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地基处理3 第三章深层密实法第一节基本概念1、深层密实(DeepCompaction)法定义是指用夯击，振动和爆破方法，对松软地基土进行密实化处理，与浅层加固处理相比，对地基土的密实化处理深度大，所用施工机具及施工方法不同。2、主要处理方法强夯法；挤密法；CFG桩密实处理法；爆破挤密法1)、强夯法(HeavyTamping)：将数吨至数十吨(乃至上百吨)的重锤，提升至数米至数十米的高度后自由落下，对土进行夯击加固(大吨位锤的夯击处理). CFG桩施工CFG桩施工完成后桩头CFG桩 北海堤爆破挤淤阳江核电南防波堤爆破挤淤填石完成爆破挤淤 一、概述用强夯法处理软土地基最早由法国的L.梅纳所首创(1969年)。①夯击锤重一般为8～30t(最重大200t)；②自由落距8～20m(最高40m)。③夯击能量一般为500～800KN.M第三章深层密实法第二节强夯法1、适用范围：可用来加固各种填土、湿陷性黄土、碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘土、软土以及工业、生活圾圾等地基，尤其是对非饱和土加固效果显著。对于饱和土地基加固效果的好坏，关键在于排水；对于饱的粘性土或淤泥质土，由于渗透性差，土体内水排出困难，加固效果就差。 3、加固效果：经强夯加固后的地基，其压缩性可降低200%～1000%；强度提高200%～500%(粘土可提高100%～300%；粉质粘土可提高400%；砂和泥炭土可提高200%～400%)；对土的抗液化能力的改善明显；排气快，对于处理圾圾类等地基，有利于有害气体，迅速排出。2、优点：施工简单、加固速度快、加固深度达(最大可达30m)、效果好、投资省，并适合于房建、桥涵、道路、港口、码头、机场和大型设备基础等工程。 4、较以往的夯实有较多特点主要体现在三个方面1)单次夯击能量大，并可以通过控制夯击点，密度及夯击方式，使地基深层得到加固；2)经强夯加固后，可消除不均匀沉降；3)施工中单次夯击能量容易控制，从而可获得具有均匀分布密实度的地基。5、缺点目前尚无成熟的理论和完善的设计计算方法；深层加固时设备和机具性能要求较高；震动和噪音大，在城市人口密集区，建筑结构密集区不宜使用。 6、最适宜的施工条件以下五个方面的条件下，强行法效果较好1)处理深度一般不要超过20m；2)对饱和软土地基，于地表面应铺一层较厚的砾石、砂土等优质填料(起导水作用等)；3)地下水位离地表下2～3m为宜，也可采用降水强夯；4)粗颗粒土组成的地基夯击对象最好；5)施工现场应距离既有建筑物有足够的安全距离（夯击中产生的冲击振动能量较大，对建筑物安全造成危胁）。 二、加固机理(一)影响加固的因素和一些相关问题关于强夯法加固地基的机理，国内外学者虽然做了大量研究，看法很不一致。主要原因是：土的类型多，且不同类型土的性能不同、加固效果的影响因素很多。体现在两个方面：1)土的自身因素。土类型(饱和土、非饱和土、砂性土、黏性土)、结构(颗粒大小、形状、级配)、构造(层理)、密实度、内聚力、渗透性等均影响加固效果；2)土的外部因素。单击夯击能(锤重、落距)、单位面积夯击能、锤底面积、夯点分布、夯击遍数、特殊措施(预打砂井夯坑填料)等均影响加固效果，并可对其机理上做出不同解释。 二、加固机理多数专家认为强夯机理应从以下四方面，分别对待解释：①宏--微观机理。宏观机理主要是从加固区土体所受冲击力、应力波的传播、土体强度对土加密的影响做出解释；微观机理主要是研究冲击力作用下土的微观结构变化，如土颗粒的重新排列、连接做出解释。②饱和土与非饱和土。除了非饱和土压实机理，还要考虑有孔隙水排出，土才能压实固结这一特殊问题。③黏性土和砂性土。因渗透性不同，黏性土存在固化内聚力，砂性土则不然。④各类土的特殊性。如黄土、填土、淤泥等，它们都具有各自的特殊性能，所以加固机理、方法和采取的具体措施也不同。(一)影响加固的因素和一些相关问题 3-2-1强夯过程中土体状态二、加固机理试验表明，强夯过程中土体变形状态可以用图3-2-1表示：日本的坂口旭据此将夯实过程中的地基土分为四层：第一层，夯坑底以上受扰动的松弛隆胀区；第二层，土中应力超过地基土的极限强度，密实性好，固结程度最高区；第三层，土中应力在土的极限强度和屈服值之间，是固结效果迅速下降的区域；第四层，土中应力在屈服界限内，基本没有固结。压密区(二)强夯过程中土体的变形状态 到目前为止，关于强夯法的加固机理，从物理力学角度，有三种比较有影响的认识观点：但是，最终的加固效果还要取决于地基土类别与施工工艺。从强夯过程中，相应区域土体状态这些现象，可以对其加固机理有所认识。动力密实（DynamicCompaction）动力固结（DynamicConsolidation）动力置换（DynamicReplacement） (三)动力密实机理二、加固机理动力密实机理事实上是对非饱和土的加固机理的一种解释。根据土动应力场分布特征，夯击过程中的加固地基模式可归纳为如图3-2-2所示的过程图。图3-2-2强夯地基加固模式图A为主夯实区σ＞σf；B为次夯实区σ＜σf，σ＞σ1；C为压密、挤密、松动区；D为振动影响区。σ为土主应力(动应力加自重应力)；σf为土极限强度；σ1为土弹性极限；ZA为土主压实区深度范围；ZB为次压实区深度范围；pd为锤底动应力。夯击的前数次加固区在扩大伴随夯击遍数的增加加固区形成加固区形成,等速下沉,加固区下移①为加固区形成时主加固区位置 1)因巨大的冲击力使土体遭受冲击破坏，并产生较大的瞬时沉降，夯锤底部土形成土塞向下运动。因锤底面下土中压力超过土强度使得土结构破坏土软化、侧压力系数、侧压力，从而使土不仅被竖向压密而且被侧向挤密。该主压实区就是图中的A区，即土的破坏压实区。A区的土应力σ(动应力加自重应力)超过土的极限强度σf，土被破坏后压实。 2)由于土被破坏，侧向挤压作用加大，因此水平加固区宽度也大，故加固区不同于静载土中应力椭圆形分布而变为水平宽度大的苹果形。A区外为次压实区B，其应力值小于土的极限强度σf，但大于土的弹性极限σ1，故B区土可能被破坏，但未被充分压实，或仅被破坏而未压实，表现为与夯前相比干密度有小量增长或不增长。 3)由于动应力远大于土的原自重应力，坑底土侧向挤出时，导致坑侧土的上隆，形成被动破坏区，这就是图3-2-2中的C区。夯击的前数次加固区在扩大伴随夯击遍数的增加加固区形成加固区形成,等速下沉,加固区下移①为加固区形成时主加固区位置 4)B区外的D区由于土动应力影响小，不能破坏土结构，故不再压实或挤密，但强夯引起的振动可使这一区产生效应。对内聚力低的砂土、粉土及非黏性土，振动波作用下土粒受剪而错动，落入新的平衡位置，松砂类土可振密，而密砂可能变松。对有内聚力的黏性土，振动影响不足以改变土的结构而产生振密作用；由强夯所产生的冲击型动力荷载(压缩波，剪切波等)使土体中孔隙减小，土体密实度变大，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程，是土体中气相(空气)被挤出的过程，由于土颗粒的相对位移引起土体变形和密实化。 二、加固机理(四)动力固结机理1、力学模型认为饱和土是可以压缩的这一新的动力固结机理。从动力固结理论角度分析：强夯产生巨大冲击能量在土体中产生很大的应力波(压缩波与剪切波)：破坏土体原有结构；使土体局部发生液化并产生许多裂隙；增加排水通道；使孔隙水顺利逸出；孔隙水压力消散后，土体固结，强度提高。梅纳根据强夯实践，首次对传统的太沙基固结理论提出了不同看法： 图3-2-3静力固结理论与动力固结理论模型比较①活塞；②液体；③弹簧；④排液孔径；(a)寄予太沙基理论的静力固结模型(b)的Menard液体可压缩动力固结理论 传统的饱和土(仅由土颗粒和液体组成的二相土)固结理论为太沙基(Terzaghi)固结理论：假定水和土粒本身不可压缩，固结只是孔隙体积缩小及孔隙水排除。2、传统固结理论在冲击荷载作用下，饱和土中的水不能及时排除，土体积不会变，亦即土体密实度不会提高，只发生侧向变形。因此，夯击时饱和土造成侧面隆起，重夯时形成“橡皮土”，达不到密实效果。这显然与实际结果相矛盾。 3、Menard的强夯理论Menard根据强夯施工实践结果认为，饱和土并非二相土，其液体中存在一些封闭气泡。夯击时，这些气体可压缩，故土体积也可压缩，且气体体积按波义耳—马略特定律(即一定质量的气体的压强跟它的体积成反比)变化。因此，冲击使土结构破坏、体积缩小液体中气泡被压缩孔隙水压力增加孔隙水渗流排出水压减少气泡膨胀土体又可以再次夯击压缩。 两种固结机理主要有四个方面的特性差异表(3-2-1)表3-2-1两种固结机理的比较 4、土体强度增长过程机理根据动力固结理论，饱和土体强夯过程的强度增长机理可从四个方面加以概括:1)饱和土体的可压缩性:对渗透性很小的细粒土而言：a、传统固结理论：沉降的充分与必要条件是孔隙中水的排出。。无法对饱和土体的可压缩性机理做出作释。b、动力固结理论(梅纳)：第四纪土中大多数含有以微气泡形式的气体(1～4%)，强夯时，气体体积压缩、孔隙水压力增加，随后气体又膨胀，促使水体排出，孔隙水压跟着减小，每夯击一次，土体出现一次瞬间沉降变形，体积被压缩。 右图中有四条曲线、三个阶段：（1）四条曲线：①夯击能量曲线；②体积变化曲线；③局部土体的液化度；④地基承载力曲线；（2）三个阶段：⑤加载～液化阶段；⑥卸载与孔隙水压力消散固结阶段；⑦土的触度恢复阶段。图3-2-4单次夯击过程中土的强度增长过程①②③④⑤⑥⑦ 2)因夯击而产生局部液化随夯击之后土体的压缩，土体中孔隙水压力(超静水压力)迅速升高，并很快达到覆盖压力(包括粘性土的粘聚力)相等的能量级别。于是这部分土体立即产生液化(图3-2-4中的⑤对应时段)，该部分土体强度亦下降到最小值(当液化度为100%时，土体处于临界液化状态，该能量称为“饱和能”，此时段吸附水转化为自由水，土的强度最低)。 3)渗透性变化促进孔隙水排出(固结、密实)在强大的夯击能作用下，地基土体中产生的冲击波和动应力会使超孔隙水压力大于颗粒间的侧面压力，便颗粒间出现裂隙，形成排水通道，再加上液化时土体渗透能力的陡然增强，促进孔隙水顺利逸出。于是超静水压力迅速消散，从而起到了加速排水固结的效用。 4)触变(?)的恢复随孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模量又大幅度地增长，土体颗粒间接触更紧密，所以附水层又逐步固定(原因：自由水重新被颗粒所吸附而成为吸着水)。通常触变恢复持续数周～数月，此时的平均强度会增加30%，模量值会增加30～80%，这种触变恢复被称为强夯施工的时间效应(图)。 地基抗剪强度增长与时间的关系 地基承载力的提高与夯击数有密切关系。若夯击一遍压密过小，土结构破坏丧失的强度大，触变恢复增加的强度小，则夯击后的承载力反而减少。夯击数多能量大土体体积变化大土体模量，土体强度(图3-2-5)。但是若二遍夯击，土进一步压密，则触变恢复增加的强度大，依次增加遍数可以获得预想的加固效果。 图3-2-5夯击三遍的土体强度变化图①夯击能与时间的关系，②体积变化与时间的关系，③孔隙水压力与完全液化压力之比随时间的变化，④极限压力与时间的关系，⑤液化及强度丧失过程，⑥孔隙水压消散及强度增长过程，⑦触变的恢复过程 5、夯击能量的传递机理空间半无限体表面上一点的竖向夯击引起的振动，在土体中以波的形式传播。这种携带了绝大部分夯击的波又可分为压缩波(P波)和剪切波(S波)及瑞利波(R波)，其中P波和S波为体波,R波为面波(仅在表面行传)。三种波场的作用特征如下：①P波占波动总能量的7%——振幅小、周期短、传速快，会引起孔隙水压力的，并而促使土体内出现裂隙，有利于水体的排放;②S波占波总能量的26%——振畅大、周期长、波速慢引起的是土体的剪切变形土体密实化; 3-2-1强夯过程中土体状态压密区③R波在地表以滚动形式传播，占波总量的67%，振畅大，周期长，其水平分量易于使土体剪切、密实，纵向分量导致地表附近土的松动，造成夯击点附近地面隆起（图3-2-1） 二、加固机理(五)动力置换可分为整式置换与桩式置换两部（图3-2-6）图3-2-6动力置换类型（a整式置换;b桩式置换）1、整式置换：采用强夯方式将碎石整体挤入淤泥中。作用机理:与挖土垫层类似。2、桩式置换：通过强夯将碎石填筑于土中，部分碎石间隔地夯入软土中，形成桩式或墩式的碎石墩或碎石桩。作用机理:类似于振冲法形成的碎石桩，主要是靠碎石的内摩角和墩(桩)间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土一起发挥着复合地基的作用。 波土中能1）使土孔隙压密，土体局部液化2）夯点周围产生大量裂缝，良好排水通道3）各种颗粒成分在结构上重新排列转化传入总结 三、强夯法与重锤夯实法的区别强夯法不是简单地加大锤重与落距，它与重锤夯实法比较首先在加固原理上有所区别1．加固原理不同1）强夯法加固土层时单击能大(一般＞500kN·m)，冲击力会冲切土体形成深的夯坑、产生大的瞬间沉降，并使锤底土发生破坏、向下压密及侧向压密。夯击影响区土体变形复杂，有压密区、次压密区、松隆区。强夯时，对于饱和土是一种动力密实效应，对于非饱和土是一种动力排水固结效应。 2）重锤夯实法的夯击能小、夯坑浅，主要依靠锤底的压密作用，主压实区集中在锤底。因夯坑浅、锤底土所受侧向压力小，对饱和土而言，不能因压缩而产生孔超隙水压力，使水排走，形成“橡皮土”，容易侧向挤出、隆起。因而该法不适于加固饱和土，仅适用于非饱和土加固。 2．加固工艺不同三、强夯法与重锤夯实法的区别1）强夯时土中的动应力大，压实深度大，并对侧向有一定加固范围，影响直径是夯锤直径的2.5～4倍。施工中为了使坑侧土少扰动、少隆起，并使土体积有效压缩，使饱和土形成超孔隙水压力并顺利排走，故强夯工艺要求多分遍施，每遍间隔一定时间，夯点间要求间隔一定距离。2）重锤夯实法主要采用的是一夯挨一夯或一夯压半夯的方式施工，每遍之间不需间隔一定时间。它只是压实锤底下的土即可。因此其加固深度浅，侧面易隆起。 3．适用土质不同三、强夯法与重锤夯实法的区别1）强夯法可适用于加固粗粒土、细粒土、饱和土、非饱和土。甚至港口、河道水下土层，诸如填土、杂填土、砂类土、黏性土、黄土、淤泥类土。但对厚层的、渗透系数小于10-5cm／s的饱和黏性土应慎重。2)重锤夯实法仅适用于加固水位深0.8m以上的稍湿的黏性土、砂类土、黄土、杂填土和分层填土。不适于含水量高的黏性土，且针对的是浅层处理。 表3-2-2强夯法与重锤夯实法的区别 四、强夯设计1有效加固深度的计算选择地基处理方法的重要依据是有效加固深度，它也是反映处理效果的重要参数，两种计算办法:1)梅纳的计算式(3-2-1)式中：H—加固影响深夜(m)；w—夯锤重(t)；h—夯锤落距(m)；a—修正系数，一般取0.5～0.8(软土0.5，黄土0.34～0.5)2)左名麟的计算公式(3-2-2)式中：H，w，h意义单位与前相同；Vp—土体纵断速度(M/S)；a—土的能量吸收系数(表3-2-1)；R—大于1的系数，取3～5。 表3-2-3土能量吸收系数表实际中，强夯有效加固深度还应根据现场试夯或当地经验确定，在缺少试验或经验资料时，可按表3-2-4估计有效加固深度(m)[JGJ79-2002] 表3-2-4强夯的有效加固深度(m)[据JGJ79-2002]2夯锤和落距由于：单击夯击能＝夯锤重(W)×落距(h)，因此，一旦单击夯击能确定，则h依据所使用的夯锤重确定，满足关系式即可。 3夯点的夯击次数按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应当同时满足三个条件：1)最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：①当单击夯击能小于4000KN.M时，为50MM；②当单击夯击能为4000-6000KN.M时，为100MM；③当单击夯击能大于6000KN.M时，为200MM。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提锤困难。 4夯击遍数及间歇时间理论上，当地基中出现孔隙水压力达到土的自重压力时的夯击能，被称为最佳夯击能(土性不同，最佳夯击也不同)，可通过现场夯击试验确定。5、最佳夯击能1)夯击遍数:应根据地基土性质确定，可采用点夯2-3遍(渗透性较差的细颗粒土可适当增加)。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。2)间歇时间:两遍夯击之间应有一定的时间间隔，且取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。如无实测资料，则可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性差的粘性土地基，间隔时间不应小于3-4周。 6夯击点布置1）采用等边、等腰或正方形布置夯击点位；2)夯击点间距布置原则为：第一遍夯击点间隔取夯锤直径的2.5-3.5倍;第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间;以后各遍夯点可适当减小间距，对处理深夜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。3)强夯处理范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。 夯击点布置 7、试夯与强夯参数确定根据初步确定的强夯参数，提出夯击试验方案，进行试夯，并根据试夯结果确定工程采用的各项强夯参数。 1、施工机具五、施工方法A、若确定了加固深度和锤落距，可由(3-2-1)或(3-2-2)确立；一般锤重在15t以上。B、夯锤材料：钢质材料或以钢板作外壳，内填混凝土制成；D、夯锤形状：有圆柱状、圆状、方状、方台状；C、夯锤尺寸：底面尺寸以锤底面静压力值在25～40Kpa为宜；2)起吊设备3)自动脱勾装置。1)夯锤： 2、施工要点五、施工方法1）施工前做好场地准备工作，包括：①查明场下范围内隐敝物，并采取措施妥善处理；②采取防振隔振或其它措施；③场地内地下水位高或有积水者，应采取降、排水措施。2)清理并平整旗现场(必须保持水平)；3)铺设硬垫层，用以上承起重设备；4)标出第一遍夯击点的位置，并测量场地高程；5)起重机就位，使夯锤对准夯点，并测量夯前锤顶标高；6)起吊夯锤到预定高度，待夯锤自由落地后，再次测量锤顶高程，若发现坑底有倾斜，应予平整； 2、施工要点五、施工方法7)重复6)；8)重复5)～7)，完成第一遍夯击；9)填平夯坑，并测量场地高程；10)在规定的间隔时间后，按上述步聚完成全部夯击遍数，最后再用低能量满夯，将场地表层土夯实，并测量夯后高程。 六、施工监测施工过程要有专人负责以下监测工作:1、开夯前应检查夯锤重量、落距、确保原点夯击能符合设计要求;2、每遍夯击前，应对夯点放线复核，夯完后再检查夯坑位置，便于纠正偏差及防止漏夯;3、按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量；4、夯击过程中，做好各项参数及施工情况的详细施工记录。 七、安全措施1、做好全体施工人员的安全教育并规范操作规程;2、时常检查施工机具的每一生要部位(如夯锤、脱勾装置、吊车臂杆、起重索具等)发现问题及时处置。3、明确分工，统一指挥。 八、质量检验1、夯击施工结束后间隔一定时间方可检验。2、检验方法根据被加固土的性质分别选用：室内原状土样试验和原位测试(包括静探、各种动探等)。3、检验总数量，应根据地场复杂程度和建筑物的重要性确定：(1)简单场地：每个建筑地基载荷试验点≥3个。(2)复杂场地：大于3个。(3)对强夯置换，不少于墩总数的1%，且不于3个点。4、检验深度：不小于设计处理深度。 重点：强夯法的要领：熟悉：①动力固结机理作用(饱和土压缩性、液化渗透变化性、融变恢复)；②动力固结与静力固结之对比差异。设计计算：有效加固深度H，夯锤重落距三者关系。强夯法总结: 【例题1】下面哪种方法称为动力固结法？(     )A、振冲法； B、强夯法； C、强夯置换法； D、沉管挤密法；答案：【例题2】某不良地基采用强夯法进行地基处理，从试夯现场测试表明，膨胀区底在0.8m(自地面以下，下同)，压密区底在4.8m，效果减弱区底在6.3m，以下为未加固区。经处理后，该地基的有效加固深度为(   )m。A、4.8；B、4.0；C、6.3；D、5.5答案：BB例题 【例题3】对于以软粘土为主，且含有少量杂填土、素填土等的软弱地基，采用强夯置换法进行地基处理，加固后的地基承载力按(     )考虑。A、所形成的强夯置换墩与墩间土共同形成复合地基；B、挤密后的墩间土承载力；C、形成的强夯置换墩的承载力，不考虑墩间土承载力；D、置换墩与墩间土承载力各算一半；答案：C 【例题4】某工程采用强夯法处理，从现场夯点试夯得到的情况如下表示：在以上各个方案中，可选用的方案为(    )。A、甲方案；B、乙方案；C、丙方案；D、丁方案；答案：A 【例题5】采用强夯法施工时，两遍夯击之间的时间间隔取决于(     )。A、施工设备是否正常运转；B、施工单位的施工进度安排；C、人的因素；D、土中超静孔隙水压力的消散时间；答案：D 【例题6】某工程采用强夯法进行地基处理，设计加固深度为4.2m；已知基础底面尺寸为：20m×15m，试问：强夯处理范围的面积为(   )。A、300m2；B、465m2；C、527m2；D、546m2；答案：D 第四讲结束