浅析在地基中强夯置换法的应用

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  摘要:强夯置换法是20世纪80年代才开始应用的软土地基处理方法,在我国已成功应用于多个工程.介绍强夯置换法的发展概况;用强夯法将粗颗粒料(如碎石)夯击到土层中能够形成柱状体;复合地基不仅置换部分强度大幅度提高,天然土部分由于排水固结作用和挤密作用也使强度有所提高。
   关键词:强夯置换法;地基;置换深度
  Abstract: the dynamic compaction replacement method for soft soil foundation treatment of nineteen eighties began to application, in our country has been successfully applied. Introduce the development condition of dynamic replacement method; coarse material by dynamic consolidation method (such as gravel) compaction to soil can form a column; composite foundation not only replacement parts strength greatly improved, in part because of natural soil drainage consolidation and compaction function also makes intensity increased.
  Keywords: dynamic replacement method; foundation; replacement depth
  中图分类号:TU753文獻标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  前言
   强夯法处理地基由法国LouisMenard技术公司在1969年首创,这种方法是使用吊升设备将很重的锤(一般为8~40t)起吊至较大高度(一般为8~40m)后,使其自由落下,产生巨大的冲击能量(一般为1100~4000KJ,最大可达10000KJ)作用于地基,给地基以冲击和振动,从而在一定范围内使地基的强度提高,压缩性降低,改善了地基的受力性能。该项技术,以为工程实践所证实具有设备简单,施工速度快,加固效果好,造价低,适合处理的土质类别多等优点,现已广泛应用于工业民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路铁路路基、飞机跑道等地基处理工程中,逐渐成为地基加固的首选方法。但是长期以来,高饱和度粘土,由于强夯效果不显著,也不稳定,一直是强夯加固的禁区,影响了这种优秀的加固方法的进一步推广应用。
  一、 强夯置换法作用机理分析
   强夯置换加固地基的原理是指用强夯法加固高饱和度粘性土及粉土时,在夯坑内不断填加石块、碎石、或其它粗颗粒材料,强行夯入并排开软土,在软土地基中形成大于夯锤直径的碎石墩,这种碎石桩一方面有置换作用,使建筑物荷载向桩体集中;另一方面是强夯加密作用,在对碎石强夯过程中,通过碎石向下的不断贯入,会使碎石桩下的土层受到冲击能的影响,从而得到加密,另外碎石桩有一个向四周的侧向挤出,也使桩侧的土层得到了加固;再一方面,碎石桩也起到了一个特大直径排水井的作用,由于强夯法加固细颗粒土时,是通过冲击能的作用使地基土压缩并产生裂隙,增加排水通道,使孔隙水顺利逸出,随着孔隙水压力的消散而提高土体强度。但是饱和细颗粒土由于土中粘粒含量多,粒间结合力强,渗透性低,孔隙水压力消散缓慢等原因,加固效果不显著且不稳定,所以工程界普遍认为,在强夯处理这类地基时必须给予排水的路径。而强夯置换法夯入软土中的碎石桩在夯实并挤密软土的同时也为饱和土中的孔隙水的排出提供了顺畅的通道,加速了软土在强夯过程中和夯后的排水固结,提高桩间土的强度。
  二、强夯置换法施工的范围、特点及加固机理方法
  强夯法施工范围当前,应用强夯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。强夯法施工特点工程实践表明,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.。
  具体加固途径如下: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。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。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。
  
  
  
  三、实例中铁十六局皮村北巷危房改建项目
  1工程地质地貌
  拟建场地位于从周围环境看现状地形属低洼地形,雨季积水情况比较严重。拟建场区东侧地形较为平坦,西侧局部堆土比原有地形高出5m左右,导致地形高差相对较大,高差约4.5米。勘探时钻孔地面标高为22.29~26.78m。
  1.1本次勘探最大孔深25米深度范围内所揭露地层如下:
  
  
  地下水判断该场地地下水属承压水,静止水位埋深约0.5~5.2m,地下水主要赋存于粉砂~细砂②层及细砂粉砂③层,受上游径流和上层水越流补给。液化判定拟建场区饱和砂质粉土~粉质粘土②1层与粉砂~细砂②层当地震烈度为8度时为液化土层,液化指数分别为6.45~12.58,为中等液化。饱和松砂与粉土主要是单粒结构,处于不稳定状态。在强烈地震作用下,疏松不稳定的砂粒与粉粒移动到更稳定的位置;但地下水位下土的孔隙已完全被水充满,在地震作用的短暂时间内,土中的孔隙水无法排出,砂粒与粉粒位移至孔隙水中被漂浮,此时土体的有效应力为零,地基丧失承载力,造成地基不均匀下沉,导致建筑物破坏。
  2采取强夯法进行软弱地基人工处理
  ⑴软弱地基人工处理机理
  在有液化可能性的地基上建筑,不能将建筑物置于地表或深埋于可液化深度范围之内。本工程软弱地基人工处理的核心是如何使软土中的孔隙水或土体颗粒间自由水有效排出土体,改变液化土的性质。基本思路有两个,一是采取复合地基方案,将土体和注入体结合为复合地基;二是采取机械破坏的方式,改变土体性质。
  ⑵选择软弱地基人工处理方案
  根据勘察报告揭示,该拟建场区表层分布有0.5~5.4米厚的人工填土,承载力低且土质不均,加之第②、②1层为中等液化层,故该场区地基不经过处理不宜作为天然地基持力层。由于该场区地下水位距现地表仅0.5米,故在该现有地表堆填3米左右的中粗砂或建筑垃圾再进行处理,即将地下室、地下人防及地下车库的底板标高提高3米。本工程地处北京远郊,周边建筑大部需要拆除,且大都为集团公司房屋。经多种地基处理的优选比较,强夯法具一次处理全面解决问题、工程效果佳、工程造价低、工期短等特点,应为较适宜的科学处理方法。多层建筑宜采用筏板基础,并尽量使荷重分布均匀。
  强夯法在城市繁华区房建施工中运用较少,经了解,参建方缺乏实践经验,为保证强夯质量能达到设计要求,特别对强夯法实施过程做了如下安排:确定强夯技术处理要求→初步确定强夯方案→工程实地试夯→试夯结果检测、分析→确定强夯方案及施工组织设计→全面施工。
  ⑶强夯技术处理要求
  地基处理结果将直接影响基础设计方案的选择,也对项目成本控制和结构安全性、耐久性起决定作用。因此,经综合考虑,对强夯技术处理提出了以下控制要求:
  ①基础底面设计标高以下4m深度范围内地基承载力特征值≥200kPa,压实系数≥0.94;
  ②4-8m范围内地基承载力特征值≥150 kPa,压实系数≥0.92;
  ③深度大于8m,要求地基承载力特征值≥130 kPa,压实系数≥0.88.
  4初步强夯方案
  用强夯法加固地基,一定要根据现场的地质条件和工程作用要求,正确选用强夯参数,一般通过试验来确定以下强夯参数: 
  (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,又反映了处理效果。 
  (2)单击夯击能:单击夯击能等于锤重×落距。 
  (3)最佳夯击能:从理论上讲,在最佳夯击能作用下,地基土中出现的孔隙水压力达到土的自重压力,这样的夯击能称最佳夯击能。在砂性土中,孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟,因此孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加,可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系来确定最佳夯击能。 
  夯点的夯击次数,可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定,应同时满足下列条件:(①夯坑周围地面不应发生过大隆起;②不因夯坑过深而发生起锤困难;③每击夯沉量不能过小,过小无加固作用。夯击次数也可参照夯坑周围土体隆起的情况予以确定,就是当夯坑的竖向压缩量最大,而周围土体的隆起最小时的夯击数。对于饱和细粒土,击数可根据孔隙水压力的增长和消散来决定,当被加固的土层将发生液化时的击数即为该遍击数,以后各遍击数也可按此确定。 
  (4)夯击遍数:夯击遍数应根据地基土的性质确定,地基土渗透系数低,含水量高,需分3—4遍夯击,反之可分两遍夯击,最后再以低能量“搭夯”一遍,其目的是将松动的表层土夯实。 
  (5)间歇时间:所谓间歇时间,是指相邻夯击两遍之间的时间间隔。因受夯击能量影响,土中孔隙水压力将有一个短暂的消散过程,因此,每遍夯击结束后,必须留有一定间隔时间,以确保土中孔隙水压力能按改变后的纹流形式得以逐步消散。
  (6)夯点布置和夯点间距:为了使夯后地基比较均匀,对于较大面积的强夯处理,夯击点一般可按等边三角形或正主形布置夯击点,这样布置比较规整,也便于强夯施工。由于基础的应力扩散作用,强夯处理范围应大于基础范围,其具体放大范围,可根据构筑物类型和重要性等因素考虑确定。夯点间距可根据所要求加固的地基土性质和要求处理深度而定。当土质差、軟土层厚时应适当增大夯点间距,当软土层较薄而又有砂类土夹层或土夹石填土等时,可适当减少夯距。夯距太小,相邻夯点的加固效应将在浅处叠加而形成硬层,影响夯击能向深部传递。
  (7)点夯是主加固阶段,夯击能量要求最高,影响深度、夯点间距均为最大,以使场区迅速成为高强度、低压缩性的超密实土。
  (8)满夯为加固因点夯的应力扩散而形成的浅、表层松散土层,使其局部土层加速固结,砂层更趋密实,并满足下卧层及承载力要求。
  (9)该填土层地基强夯处理应最大限度地克服因超过临界夯击能而使土的宏观结构破坏并产生明显的水平位移,进而影响土体的整体强度。
  强夯施工的工艺参数
  
  
  影响深度:D=0.5=8.66m
  
  结论
   强夯置换施工一般采用挤土置换法,即先夯出一个夯坑,然后向坑内填入碎石,进行强夯置换,这种施工工艺的缺点一是锤底面积小(一般锤底静压力在100~200kpa之间),置换率低;二是容易使地面产生较大隆起,且置换深度有限。我们要根据大量的工程实践,采用排土置换法,即在强夯置换前先挖一个直径略大于夯锤直径的坑,坑深3~4m,然后向坑内填入碎石进行强夯置换,这样使用锤底静压力为30~50kpa的夯锤,即可使置换深度达到5~6m,而且使面积置换率大大提高,桩间土的隆起也大大减小。高饱和土所处的地域地下水位一般都比较高,经强夯置换处理后的地基在使用过程中,桩间土极易受到地下水的侵蚀,而使其承载力降低,桩间土承载力的降低会减弱其对碎石桩的侧限,碎石桩的承载力也会随之降低。 强夯置换法综合了强夯加固和复合地基的优点,且施工设备、工艺简单,适用范围广泛。此法不仅用于房建工程,也适合于化工类大型设备基础等工程,而且具有速度快、效果显著、节省投资、节约材料和加固效果好等优点,是一种比较理想的地基处理方式。
   参考文献:
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  赵明华,俞晓.土力学与基础工程.武汉理工大学出版社,2003. 
  中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范 GB 50007-2002.中国建筑工业出版社,2002.
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