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完整版地基处理第四章强夯法和强夯置换法
第四章强夯法和强夯置换法
4.1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10~40t的重锤和10~40m的落距,对地基土施加很大的冲击能,在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。
强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料,用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。
具有加固效果显著、施工工期短和施工费用低等优点。
当前,应用强夯法和强夯置换法处理的工程范围极为广泛,有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。
总之,强夯法在某种程度上比机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。
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,同时应在设计前通过现场试验确定其适用性和处理效果。
工程实践表明,强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点,因而被世界各国工程界所重视。
对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。
但对饱和软土的加固效果,必须给予排水的出路。
为此,强夯法加袋装砂井(或塑料排水带)是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。
4.2加固机理
强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力,并在地基中产生冲击波,在冲击力作用下,夯锤对上部土体进行冲切,土体结构破坏,形成夯坑,并对周围土进行动力挤压
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,它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
(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。
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。
实际工程表明,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。
非饱和土在中等夯击能量1000~2000kN·m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少,最大可减少60%。
(2)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。
由于软土的触变性,强度得到提高。
动力固结理论可概述为:
1)饱和土的压缩性 Menard教授认为,由于土中有机物的分解,第四纪土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体,其含气量大约在1%~4%范围内,进行强夯时,气体体积压缩,孔隙水压力增大,随后气体有所膨胀,孔隙水排出的同时,孔隙水压力就减少。
这样每夯击一遍,液相气体和气相气体都有所减少。
根据实验,每夯击一遍,气体体积可减少40%。
2)局部产生液化 在重复夯击作用下,施加在土体的夯击能量,使气体逐渐受到压缩。
因此,土体的沉降量与夯击能成正比。
当气体按体积百分比接近零时,土体便变成不可压缩的。
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。
孔隙水压力与液化压力之比称为液化度,而液化压力即为覆盖压力。
当液化度为100%时,亦即为土体产生液化的临界状态,而该能量级称为“饱和能”。
此时,吸附水变成自由水,土的强度下降到最小值。
一旦达到“饱和能”而继续施加能量时,除了使土起重塑的破坏作用外,能量纯属是浪费。
3)渗透性变化 在很大夯击能作用下,地基土体中出现冲击波和动应力。
当所出现的超孔隙水压力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。
在有规则网格布置夯点的现场,通过积聚的夯击能量,在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝,夯坑附近出现涌水现象。
当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时,裂隙即自行闭合,土中水的运动重新又恢复常态。
国外资料报道,夯击时出现的冲击波,将土颗粒间吸附水转化成为自由水,因而促进了毛细管通道横断面的增大。
4)触变恢复 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的增长。
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。
鉴于以上强夯法加固的机理,Menard对强夯中出现的现象,又提出了一个新的弹簧活塞模型,对动力固结的机理作了解释。
图4-1表示静力固结理论与动力固结理论的模型间区别,主要表现为以下四个主要特性,见表4-1。
a)b)
图4-1 静力固结理论与动力固结理论的模型比较
a)静力固结理论模型b)动力固结理论模型
表4-1静力固结和动力固结理论对比
静力固结理论(图4-1a)
动力固结理论(图4-1b)
①不可压缩的液体
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含有少量气泡的可压缩液体
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
(3)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。
【例题4-1】对饱和土强夯时,夯坑形成的主要原因为:
(A)土的触变性(B)土中含有少量气泡的水(C)土中产生裂缝(D)局部液化
【正确答案】B
【解】强夯法加固机理
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,它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
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。
饱和土由于土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体,进行强夯时,气体体积压缩,孔隙水压力增大,随后气体有所膨胀,孔隙水排出的同时,孔隙水压力就减少。
这样每夯击一遍,液相气体和气相气体都有所减少。
【例题4-2】强夯法加固粘性土的机理为:
加固非粘性土的机理为:
(A)动力密实(B)动力固结(C)动力置换(D)静力固结
【正确答案】(BC)(A)
【解】强夯法加固机理
在粘性土中的加固机理为动力固结或动力置换;
在非粘性土中的加固机理为动力密实。
【例题4-3】强夯法加固哪些土是基于动力密实机理?
加固哪些土是基于动力固结理论?
(A)多孔隙非饱和土(B)粗颗粒非饱和土
(C)细颗粒非饱和土(D)细颗粒饱和土
【正确答案】(AB)(D)
【解】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。
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。
【例题4-4】国外关于强夯法的适用范围,有比较一致的看法,强夯法适用于塑性指数不大于多少的土?
(A)8(B)9(C)10(D)11
【正确答案】C
【解】国内外关于强夯法的使用范围,有比较一致的看法。
Smoltczyk在第8届欧洲土力学及基础工程学术会议上的深层加固总报告中指出,强夯法只强夯法适用于塑性指数的土。
【例题4-5】强夯法适用的土类较多,但对哪些土类处理效果比较差?
(A)饱和软粘性土(B)湿陷性黄土(C)砂土(D)碎石土
【正确答案】A
【解】工程实践表明,强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点,因而被世界各国工程界所重视。
对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。
但对饱和软土的加固效果,必须给予排水的出路。
为此,强夯法加袋装砂井是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。
4.3设计计算
(1)有效加固深度
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。
一般可按下列公式估算有效加固深度,或按表4-2预估:
(4-1)
式中——有效加固深度(m);
——夯锤重(t);
——落距(m);
——系数,须根据所处理地基土的性质而定,对软土可取0.5,对黄土可取0.34~
0.5。
表4-2强夯的有效加固深度(m)
单击夯击能(kN·m)
碎石土、砂土
等粗颗粒土
粉土、粘性土、湿陷性黄土
等细颗粒土
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:
强夯的有效加固深度应从最初起夯面算起。
强夯置换墩的深度由土质条件决定,除厚层饱和粉土外,应穿透软土层,到达较硬土层上。
深度不宜超过7m。
(2)夯锤和落距
单击夯击能为夯锤重与落距的乘积。
一般说夯击时最好锤重和落距大,则单击能量大,夯击击数少,夯击遍数也相应减少,加固效果和技术经济较好。
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。
强夯和强夯置换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。
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。
在设计中,根据需要加固的深度初步确定采用的单击夯击能,然后再根据机具条件因地制宜地确定锤重和落距。
一般国内夯锤可取10~25t。
夯锤材质最好用铸钢,也可用钢板为外壳内灌混凝土的锤。
夯锤的平面一般为圆形,夯锤中设置若干个上下贯通的气孔,孔径可取250~300mm,它可减小起吊夯锤时的吸力(在上海金山石油化工厂的试验工程中测出,夯锤的吸力达三倍锤重);又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。
锤底面积宜按土的性质确定,锤底静压力值可取25~40kPa,对砂性土和碎石填土,一般锤底面积为2~4m2;对一般第四纪粘性土建议用3~4m2;对于淤泥质土建议采用4~6m2;对于黄土建议采用4.5~5.5m2。
同时应控制夯锤的高宽比,以防止产生偏锤现象,如黄土,高宽比可采用1:
2.5~1:
2.8。
强夯置换锤底静接地压力值可取100~200kPa。
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。
国内通常采用的落距是8~25m。
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。
(3)夯击点布置及间距
1)夯击点布置
强夯夯击点位置可根据基底平面形状,采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。
同时夯击点布置时应考虑施工时吊机的行走通道。
强夯置换墩位布置宜采用等边三角形或正方形。
对独立基础或条形基础可根据基础形状与宽度相应布置。
强夯和强夯置换处理范围应大
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