施工手册(第四版)第七章地基处理及桩基工程7-1-2 夯实地基

'7-1-2夯实地基7-1-2-1重锤夯实地基重锤夯实是利用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后自由落下，重复夯击基土表面，使地基表面形成一层比较密实的硬壳层，从而使地基得到加固。本法使用轻型设备易于解决，施工简便，费用较低；但布点较密，夯击遍数多，施工期相对较长，同时夯击能量小，孔隙水难以消散，加固深度有限，当土的含水量稍高，易夯成橡皮土，处理较困难。适于地下水位0.8m以上、稍湿的粘性土、砂土、饱和度Sr≤60的湿陷性黄土、杂填土以及分层填土地基的加固处理。但当夯击对邻近建筑物有影响，或地下水位高于有效夯实深度时，不宜采用。重锤表面夯实的加固深度一般为1.2~2.0m。湿陷性黄土地基经重锤表面夯实后，透水性有显著降低，可消除湿陷性，地基土密度增大，强度可提高30%；对杂填土则可以减少其不均匀性，提高承载力。1．机具设备（1）夯锤用C20钢筋混凝土制成，外形为截头圆锥体（图7-3），锤重为2.0~3.0t，底直径1.0~1.5m，锤底面单位静压力宜为15~20kPa。吊钩宜采用自制半自动脱钩器，以减少吊索的磨损和机械振动。图7-3钢筋混凝土夯锤构造1-20mm厚钢板；2-L100×10mm角钢；3、4、5-φ8mm钢筋＠100mm双向； 6-φ10mm锚筋；7-φ30mm吊环（2）起重机可采用配置有摩擦式卷扬机的履带式起重机、打桩机、悬臂式桅杆起重机或龙门式起重机等。其起重能力：当采用自动脱钩时，应大于夯锤重量的1.5倍；当直接用钢丝绳悬吊夯锤时，应大于夯锤重量的3倍。2．施工工艺方法要点（1）施工前应进行试夯，确定有关技术参数，如夯锤重量、底面直径及落距，最后下沉量及相应的夯击遍数和总下沉量。最后下沉量系指最后2击平均每击土面的夯沉量，对粘性土和湿陷性黄土取10~20mm；对砂土取5~10mm；对细颗粒土不宜超过10~20mm。落距宜大于4m，一般为4~6m。夯击遍数由试脸确定，通常取比试夯确定的遍数增加1~2遍，一般为8~12遍。土被夯实的有效影响深度，一般约为重锤直径的1.5倍。（2）夯实前，槽、坑底面的标高应高出设计标高，预留土层的厚度可为试夯时的总下沉量再加50~100mm；基槽、坑的坡度应适当放缓。（3）夯实时地基土的含水量应控制在最优含水量范围以内，一般相当于土的塑限含水量±12%。现场简易测定方法是：以手捏紧后，松手土不散，易变形而不挤出，抛在地上即呈碎裂为合适；如表层含水量过大，可采取撒干土、碎砖、生石灰粉或换土等措施；如土含水量过低，应适当洒水，加水后待全部渗入土中，一昼夜后方可夯打。（4）大面积基坑或条形基槽内夯实时，应一夯换一夯顺序进行（图7-4a），即第一遍按一夯换一夯进行，在一次循环中间同一夯位应连夯两下，下一循环的夯位，应与前一循环错开1/2锤底直径的搭接，如此反复进行，在夯打最后一循环时，可以采用一夯压半夯的打法。在独立柱基夯打时，可采用先周边后中间或先外后里的跳打法（图7-4b、c）。为了使夯锤底面落下时与土接触严密，各次夯迹之间不互相压叠，而是相切或靠近。压叠易使锤底面倾斜，与土接触不严，功能消耗，降低夯实效率。当采用悬臂式桅杆式起重机或龙门式起重机夯实时，可采用图7-4（d）顺序，以提高功效。 图7-4重锤夯打顺序1-夯位；2-重叠夯d-重锤直径（5）基底标高不同时，应按先深后浅的程序逐层挖土夯实，不宜一次挖成阶梯形，以免夯打时在高低相交处发生坍塌。夯打做到落距正确，落锤平稳，夯位准确，基坑的夯实宽度应比基坑每边宽0.2~0.3m。基槽底面边角不易夯实部位应适当增大夯实宽度。（6）重锤夯实填土地基时，应分层进行，每层的虚铺厚度以相当于锤底直径为宜。夯实层数不宜少于2层。夯实完后，应将基坑、槽表面修整至设计标高。（7）重锤夯实在10~15m以外对建筑物振动影响较小，可不采取防护措施，在10~15m以内，应挖防振沟等作隔振处理。（8）冬期施工，如土已冻结，应将冻土层挖去或通过烧热法将土层融解。若基坑挖好后不能立即夯实，应采取防冻措施，如在表面覆盖草垫、锯屑或松土保温。（9）夯实结束后，应及时将夯松的表层浮土清除或将浮土在接近最优含水量状态下重新用1m的落距夯实至设计标高。（10）根据经验，采用锤重2.5~3.0t，锤底直径1.2~1.4m，落距4~4.5m，锤底静压力为20~25MPa，消除湿陷性的土层厚度为1.2~1.75m，对非自重湿陷性黄土地区，采用重锤表面夯实的效果明显。 3．质量控制重锤夯实地基质量控制可参考7-1-2-2强夯地基一节。7-1-2-2强夯地基强夯法是用起重机械（起重机或起重机配三角架、龙门架）将大吨位（一般8~30t）夯锤起吊到6~30m高度后，自由落下，给地基土以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和很大的冲击应力，迫使土层孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土料重新排列，经时效压密达到固结，从而提高地基承载力，降低其压缩性的一种有效的地基加固方法，也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理方法之一。1．加固机理及特点强夯法是在极短的时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量，使得土体发生一系列的物理变化，如土体结构的破坏或液化、排水固结压密以及触变恢复等。其作用结果使得一定范围内地基强度提高，孔隙挤密并消除湿陷性。强夯过程对地基状态的影响如图7-5所示，强度提高明显的区段是II区，压密区的深度即为加固深度。图7-5强夯加固地基模式I-膨胀区；II-加固区；III-影响区；IV-无影响区pL-地基极限强度；pr-地基屈服强度 强夯法加固特点是：使用工地常备简单设备；施工工艺、操作简单；适用土质范围广；加固效果显著，可取得较高的承载力，一般地基强度可提高2~5倍；变形沉降量小，压缩性可降低2~10倍，加固影响深度可达6~10m；土粒结合紧密，有较高的结构强度；工效高，施工速度快（一套设备每月可加固5000~10000m2地基），较换土回填和桩基缩短工期一半；节省加固原材料；施工费用低，节省投资，比换土回填节省60%费用；与预制桩加固地基相比可节省投资50%~70%；与砂桩相比可节省投资40%~50%，同时耗用劳动力少和现场施工文明等。2．适用范围适于加固碎石土、砂土、低饱和度粉土、粘性土、湿陷性黄土、高填土、杂填土以及“围海造地”地基、工业废渣、垃圾地基等的处理；也可用于防止粉土及粉砂的液化，消除或降低大孔土的湿陷性等级；对于高饱和度淤泥、软粘土、泥炭、沼泽土，如采取一定技术措施也可采用，还可用于水下夯实。强夯不得用于不允许对工程周围建筑物和设备有一定振动影响的地基加固，必需时，应采取防振、隔振措施。3．机具设备（1）夯锤用钢板作外壳，内部焊接钢筋骨架后浇筑C30混凝土（图7-6），或用钢板作成组合成的夯锤（图7-7），以便于使用和运输。夯锤底面有圆形和方形两种，圆形不易旋转，定位方便，稳定性和重合性好，采用较广；锤底面积宜按土的性质和锤重确定，锤底静压力值可取25~40kPa；对于粗颗粒土（砂质土和碎石类土）选用较大值，一般锤底面积为3~4m2；对于细颗粒土（粘性土或淤泥质土）宜取较小值，锤底面积不宜小于6m2。一般10t夯锤底面积用4.5m2，15t夯锤用6m2较适宜。锤重一般为8、10、12、16、25t。夯锤中宜设1~4个直径250~300mm上下贯通的排气孔，以利空气迅速排走，减小起锤时，锤底与土面间形成真空产生的强吸附力和夯锤下落时的空气阻力，以保证夯击能的有效性。 图7-6混凝土夯锤（圆柱形重12t；方形重8t）1-30mm厚钢板底板；2-18mm厚钢板外壳；3-6×φ159mm钢管；4-水平钢筋网片φ16@200mm；5-钢筋骨架φ14@400mm；6-φ50mm吊环；7-C30混凝土图7-7装配式钢夯锤（可组合成6、8、10、12t）1-50mm厚钢板底盘；2-15mm厚钢板外壳；3-30mm厚钢板顶板；4-中间块（50mm厚钢板）；5-φ50mm吊环；6-φ200mm排气孔；7-M48mm螺栓 （2）起重设备由于履带式起重机重心低，稳定性好，行走方便，多使用起重量为15、20、25、30、50t的履带式起重机（带摩擦离合器）（图7-8）。图7-8用履带式起重机强夯1-夯锤；2-自动脱钩装置；3=起重臂杆；4-拉绳；5-锚绳；6-废轮胎（3）脱钩装置采用履带式起重机作强夯起重设备，国内目前使用较多的是通过动滑轮组用脱钩装置来起落夯锤。脱钩装置要求有足够的强度，使用灵活，脱钩快速、安全。常用的工地自制自动脱钩器由吊环、耳板、销环、吊钩等组成（图7-9），系由钢板焊接制成。拉绳一端固定在销柄上，另一端穿过转向滑轮，固定在悬臂杆底部横轴上，当夯锤起吊到要求高度，升钩拉绳随即拉开销柄，脱钩装置开启，夯锤便自动脱钩下落，同时可控制每次夯击落距一致，可自动复位，使用灵活方便，也较安全可靠。 图7-9强夯自动脱钩器1-吊环；2-耳板；3-销环轴辊；4-销柄；5-拉绳（4）锚系设备当用起重机起吊夯锤时，为防止夯锤突然脱钩使起重臂后倾和减小对臂杆的振动，应用T1-100型推土机一台设在起重机的前方作地锚（图7-8），在起重机臂杆的顶部与推土机之间用两根钢丝绳连系锚旋。钢丝绳与地面的夹角不大于30°，推土机还可用于夯完后作表土推平、压实等辅助性工作。当用起重三角架、龙门架或起重机加辅助桅杆起吊夯锤时，则不用设锚系设备。4．施工技术参数（1）锤重与落距锤重M（t）与落距h（m）是影响夯击能和加固深度的重要因素，它直接决定每一击的夯击能量。锤重一般不宜小于8t，常用的为10、12、17、18、25t。落距一般不小于6m，多采用8、10、12、13、15、17、18、20、25m等几种。（2）单位夯击能锤重M与落距h的乘积称为夯击能E（＝M×h）。强夯的单位夯击能（指单位面积上所施加的总夯击能），应根据地基土类别、结构类型、载荷大小和要求处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。在一般情况下，对于粗颗粒土可取1000~3000kN·m/m2；细颗粒土可取1500~4000kN·m/m2 。夯击能过小，加固效果差；夯击能过大，不仅浪费能源，相应也增加费用（图7-10），而且，对饱和粘性土还会破坏土体，形成橡皮土，降低强度。从国内强夯施工现状来看，选用单击夯击能以不超过3000kN·m较为经济。图7-10单击夯击能与有效加固深度的关系1-碎石土、砂土等；2-粉土、粘性土、湿陷性黄土（3）夯击点布置及间距夯击点布置应根据基础的形式和加固要求而定。对大面积地基，一般采用等边三角形、等腰三角形或正方形（图7-11）；对条形基础，夯点可成行布置；对独立柱基础，可按柱网设置采取单点或成组布置，在基础下面必须布置夯点。 图7-11夯点布置（a）梅花形布置；（b）方形布置夯击点间距取决于基础布置、加固土层厚度和土质等条件。加固土层厚、土质差、透水性弱、含水率高的粘性土，夯点间距宜大，如果夯击点太密，相邻夯击点的加固效应将在浅处叠加而形成硬壳层，影响夯击能向深部传递；加固土层薄、透水性强、含水量低的砂质土，间距宜小些，通常夯击点间距取夯锤直径的3倍，一般第一遍夯击点间距为5~9m，以便夯击能向深部传递，以后各遍夯击点可与第一遍相同，也可适当减小。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。（4）单点的夯击数与夯击遍数单点夯击数指单个夯点一次连续夯击次数。夯击遍数指以一定的连续击数，对整个场地的一批点，完成一个夯击过程叫一遍，单点的夯击遍数加满夯的夯击遍数为整个场地的夯击遍数。单点夯击数应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，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，当单击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。每夯击点之夯击数一般为3~10击。 夯击遍数应根据地基土的性质确定，一般情况下，可采用2~3遍，最后再以低能量（为前几遍能量的1/4~1/5，锤击数为2~4击）满夯一遍，以加固前几遍之间的松土和被振松的表土层。为达到减少夯击遍数的目的，应根据地基土的性质适当加大每遍的夯击能，亦即增加每夯点的夯击次数或适当缩小夯点间距，以便在减少夯击遍数的情况下能获得相同的夯击效果。（5）两遍间隔时间两遍夯击之间应有一定的时间间隔，以利于土中超静孔隙水压力的消散，待地基土稳定后再夯下遍，一般两遍之间间隔1~4周。对渗透性较差的粘性土不少于3~4周；若无地下水或地下水在-5m以下，或为含水量较低的碎石类土，或透水性强的砂性土，可采取只间隔1~2d，或在前一遍夯完后，将土推平，接着随即连续夯击，而不需要间歇。（6）处理范围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设计处理深度的1/2~2/3，并且不小于3m。（7）加固影响深度强夯法的有效加固深度H（m）与强夯工艺有密切关系，法国梅那（Menard）氏曾提出以下公式估算：（7-6）式中M——夯锤重（t）；h——落距（m）。经国内外大量试验研究和工程实测资料表明，采用梅那公式估算有效加固深度将会得到偏大的结果，实际影响有效加固深度的因素很多，除锤重和落距外，与地基土性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位以及强夯工艺参数（如夯击次数、锤底单位压力等）都有着密切关系，因此国内经大量实测统计分析，建议采用以下修正公式估算，比较接近实际情况：（7-7）式中M——夯锤重力（kN）； h——落距（锤底至起夯面距离）（m）；K——折减系数，与土质、能级、锤型、锤底面积、工艺选择等多种因素有关，一般粘性土取0.5；砂性土取0.7；黄土取0.35~0.50。5．准备工作（1）熟悉施工图纸，理解设计意图，掌握各项参数，现场实地考察，定位放线。（2）制定施工方案和确定强夯参数。（3）选择检验区作强夯试验。（4）场地整平，修筑机械设备进出场道路，使有足够的净空高度、宽度、路面强度和转弯半径。填土区应清除表层腐殖土、草根等。场地整平挖方时，应在强夯范围预留夯沉量需要的土厚。6．施工程序强夯施工程序为：清理、平整场地→标出第一遍夯点位置、测量场地高程→起重机就位、夯锤对准夯点位置→测量夯前锤顶高程→将夯锤吊到预定高度脱钩自由下落进行夯击，测量锤顶高程→往复夯击，按规定夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击→重复以上工序，完成第一遍全部夯点的夯击→用推土机将夯坑填平，测量场地高程→在规定的间隔时间后，按上述程序逐次完成全部夯击遍数→用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。7．施工工艺方法要点（1）做好强夯地基的地质勘察，对不均匀土层适当增多钻孔和原位测试工作，掌握土质情况，作为制定强夯方案和对比夯前、夯后加固效果之用。必要时进行现场试验性强夯，确定强夯施工的各项参数。同时应查明强夯范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及标高，并采取必要的防护措施，以免因强夯施工而造成损坏。（2）强夯前应平整场地，周围作好排水沟，按夯点布置测量放线确定夯位。地下水位较高时，应在表面铺0.5~2.0m中（粗）砂或砂砾石、碎石垫层，以防设备下陷和便于消散强夯产生的孔隙水压，或采取降低地下水位后再强夯。（ 3）强夯应分段进行，顺序从边缘夯向中央（图7-12）。对厂房柱基亦可一排一排夯，起重机直线行驶，从一边向另一边进行，每夯完一遍，用推土机整平场地，放线定位即可接着进行下一遍夯击。强夯法的加固顺序是：先深后浅，即先加固深层土，再加固中层土，最后加固表层土。最后一遍夯完后，再以低能量满夯一遍，如有条件以采用小夯锤夯击为佳。图7-12强夯顺序（4）回填土应控制含水量在最优含水量范围内，如低于最优含水量，可钻孔灌水或洒水浸渗。（5）夯击时应按试验和设计确定的强夯参数进行，落锤应保持平稳，夯位应准确，夯击坑内积水应及时排除。坑底上含水量过大时，可铺砂石后再进行夯击。在每一遍夯击之后，要用新土或周围的土将夯击坑填平，再进行下一遍夯击。强夯后，基坑应及时修整，浇筑混凝土垫层封闭。（6）对于高饱和度的粉土、粘性土和新饱和填土，进行强夯时，很难以控制最后两击的平均夯沉量在规定的范围内，可采取：1）适当将夯击能量降低；2）将夯沉量差适当加大；3）填土采取将原土上的淤泥清除，挖纵横盲沟，以排除土内的水分，同时在原土上铺50cm的砂石混合料，以保证强夯时土内的水分排除，在夯坑内回填块石、碎石或矿渣等粗颗粒材料，进行强夯置换等措施。通过强夯将坑底软土向四周挤出，使在夯点下形成块（碎）石墩，并与四周软土构成复合地基，一般可取得明显的加固效果。（7）雨季填土区强夯，应在场地四周设排水沟、截洪沟，防止雨水流入场内；填土应使中间稍高；土料含水率应符合要求；认真分层回填，分层推平、碾压，并使表面保持1%~2%的排水坡度；当班填土当班推平压实；雨后抓紧排除积水，推掉表面稀泥和软土，再碾压；夯后夯坑立即推平、压实，使高于四周。（8）冬期施工应清除地表的冻土层再强夯，夯击次数要适当增加，如有硬壳层，要适当增加夯次或提高夯击功能。 （9）做好施工过程中的监测和记录工作，包括检查夯锤重和落距，对夯点放线进行复核，检查夯坑位置，按要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量等，并对各项参数及施工情况进行详细记录，作为质量控制的根据。8．质量控制（1）施工前应检查夯锤重量、尺寸、落锤控制手段、排水设施及被夯地基的土质。（2）施工中应检查落距、夯击遍数、夯点位置、夯击范围。（3）施工结束后，检查被夯地基的强度并进行承载力检验。检查点数，每一独立基础至少有一点，基槽每20延米有一点，整片地基50~100m2取一点。强夯后的土体强度随间歇时间的增加而增加，检验强夯效果的测试工作，宜在强夯之后1~4周进行，而不宜在强夯结束后立即进行测试工作，否则测得的强度偏低。（4）强夯地基质量检验标准如表7-9所示。强夯地基质量检验标准表7-9项序检查项目允许偏差或允许值检查方法单位数值主控项目1地基强度设计要求按规定方法2地基承载力设计要求按规定方法一般项目1夯锤落距mm±300钢索设标志2锤重kg±100称重3夯击遍数及顺序设计要求计数法4夯点间距mm±500用钢尺量5夯击范围（超出基础范围距离）设计要求用钢尺量6前后两遍间歇时间设计要求'