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1、强夯法加固地基机理及设计方法I工程建设与设计JCoastract/ort&腑枷ecj强夯法加固地基机理及设计方法HeavyTampingMethodMechanismandDesignMethod王涛(惠州电力勘察设计院有限公司,广东惠州510095)WANGTan(HuizhouElectricPowerSurveyandDesignInstituteLimited,Huizhou510095,China)【摘要】近年来,随着经济的发展,我国的建筑行业也得到了迅猛的发展,对建筑施工技术的应用和设计方法也提出了新的考验.在建筑施工过程中,强夯法在加固地基方面有着重要的作用,文章就针对强
2、夯法加固地基机理以及设计方法进行简要的探讨.【AbstractInrecentyears,withthedevelopmentofeconomy,ChinaSconstructionindustryhasdevelopedrapidlydevelopmentofconstructiontechnologyinthedesignandapplicationofthemethodisalsoputforwardnewtest.Inthecourseofconstruction,dynamiccompactionintoreinforcefoundationhasimportanteffect,th
3、earticleistryingtoheavytampingmethodmechanismanddesignmethodofbrieflydiscussedinthispaper.【关键词】强夯法;加固地基;设计【Keywordsdynamiccompactionmethod;reinforcefoundation;design【中图分类号1TU472.31【文献标志码】A【文章编号】10079467(2011)05-0124-041引言强夯法是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法,它通过一般8t30t的重锤(最重可达200t)和8m一20m的落距(最高可达40m),对地
4、基土施加很大的冲击能,一般能量为500kN?m8000kN?m.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.同时夯击能还可以提高土层的均匀程度,减少将来可能出现的差异沉降.2加固机理关于强夯法加固地基的机理,目前国内外的看法还不【作者简介】王涛(1979),男,湖北宜昌人,工程师,国家二级注册结构师,从事110kV-220kV输变电工程结构设计,(电子信箱)etao6661139.corn或etao6661163.c0mo124一致,许多专家和学者从各个角度对强夯机理进行了研究,并提出了各自的看法.首先,应该分为宏观机理
5、和微观机理.其次,对饱和土和非饱和土应加以区分,而饱和土中,黏性土与无黏性土还应该区分,另外,对于特殊土,如湿陷性黄土等,应该考虑它的特征.再次,在研究强夯机理时应该首先确定夯击总能量中真正用于加固地基的那一部分,而后再分析此部分能量对地基土的加固作用.关于影响强夯法加固机理的因素,Leonards曾指出,当地基中有粘性土层存在时,将减小有效击实深度,它既依赖于夯锤的夯击能量,同时也依赖于各夯点的夯击顺序以及每一夯点的锤击数,而两者的效应用每单位加固面积上的夯击能量来衡量是合理的.现在,一般的看法是,地基经强夯后,其强度提高过程可分为:夯击能量转化,同时伴随强制压缩或振密,土体液化或土体结构破
6、坏;排水固结压密;触变恢复并伴随固结压密.其中第一阶段是瞬间发生的,第四阶段是在强夯终止后很长时间才能达到的(可长达数月以上).中间两个阶段则是介于二者之间.2.1加固非饱和土原理采用强夯法加固非饱和土是基于动力压密的概念,即用冲击型动力荷载,使土体中的孔隙体积减小,土体变得更为密实,从而提高其强度.非饱和土的固相由大小不等的颗粒组成,按其粒径大小可分为砂粒,粉粒和黏粒.在土体形成的漫长过程中,由于各种非常复杂的风化过程,各种土颗粒的表面通常包裹着一层矿物和有机物的多种新化合物或胶体物质的凝胶,使土颗粒形成一定大小的团粒,这种团粒具有相对的水稳性和一定的强度.而土颗粒周围的孔隙被空气和液体所充
7、满,即土体是由固相,液相和气相三部分组成.在压缩波能量的作用下,土颗粒相互靠拢,因为气相的压缩性比固相和液相的压缩性大得多,所以气体部分首先被排出,颗粒进行重新排列,由天然的紊乱状态进入稳定状态,孔隙大为减小.就是这种体积变化和塑性变化使土体在外荷载作用下达到新的稳定状态.当然,在波动能量作用下,土颗粒和其间的液体也受力而可能变形,但这些变形相对颗粒间的移动,孔隙减少来说是较小的,因此,可以认为对非饱和土的夯实变形主要是由于颗粒间的相对位移而引起的,也可以说,非饱和土的夯实过程,就是土中气相被挤出的过程.2.2加固饱和土原理传统的固结理论认为,饱和软土在快速加载条件下,由于孔隙水无法瞬时排出,
8、所以是不可压缩的,因此用一个充满不可压缩液体的圆筒,一个用弹簧支承着活塞和供排出孔隙水的小孔组成的模型来表示.Menard根据饱和土在强夯后瞬时产生数十厘米的压缩这一事实,提出了新的模型,这两种模型的不同点如图1所示.a太沙基模型无摩擦的活塞匀质弹簧有气泡基础工程设计厩如;ofuzermuut活塞簧bmenard模型图1太沙基模型与动力固结模型对比图根据Menard提出的模式,饱和土强夯加固的机理可概述为两方面:渗透系数随时间变化;饱和土的可压缩性.2.2.1渗透系数随时间变化在强夯过程中,土体有效应力的变化十分显着,且主要为垂直应力的变化,由于垂直向总应力保持不变,超孔隙水压力逐渐增长且不能
9、迅速消散,则有效应力减小,因此在强夯饱和土地基中产生很大的拉应力.水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝,使孔隙水从裂缝中排出,土体的渗透系数增大,加速饱和土体的固结,当土中的超孔隙水压力很快消散,水平拉应力小于周围压力时,这些裂缝又闭合,土体的渗透性又减小.此外,由于饱和土中仍含有1%4%的封闭气体和溶解在液相中的气体,当落锤反复夯击土层表面时,在地基中产生极大冲击能,形成很大的动应力,同时在夯锤下落过程中会和夯坑土壁发生摩擦,土颗粒在移动过程中也会摩擦生热,即部分冲击能转化成热能.这些热量传人饱和土中后,就会使封闭气泡移动,而且加速可溶性气体从土中释放出来.由于饱和土体中的气相体积增加,并吸
10、收夯击动能后具有较大的活性,这些气体就能从土面逸出,使土体积进一步减少,并且又可减少孔隙水移动时的阻力,增大了土体的渗透性能,加速了土体固结.2.2.2饱和土的可压缩性对于理论上的二相饱和土,由于水的压缩系数fl=Sx104MPa,土颗粒本身的压缩性更小,约为6xlOPa.因此当土中水未排出时,可以认为饱和土是不可压缩的.但125l工程建设与设计;_蕊对于含有微量气体的水则不然,如无气水的压缩系数,水在压力P时的含气量为,此时的压缩系数为,则二者之I司的关系为:星1/P-flo假定p=l以及1%(即含气量为1%),则此含气水的压缩系数为(1/p1Bo)lO05xlOIPa.也就是含气量为1%的
11、水的压缩系数比无气水的压缩系数要增大200倍左右,即水的压缩性要增大200倍.因此,含有少量气体的饱和土是具有一定的可压缩性的.在强夯能量的作用下,气体体积先压缩,部分封闭气泡被排出,孔隙水压力增大,随后气体有所膨胀,孔隙水排出,超孔隙水压力减少.在此过程中,土中的固相体积是不变的,这样每夯一遍液相体积就减小,气相体积也减小,即在重锤的夯击作用下会瞬时发生有效压缩.2.2.3饱和土的局部液化在夯锤反复作用下,饱和土中将引起很大的超孔隙水压力致使土中的有效应力减小,当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力(对于饱和粉细砂)或等于上覆土压力加上土的黏聚力(对于粉土,粉质黏土)时,土中的有效应力完全
12、消失,土的抗剪强度降为零,土颗粒将处于悬浮状态一达到局部液化.当液化达到100%,土体的结构破坏,渗透系数大大增加,处于很大水力梯度作用下的孔隙水迅速排出,加速了饱和土的固结.土中渗透系数随孔隙水压力u与总应力dr之比(液化度)而变化的情况如图2所示.1lll1O液化度a/%图2土的渗透系数与液化度关系曲线图2.2.4饱和土的触变恢复饱和土在强夯冲击波的作用下,土中原来相对平衡状126态的颗粒,阳离子,定向水分子受到破坏,水分子定向排列被打乱,颗粒结构从原先的絮凝结构变成一定程度的分散结构,粒间联系削弱,强度降低,经过强夯后一定时间的休置期后,图骨架中的细小颗粒胶体颗粒的水分子膜重新逐渐联结,
13、恢复其原有的稠度和结构,与自由水又黏结在一起,形成一种新的空间结构,于是土体又恢复并达到新的更高强度,这一工程即为饱和软土的触变特征.据实测饱和细颗粒土夯实后6个月的平均抗剪强度能增加20%30%,变形模量可提高30%-60%.需要说明的是触变恢复期饱和细颗粒土对振动极为敏感,其后续施工工艺和检测评价方法均应避免振动.3设计方法采用强夯技术进行地基处理,一定要根据工程的地质条件和使用要求来确定,并合理正确地选择各种参数,才能达到有效而经济的目的.设计中经常遇到下列问题:锤重和落距,最佳夯击能,夯点布置,夯击遍数,间歇时间和加固范围.3.1锤重和落距通常根据试验选择的最佳夯击能来去确定锤重和落距
14、.在条件不许可时,可按Menard修正公式进行计算H=a,/式中,H为加固深度,m;oJ为锤重,kN;h为落距,m;为修正系数,对湿限性黄土取值0,35,-05,通常可取0.4,亦可以采用表1初步估算强夯的有效加固深度.表1强夯法有效加固深度注:强夯法的有效加固深度应从起夯面算起.3.2最佳夯击能在某一夯击能作用下,地基中出现的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能称为最佳夯击能.被加固地基土中的孔隙水压力消散慢,当夯击能逐渐增大时,孔隙水压力亦相应的迭加,可按此迭加值确定最佳夯击能.必须指出,孔隙水压力沿深度的分布规律是上大下小,而土的自重压力是上小下大,因此,对被加固的地基土的最佳夯击能应根
15、据有效影响深度确定为宜.在一般情况下,对于粗颗粒土可1000kN?m/m23000kN?m/m,细颗粒土可取l500/kN?m/m2.4000/kN?m/m2.3.3夯点布置夯点可根据建筑物的结构类型,按等边三角形,等腰三角形或正方形布置.夯点间距一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定.为了使深层土得以加固,第一遍夯点的间距,可取5m-9m,以后各遍夯点间距可与第一遍相同,也可以适当减小.这样才能使夯击能量传递到深处.下一遍点往往布置在上一遍夯点的中间.最后一遍是以较低的夯击能进行夯击,彼此重叠搭接,以确保近地表土的均匀性和较高的密实度.如果夯距太近,相邻夯点的加固效应将在浅处叠加而形成硬层
16、,则将影响夯击能向深部传递.夯击黏性土时,一般在夯坑周围会产生辐射向裂隙,这些裂隙是动力固结的主要因素.如夯距太小时,等于使产生的裂隙重新又闭合.对处理深度较深或单击夯击能较大的工程,第一遍夯点间距宜适当增大.3.4夯击遍数选择每遍的最佳夯击数,可根据静力触探,动力标贯及土工试验结果给出夯击数与有效影响深度的关系曲线,在满足有效加固深度的条件下,一般以曲线上明显变化的起点所对应的夯击数为每遍的最佳夯击数,且应同时满足以下条件.1)最后两击的平均夯沉量不大于50mm,当夯击能量较大时不大于100mm;2)夯坑周围地面不应发生过大的隆起;3)不因夯坑过深而发生起锤困难.夯击遍数应根据地基土的性质确
17、定,一般情况下,可采用2遍4遍,最后再以低能量满夯一遍.对于渗透性弱的细颗粒土,必要时夯击遍数可适当增加.且宜采用多遍数,少击数的施工方案.3.5间歇时间两遍夯击之间有一定的时间间隔.间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间.当缺少实测资料时,可根据地基土的渗透性确定,对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间,应不小于3周4周;对于渗透性好的地基可连续夯击.3.6加固范围强夯的加固范围应大于建筑物基础的范围,否则会出现四周为外部没有夯击过和内部巳夯击过的边缘.为避免在夯击后的土中出现不均匀的边界现象,从而引起建筑物的差异沉降,必须规定对夯击面积增加一个附加值,放大宽度可自建筑物基础外侧边线起增加
18、加固深度的1/3-1/2距离,并不宜小于3m.亦可按照下列公式计算.A=(孚)()A(+争)(+争)式中,A为夯击范围m2;B,L分别为加固区的宽度和长度nl,h为设计加固深度,nl.4结语通过对强夯技术加固地基的机理研究和设计方法的分析,可以说明强夯加固法是一种非常好的地基处理方法,尤其是相对于传统的地基处理方法,具有较大的经济技术效益.据不完全统计,强夯法的造价为挤密碎石桩的65%,为混凝土灌注桩的50%,而且还具有施工进度快的特点,由此带来的工期缩短,项目提前运行,将产生十分显着的经济与社会效益.尽管强夯技术在许多工程中得到了成功的应用,但仍有很多问题需要我们继续研究,如强夯理论的研究,设计方法的进一步完善,如何减少强夯噪声及振动噪声的环境问题等,均需要做进一步的探讨.如【参考文献】11JGJ792002建筑地基处理技术规范s】.21龚晓南,等.地基处理手册(第三版)M】.北京:海潮出版社,2008.【3】刘正峰,等.地基与基础工程新技术实用手册K】.北京:海潮出版社.2002.【收稿日期12011-01-24127唧l童叠一昌