度系數(shù)為變化

④活塞桿有摩摩擦阻力

(3)驅(qū)動力換置

　　驅(qū)動力換置可分成整式換置和樁式置換。整式換置是選用強夯將砂礫石總體擠進污泥中，其作用機理類似分株基礎墊層。樁式換置是根據(jù)強夯將砂礫石回填土體中，一部分碎石樁(或墩)間距地夯入軟基處理中，產(chǎn)生樁式(或墩式)的砂礫石墩(或樁)。其作用機理相近于振沖法等產(chǎn)生的碎石樁，它主要是靠砂礫石內(nèi)摩擦角和墩間土的側(cè)限來保持土樁的均衡，并與墩間土起復合地基的功效。

2、強夯法的設計方案

(1)合理加固深層

合理加固深層既是挑選地基處理方法的重要憑證，也是體現(xiàn)解決實際效果的主要主要參數(shù)。一般可按以下公式計算估計合理加固深層，或按表4.2.3-2預計：

　　　　　　　　(4.2.3-1)

式中 ——合理加固深層(m)；——夯錘重(t)；　——落距(m)；

——指數(shù)，須依據(jù)所解決路基土的特性而定，對軟基處理可用0.5，對黃土層可用0.34～ 0.5。

表4.2.3-2 強夯的合理加固深層(m)

點擊夯擊能/kN·m

砂土、碎石土

等粗顆粒物土

砂土、粘性土、濕陷性

等細顆粒物土

1000

5.0～6.0

4.0～5.0

2000

6.0～7.0

5.0～6.0

3000

7.0～8.0

6.0～7.0

4000

8.0～9.0

7.0～8.0

5000

9.0～9.5

8.0～8.5

6000

9.5～10.0

8.5～9.0

8000

10.0～10.5

9.0～9.5

注：強夯的合理加固深層需從較開始起夯面起算。

(2)夯錘和落距

　　點擊夯擊能為夯錘重與落距的相乘。一般說夯擊時較好是錘重和落距大，則點擊動能大, 夯擊擊數(shù)小, 夯擊次數(shù)也相對降低, 加固實際效果和工程經(jīng)濟不錯。全部加固場所的總夯擊動能(即錘重×落距×總夯擊數(shù))除于加固總面積稱之為企業(yè)夯擊能。強夯的單位夯擊能應根據(jù)地基土類型、結(jié)構(gòu)特征、承載力尺寸和規(guī)定解決的深層等充分考慮，并可根據(jù)實驗明確。在一般情形下，對粗顆粒物土可用1000～3000kN·m/m2，對細顆粒物土可用1500～4000kN·m/m2。

　　但對飽和狀態(tài)粘性土需要的動能不可以一次增加，不然土體會造成側(cè)面擠壓，抗壓強度反倒有一定的減少，且難以修復。依據(jù)必須可分幾次增加，二遍間可間歇性一段時間，那樣可逐漸提升土的抗壓強度，改進土的膨脹性。

在制定中，依據(jù)必須加固的深層基本明確選用的點擊夯擊能，隨后再依據(jù)機器標準因時制宜地明確錘重和落距。

　　一般中國夯錘可用10～25t。夯錘材料較好用鑄鋼件，也能夠用厚鋼板為機殼內(nèi)灌混泥土的錘。夯錘的平面圖一般為環(huán)形，夯錘中設定多個左右全線貫通的出氣孔，直徑可用250～300mm，它可減少吊裝夯錘時的吸附力(在上海金山石油化工廠的實驗工程項目中測到，夯錘的吸附力達三倍錘重)；又可降低夯錘碰地前的瞬間氣墊cc的上托力。錘底面積宜按土的類型明確，錘底靜工作壓力值可用25～40kPa，對砂類土和砂礫石回填土，一般錘底面積為2～4m2；對一般*四紀粘性土提議用3～4m2；針對污泥質(zhì)土提議選用4～6m2；針對黃土層提議選用4.5～5.5m2。與此同時應操縱夯錘的高度，以預防造成偏錘狀況，如黃土層，高度可選用1:2.5～1:2.8。

　　夯錘明確后，依據(jù)規(guī)定的點射夯擊動能，就能明確夯錘的落距。中國通常選用的落距是8～25m。對同樣的夯擊動能，常采用大落距的工程施工方案，這是由于擴大落距可得到很大的接地裝置速率，能將絕大多數(shù)動能合理地傳入地底較深處，提升深層次壓實實際效果，降低耗費在地土壤層塑性形變的動能。

(3)夯擊點布局及間隔

　 1)夯擊點布局　夯擊點布置一般為三角形或方形。強夯解決范疇應**過房屋建筑基本范疇，實際的變大范疇，可利用房屋建筑種類和必要性等方面考慮到?jīng)Q策。對一般房屋建筑，每邊**過基本邊緣的總寬宜為設計方案解決深層的1/2～2/3，并不適合**3m。

　　2)夯擊點間隔　夯擊點間距(夯距)的明確，一般根據(jù)地耕植土的特性和規(guī)定解決的深層而定。**遍夯擊點間隔可用夯錘直徑的2.5～3.5倍，*二遍夯擊點坐落于**遍夯擊點中間，之后各遍夯擊點間隔可適度減少。以確保使夯擊動能傳送到較深處和維護夯坑周邊所形成的輻射源向裂縫為基本準則。

(4)夯擊擊數(shù)與次數(shù)

　　1)夯擊擊數(shù)　每遍每夯點的夯擊擊數(shù)應按當場試夯獲得的夯擊擊數(shù)和夯沉量關聯(lián)曲線圖明確，且應并且達到以下標準：

　　a. 較終兩擊的夯沉量不適合**過以下標值：當點擊夯擊能**4000kN·m時為50mm；當點擊夯擊能為4000～6000kN·m時為100mm；當單擊夯擊能**過6000kN·m時為200mm；

　　b.夯坑周邊路面不可產(chǎn)生過大突起；

　　c.不因夯坑過深而產(chǎn)生起錘艱難。

　　總而言之，各夯擊點的夯擊數(shù)，應以土體縱向縮小較大，而側(cè)面偏移較少為標準，一般為4～10擊。

　　2)夯擊次數(shù)　夯擊遍數(shù)應根據(jù)地耕植土的特性和平均夯擊能明確?？蛇x用點夯2～3遍，針對透水性較弱的細顆粒物土，必需時夯擊次數(shù)可適度提升。較終再用低動能滿夯2遍，滿夯可選用輕錘或消沉距錘多次夯擊，錘印彼此之間鋼筋搭接。

　　(5)基礎墊層鋪裝

　　強夯前規(guī)定擬加固的場所**具備一層稍硬的表面，使其能支撐起重機械；并有利于對所工程施工的“夯擊能”獲得蔓延；與此同時也可增加地下水與地表層的間距，因而有時候**鋪裝基礎墊層。對場所地下水在-2m深層下列的砂礫石土壤層，可立即實施強夯，不用鋪裝基礎墊層；對地下水較高的飽和狀態(tài)粘性土與易汽化流動性的飽和狀態(tài)碎石土，都要鋪裝砂、沙礫或碎石墊層才可以開展強夯，不然土體會形成流動性?；A墊層薄厚隨場所的土質(zhì)條件、夯錘凈重以及樣子等標準而定?，F(xiàn)場地土質(zhì)條件好，夯錘小或樣子結(jié)構(gòu)有效，吊裝時吸附力小者，也可降低基礎墊層薄厚?；A墊層薄厚一般為0.5～2.0m。鋪裝的基礎墊層不可以帶有黏土。

(6)間歇性時間

　　各遍間的間歇性時間在于加固土壤層中孔隙水壓力消退所須要的時間。對砂類土，孔隙水壓力的較高值發(fā)生在夯完后的一瞬間，消退時間僅有2～4min，故對透水性比較大的砂類土，二遍夯間的間歇性時間很短，亦就可以持續(xù)夯擊。對粘性土，因為孔隙水壓力消退比較慢，故當夯擊能慢慢提升時，孔隙水壓力亦相對應地累加，其間歇性時間在于孔隙水壓力的消退狀況，一般為3～4周?，F(xiàn)階段中國有的工程項目對粘性土路基的當場鋪設了袋裝砂井(或塑膠排水管道帶)，便于加快孔隙水壓力的消退，減少間歇性時間。有時候依據(jù)工程施工水流次序依次，二遍間也可以做到持續(xù)夯擊的目地。

(7)當場檢測

　　1.路面及深層次形變路面形變科學研究的效果是：

　　1) 掌握地表突起的危害范疇及基礎墊層的壓實度轉(zhuǎn)變；

　　2) 科學研究夯擊能與夯沉量的關聯(lián)，用于明確點射較好夯擊動能；

　　3) 明確場所均值地基沉降和搭夯的下沉量，用于科學研究強夯的加固實際效果。

　　形變科學研究的技術手段是：地面塌陷觀察、深層次沉降觀測和水平位移觀察。

　　路面形變的檢測是對夯擊后土體形變的科學研究。每每夯擊一次應立即精確測量夯擊坑以及周邊的下沉量、突起量和擠壓量。

　　2.孔隙水壓力　一般可在實驗當場沿夯擊點等間距的不一樣深層及其等深層的不一樣間距鋪設多管密閉式孔隙水壓力儀或鋼弦式孔隙水壓力儀，在夯擊功效下，開展對孔隙水壓力沿深層和水平距離的增加和消退的劃分規(guī)律性科學研究。進而明確2個夯擊點間的夯距、夯擊的危害范疇、間歇性時間及其飽和夯擊能等參數(shù)。

　　3.側(cè)向擠壓力　將帶有鋼弦式土壓力盒的鋼板樁埋入土中后，在強夯加固前，各土壓力盒沿深度分布的土壓力的規(guī)律，應與靜止土壓力相近似。在夯擊作用下，可測試每夯擊一次的壓力增量沿深度的分布規(guī)律。

4.振動加速度　通過測試地面振動加速度可以了解強夯振動的影響范圍。通常將地表的較大振動加速度為0.98m/s2處(即認為是相當于七度地震設計烈度)作為設計時振動影響安全距離。但由于強夯振動的周期比地震短得多，強夯產(chǎn)生振動作用的范圍也遠小于地震的作用范圍，所以強夯施工時，對附近已有建筑物和施工的建筑物的影響肯定要比地震的影響為小。為了減少強夯振動的影響，常在夯區(qū)周圍設置隔振溝。

3、強夯置換法的設計

強夯置換法的設計內(nèi)容與強夯法基本相同，也包括：起重設備和夯錘的確定、夯擊范圍和夯擊點布置、夯擊擊數(shù)和夯擊遍數(shù)、間歇時間和現(xiàn)場測試等。

強夯置換墩的深度由土質(zhì)條件決定，除厚層飽和粉土外，應穿透軟土層，到達較硬土層上。深度不宜**過7m。墩體材料可采用級配良好的塊石、碎石、礦渣、建筑垃圾等堅硬粗顆粒材料，粒徑大于300mm的顆粒含量不宜**過全重的30％。

強夯置換錘底靜接地壓力值可取100～200kPa。

夯點的夯擊次數(shù)應通過現(xiàn)場試夯確定，且應同時滿足下列條件：

1墩底穿透軟弱土層，且達到設計墩長；

2累計夯沉量為設計墩長的1.5～2.0倍；

3最后兩擊的平均夯沉量應滿足強夯法的規(guī)定。

墩間距應根據(jù)荷載大小和原土的承載力選定，當滿堂布置時可取夯錘直徑的2～3倍。對獨立基礎或條形基礎可取夯錘直徑的1.5～2.0倍。墩的計算直徑可取夯錘直徑的1.1～1.2倍。

墩**應鋪設一層厚度不小于500mm的壓實墊層，墊層材料可與墩體相同，粒徑不宜大于100mm。

確定軟粘性土中強夯置換墩地基承載力特征值時，可只考慮墩體，不考慮墩間土的作用，其承載力應通過現(xiàn)場單墩載荷試驗確定，對飽和粉土地基可按復合地基考慮，其承載力可通過現(xiàn)場單墩復合地基載荷試驗確定。

4、施工方法

　　西歐國家所用的起重設備大多為大噸位的履帶式起重機，穩(wěn)定性好，行走方便；較近日本采用輪胎式起重機進行強夯作業(yè)，亦**了滿意結(jié)果；國外除使用現(xiàn)成的履帶吊外，還制造了常用的三足架和輪胎式強夯機，用于起吊40t夯錘，落距可達40m，國外所用履帶吊都是大噸位的吊機，通常在100t以上。由于100t吊機，其卷揚機能力只有20t左右，如果夯擊工藝采用單纜錘擊法，則100t的吊機較大只能起吊20t的夯錘。我國絕大多數(shù)強夯工程只具備小噸位起重機的施工條件，所以只能使用滑輪組起吊夯錘，利用自動脫鉤的裝置，使錘形成自由落體。拉動脫鉤器的鋼絲繩，其一端拴在樁架的盤上，以鋼絲繩的長短控制夯錘的落距，夯錘掛在脫鉤器的鉤上，當?shù)蹉^提升到要求的高度時，張緊的鋼絲繩將脫鉤器的伸臂拉轉(zhuǎn)一個角度，致使夯錘突然下落。有時為防止起重臂在較大的仰角下突然釋重而有可能發(fā)生后傾，可在履帶起重機的臂桿端部設置輔助門架，或采取其它安全措施，防止落錘時機架傾覆。自動脫鉤裝置應具有足夠的強度，且施工時要求靈活。

5、質(zhì)量檢驗

　　強夯施工結(jié)束后應間隔一定時間方能對地基加固質(zhì)量進行檢驗。對碎石土和砂土地基，其間隔時間可取1～2周；對粉土和粘性土地基可取2～4周。強夯置換地基間隔時間可取4周。

　　質(zhì)量檢驗方法可采用：1) 室內(nèi)試驗；2) 十字板試驗；3) 動力觸探試驗(包括標準貫入試驗)；4) 靜力觸探試驗；5) 旁壓儀試驗；6) 載荷試驗；7) 波速試驗。

　　強夯法檢測點位置可分別布置在夯坑內(nèi)、夯坑外和夯擊區(qū)邊緣。其數(shù)量應根據(jù)場地復雜程度和建筑物的重要性確定。對簡單場地上的一般建筑物，每個建筑物地基的檢驗點不應少于3處；對復雜場地或重要建筑物地基應增加檢驗點數(shù)。檢驗深度應不小于設計處理的深度。強夯置換施工中可采用**重型或重型圓錐動力觸探檢查置換墩著底情況。強夯置換地基載荷試驗檢驗和置換墩著底情況檢驗數(shù)量均不應少于墩點數(shù)的1％，且不應少于3點。

強夯處理后的地基竣工驗收時，承載力檢驗應采用原位測試和室內(nèi)土工試驗。強夯置換后的地基竣工驗收時，承載力檢驗除應采用單墩載荷試驗檢驗外，尚應采用動力觸探等有效手段查明置換墩著底情況及承載力與密度隨深度的變化，對飽和粉土地基允許采用單墩復合地基載荷試驗代替單墩載荷試驗。

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