地基处理第四章 强夯法和强夯置换法.docx

1、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1040t的重锤和1040m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

2、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

3、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

4、达0.61.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高23倍。非饱和土在中等夯击能量10002000kNm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

5、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

6、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

7、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

8、固结理论(图4-1a)动力固结理论(图4-1b)不可压缩的液体固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的弹簧刚度是常数活塞无摩阻力含有少量气泡的可压缩液体固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的弹簧刚度为变数活塞有摩阻力(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

9、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 (

10、D)静力固结【正确答案】(B C) (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】（A B） （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

11、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

12、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(kNm)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1

13、0005.06.04.05.020006.07.05.06.030007.08.06.07.040008.09.07.08.050009.09.58.08.560009.510.08.59.0800010.010.59.09.5 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

14、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1025t。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250300mm，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

15、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2540kPa，对砂性土和碎石填土，一般锤底面积为24m2；对一般第四纪粘性土建议用34m2；对于淤泥质土建议采用46m2；对于黄土建议采用4.55.5m2。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1:2.51:2.8。强夯置换锤底静接地压力值可取100200kPa。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825m。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

16、，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于建筑物基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/22/3，并不宜小于3m。2)夯击点间距强夯第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.53.5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

17、可适当减小。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。夯击点间距(夯距)的确定，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为基本原则。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23倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.52.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.11.2倍。(4)夯击击数与遍数1)夯击击数强夯夯点的夯击击数，应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： a.最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能量小于4000 kNm时为5

18、0mm；当夯击能为40006000 kNm时为100mm；当夯击能大于6000 kNm时为200mm；b.夯坑周围地面不应发生过大隆起；c.不因夯坑过深而发生起锤困难。强夯置换夯点的夯击次数应通过现场试夯确定，且应同时满足下列条件： a.墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长； b.累计夯沉量为设计墩长的1.52.0倍； c.最后两击的平均夯沉量不大于强夯的规定值。2)夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯23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，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。(5) 垫层铺设当场地表土软弱或地下水位较高时，施工前要

19、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，因此有时必需铺设垫层。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，都需要铺设砂、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0.52.0m。铺设的垫层不能含有粘土。(6) 间歇时间对于需要分两遍或多遍夯击的工程，两遍夯击间应有一定的时间间隔。各

20、遍间的间歇时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。对砂性土，孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间，消散时间只有24min，故对渗透性较大的砂性土， 两遍夯间的间歇时间很短，亦即可连续夯击。对粘性土，由于孔隙水压力消散较慢，故当夯击能逐渐增加时，孔隙水压力亦相应地叠加，其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况，一般为34周。目前国内有的工程对粘性土地基的现场埋设了袋装砂井(或塑料排水带)，以便加速孔隙水压力的消散，缩短间歇时间。有时根据施工流水顺序先后，两遍间也能达到连续夯击的目的。【例题4-6】某工程采用强夯法加固，加固面积为5000m2，锤重为10t，落距为10m，单点击数为8击，夯点数为

21、200，夯击5遍，则：1、单击夯击能为：(A)100 kNm (B)1000 kNm (C)800 kNm (D)8000 kNm【正确答案】B2、单点夯击能为：(A)800 kNm (B)8000 kNm (C)6400 kNm (D)64000 kNm【正确答案】B3、总夯击能为：(A)800000 kNm (B)8000000 kNm (C)6400000 kNm (D)64000000 kNm【正确答案】B4、该场地的单位夯击能为： (A)160 kNm/m2 (B)1600 kNm/m2 (C)1280 kNm/m2 (D)12800 kNm/m2【正确答案】B【解】单击夯击能：为单

22、击夯击的能量。单击夯击能=锤重落距=100kN10m=1000kNm；单点夯击能：为每一夯点的夯击能。单点夯击能=单击夯击能单点击数=1000kNm8击=8000 kNm；总夯击能：为整个场地的总夯击能。总夯击能=单点夯击能总夯点数遍数=8000 kNm2005遍 =8000000 kNm单位夯击能：为总夯击能与加固面积之比。单位夯击能=总夯击能/加固面积=8000000 kNm/5000m2=1600 kNm/m2【例题4-7】采用强夯法加固粉土地基，其单击夯击能为4000kNm，则其有效加固深度最接近下列哪一个值?(A)6.0m (B)6.5m (C)7.5m (D)8.5m【正确答案】C

23、【解】根据建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)第6.2.1条，采用4000kNm单击夯击能加固粉土地基时，其有效加固深度预估为7.08.0m。【例题4-8】强夯法中铺设垫层的作用为：(A)支承设备 (B)扩散夯击能 (C)排水固结 (D) 加大地下水位与地表面的距离【正确答案】A B D【解】当场地表土软弱或地下水位较高时，强夯前要求拟加固的场地必需具有一层稍硬的表层，使其能支承其中设备；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，因此有时必须铺设垫层。【例题4-9】若单击夯击能量小于4000 kNm，最后两击的平均夯沉量达到下列数值时可停夯?：(A) 50

24、mm (B) 100mm (C) 150mm (D) 200mm【正确答案】A 【解】强夯夯点的夯击击数，应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： a.最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能量小于4000 kNm时为50mm；当夯击能为40006000 kNm时为100mm；当夯击能大于6000 kNm时为200mm；b.夯坑周围地面不应发生过大隆起；c.不因夯坑过深而发生起锤困难。【例题4-10】若单击夯击能量为40006000 kNm，最后两击的平均夯沉量达到下列数值时可停夯?(A) 50mm (B) 100mm (C) 150mm (D) 200

25、mm【正确答案】B 【解】强夯夯点的夯击击数，应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： a.最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能量小于4000 kNm时为50mm；当夯击能为40006000 kNm时为100mm；当夯击能大于6000 kNm时为200mm；b.夯坑周围地面不应发生过大隆起；c.不因夯坑过深而发生起锤困难。【例题4-11】若单击夯击能量大于6000 kNm，最后两击的平均夯沉量达到下列数值时可停夯?(A) 50mm (B) 100mm (C) 150mm (D) 200mm【正确答案】D 【解】强夯夯点的夯击击数，应按现场试夯得到的夯

26、击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： a.最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能量小于4000 kNm时为50mm；当夯击能为40006000 kNm时为100mm；当夯击能大于6000 kNm时为200mm；b.夯坑周围地面不应发生过大隆起；c.不因夯坑过深而发生起锤困难。【例题4-12】现场测试工作是强夯施工中一个重要组成部分，测试工作一般有：（A）地面变形 （B）深层变形 （C）孔隙水压力 （D）侧向挤压力 （E）振动加速度【正确答案】A B C D E【解】现场的测试工作是强夯施工中的一个重要组成部分。测试工作一般有以下几个方面内容：1)地面及深层变形 变形研

27、究的手段是：地面沉降观测、深层沉降观测和水平位移观测。地面变形的测试是对夯击后土体变形的研究。每当夯击一次应及时测量夯击坑及其周围的沉降量、隆起量和挤出量。2)孔隙水压力 在夯击作用下，进行对孔隙水压力沿深度和水平距离的增长和消散的分布规律研究。从而确定两个夯击点间的夯距、夯击的影响范围、间歇时间以及饱和夯击能等参数。3)侧向挤压力 在夯击作用下，可测试每夯击一次的压力增量沿深度的分布规律。4)振动加速度 通过测试地面振动加速度可以了解强夯振动的影响范围。强夯施工时，对附近已有建筑物和施工的建筑物的影响肯定要比地震的影响为小。为了减少强夯振动的影响，常在夯区周围设置隔振沟。【例题4-13】两遍

28、夯击之间应有一定的时间间隔，对于渗透性较差的粘性土地基，间隔时间不应少于多少天? 对于渗透性好的地基，间隔时间为多少天?（A）12 （B）27 （C）714 （D）1421 （E）2128【正确答案】(E) (A)【解】对于需要分两遍或多遍夯击的工程，两遍夯击间应有一定的时间间隔。各遍间的间歇时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。对砂性土，孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间，消散时间只有24min，故对渗透性较大的砂性土， 两遍夯间的间歇时间很短，亦即可连续夯击。对粘性土，由于孔隙水压力消散较慢，故当夯击能逐渐增加时，孔隙水压力亦相应地叠加，其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况，一般

29、为34周。目前国内有的工程对粘性土地基的现场埋设了袋装砂井(或塑料排水带)，以便加速孔隙水压力的消散，缩短间歇时间。有时根据施工流水顺序先后，两遍间也能达到连续夯击的目的。【例题4-14】强夯处理范围应大于建筑物基础范围，对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为：（A）基底下设计处理深度的1/22/3； （B）基底下设计处理深度的1/22/3，并不小于3m；（C）基底下设计处理深度的1倍；（D）基底下设计处理深度的1倍，并不小于5m。【正确答案】(B)【解】强夯和强夯置换处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜

30、为设计处理深度的1/22/3，并不宜小于3m。【例题4-15】强夯的夯击次数应通过现场试夯确定，下列哪种说法是不正确的?(A)强夯的夯击次数应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定。 (B)夯坑周围地面不应发生过大的隆起。(C)不因夯坑过深而发生提锤困难。(D) 强夯的夯击次数应通过现场试夯确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定原则。(E) 强夯的夯击次数应通过现场试夯确定，常以夯坑的压缩量最大为确定原则。【正确答案】(E)【解】强夯夯点的夯击击数，应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定原则。且应同时满足下列条件： a

31、.最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能量小于4000 kNm时为50mm；当夯击能为40006000 kNm时为100mm；当夯击能大于6000 kNm时为200mm；b.夯坑周围地面不应发生过大隆起；c.不因夯坑过深而发生起锤困难。【例题4-16】强夯置换法的处理深度一般不宜超过：(A)5.0m (B)7.0m (C)9.0m (D)10.0m【正确答案】B【解】根据建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)第6.2.10条，强夯置换法的处理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7.0m。【例题4-17】在确定强夯置换法夯点的夯击次数时，其累计夯沉量应为设计墩长的多少倍?