强夯法施工技术Word格式文档下载.docx
《强夯法施工技术Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《强夯法施工技术Word格式文档下载.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
1.1问题的提出
80年代以来，随着我国经济的发展，工程建设的数量与规模发展迅速，地基基础的施工技术和组织管理水平有了较大的提高。
但是工程实践中发生的各类地基基础问题及工程事故也不断增多，由于地基基础造价要占到全部建筑造价的1/5，甚至1/3。
这些地基基础问题不仅严重影响工程的质量和进度，而且造成较大的经济损失，同时补救起来也是一件非常困难的事情。
[1]“万丈高楼平地起”，地基的好坏是建筑工程安全性和耐久性得以保证的基础，为此开展地基基础方面的研究，努力作好地基工程的施工质量，对于工程建设具有重要的意义。
我国土地辽阔、幅员广大，自然地理环境不同，土质各异，地基的区域性强，这使得地基基础这门学科具有较大的差异性和复杂性。
随着我国国民经济建设的迅猛发展，城市建设不断拓宽，由于客观条件的限制，在进行工程建设过程中，不仅事先要选择地质条件良好的场地，而且有时也不得不在条件不好的地段进行建设，为此在地基工程施工中，当承载力和变形不能满足设计要求时，就需要对天然的不良地基进行处理或加固。
不良地基的主要表现在于:
土层软弱，承载力小，刚度小，压缩性大，湿陷性及胀缩性等。
此外还表现有含水量大、土层不均、受冻胀、有孔洞等因素。
这些不良表现对工程建设产生极大的危害，是引起地基基础问题和事故发生的根本原因。
这种由于不良地基造成的工程事故，直接影响到上部建筑物的安全性、耐久性、正常使用和工程造价。
地基加固的目的就是针对不良地基的各种表现进行人工处理，采取切实有效的措施改善地基的不良特性，以适应工程建设对地基的需要。
具体来说，其主要工作可概括为以下几个方面[2]:
1、提高软弱地基的强度、增加其稳定性;
2、减小不良地基的压缩性、减少基础的沉降尤其是不均匀沉降;
3、改善地基的渗透性、减少其渗漏或加强其渗透稳定:
4、改善地基的动力特性、提高其抗振性能，防止地基受到振动作用时产生液化现象;
5、消除湿陷性土的湿陷性和胀缩性土的胀缩性等。
这些地基处理方法的作用机理不同，且在不断发展中，每一种地基处理方法都有其各自的使用范围和一定的局限性。
有时为了综合各种地基处理方法的优点，需要在一个工程中综合运用多种地基处理方法，这些地基处理方法就构成了复合地基处理。
复合地基处理可以综合单种地基处理的优点，消除其不足之处，取得良好的加固效果，从而扩大工程建设选址的范围，获得良好的经济效益。
强夯法和深层搅拌桩法是目前沿海地区应用相对比较广泛的地基加固方法，深入研究两种施工方法的特点，为工程建设选择适应的施工方法是地基处理施工的理论基础。
也正是在此基础上，作者选择地基处理中强夯法和搅拌桩地基加固方法作为工程硕士论文的研究主题，通过对强夯法和搅拌桩地基处理技术加固机理、施工方法和工程实施效果的分析，结合具体工程项目，从而提出一套合理有效的强夯与搅拌桩复合地基处理技术工艺，为相关工程建设提供应用基础。
1.2研究内容、目标及方法
地基处理是地基基础工程的重要组成部分，也是施工中常遇到的技术课题。
从20世纪90年代以来，这两个方面都取得了巨大的进步，己初步形成系列的适合于各种不同地质和施工条件、不同使用要求的施工方法。
1991年制定了《建筑地基处理技术规范》（JGJ79一91），1998年进行了修订;
2002年又制定颁发了《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB5O202一2002），在该规范中明确了15种有效的地基处理技术，这些技术对加快建设速度、节省三材和工程投资起了很大作用[3]。
强夯法处理地基由法国的梅那（L.Menard）于1969年首先用于处理滨海填土取得成功，经过约三十年的发展和应用，强夯已适用于房屋建筑、桥涵、道路港口、码头、机场和大型设备基础等工程。
深层搅拌法是利用水泥或水泥砂浆作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理一化学反映，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基，从而提高地基的强度和增大变形模量，是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法
一般来说，强夯方法是由夯实机械夯击地表，从地表向下传递夯击能，其加固效果对于地表一定深度范围内有较大的作用，但对于深层地基，由于夯击能的传递衰减，其加固效果作用有限。
而深层搅拌法能下降到较深的地表下面，可以对深层的软弱地基土进行搅拌加固，从而大大加大了地基加固的范围。
为此，将强夯加固和深层搅拌法结合起来，形成强夯一深层搅拌加固技术，可以充分发挥强夯和深层搅拌两种加固技术的优点，拓展加固范围和深度，在工程建设中取得较好的经济和技术效益。
本文采用理论和实证相结合的研究方法，论文研究结合工程硕士论文的要求，以工程实践为基础，理论联系实际，并结合实验内容，最终形成一套完整的强夯一深层搅拌复合加固技术工艺，达到论文研究的目标。
2.强夯法地基加固机理及施工工艺
强夯与搅拌桩复合加固方法是建立在强夯法和深层水泥土搅拌法地基加固技术的基础上的，通过分别对强夯法和深层水泥土搅拌法地基加固技术的详细研究和论述，可以建立起强夯法和深层搅拌桩复合加固方法的工作机理和实施理论基础，充分说明强夯法与深层搅拌桩复合加固方法的技术特点。
2.1强夯法的发展状况及技术经济特点
强夯法处理地基（DynalnicComPaction）首先是在法国用来处理填土、饱和砂土、冲积土以及大量的软土地基的一种方法。
1969年由法国LouisMenard技术公司首创。
这种方法是使用吊升设备吊升很重的锤（一般为8~40t）至较大高度（一般为8~40m）后，便其自由落下，产生巨大的冲击能量（一般为1100~4000KJ，最大可达8000KJ）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，改善地基的受力性能，
强夯法的第一个应用工程是处理滨海填土地基[3]，该场地表层为新近填筑的厚度约9m的碎石填土，其下是12m厚的疏松砂质粉土，场地上要建20栋8层住宅楼，由于碎石是新近堆积的，如采用桩基，负磨擦阻力很大，将占单桩承载力的60%~70%，很不经济。
若用堆载预压法处理地基，堆载历时3个月，堆载高度为5m，只沉降200mm，加固效果不理想。
用强夯法施工，锤重80kN，落距10m，单击夯击能800kJ，单位夯击能1200kN/m，仅夯击一遍，整个场地的平均沉降量就达500mm。
8层建筑基础设计采用基底应力300kPa。
建造的楼房竣工后，其平均沉降量仅为13mm。
通过在多种工程中的实践证明，夯实后的土体力学性能得到了很好的改善，这也是采用强夯法加固地基的主要功效。
继滨海工程以后，强夯法相继在英、美、日本、联邦德国、加拿大、荷兰等二十几个国家三百多项工程中获得了广泛应用，现在全世界许多国家都普遍推广使用。
我国是1978年9月引进这项技术，1979年初首先在塘沽进行强夯法加固粘土地基的试验研究。
1979年6月分别在河北省廊坊与山西省阳泉，对轻亚粘土、粉细砂土地基与黄土质砂粘土天然地基进行了处理。
这是我国采用强夯法处理地基最早的两项工程。
强夯法应用初期，仅用于加固砂土、碎石土地基。
经过几十年的发展，它己适用于加固从砾石到粘性土的各类地基土。
在我国常用来处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土、粘性土、杂填土、素填土、湿陷性黄土等各类地基，这主要是由于施工方法的改进和排水的改善。
它不仅能提高地基的承载力，降低其压缩性，同时还能改善地基抵抗振动液化的能力和消除湿陷性黄土的湿陷性。
用强夯法加固后地基的压缩性可降低200~1000%，而强度可提高200~500%（有的文献介绍，枯土可提高100~300%，粉质砂土可提高400%，砂和泥炭土可提高200~400%）。
为处理软土地基，还发展了预设的袋装砂井或纸板排水的强夯法、夯扩桩加填渣强夯法、强夯填渣挤淤法、碎石桩强夯法等。
对饱和土地基加固效果的好坏，关键在于排水，如饱和砂土地基，渗透性好，超孔隙水压力容易消散，夯后固结快。
对于饱和的粘土或淤泥质上，由于渗透性差，上体内的水排除困难，加固效果就比较差，必须慎重对待。
强夯法具有设备简单、施工速度快、不添加特殊材料、造价低、适应处理的土质类别多等特点，在地基处理工程中得到广泛应用。
我国从1978年引人强夯法后，经过几年的发展，现己广泛应用于工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路、铁路路基、飞机场跑道、码头以及大型设备基础等地基处理工程中[32]。
根据多项工程的分析，强夯法与其它方法相比，其造价低的特点是非常明显的，因此采用强夯法施工，在经济上具有较大的优越性。
强夯法与机械夯实、爆炸夯实等比较还有以下特点：
（1）平均每一次的夯击能比普通夯击能大得多；
（2）以往的重锤夯实方法，能量不大，仅使地表夯实紧密，但能量不能向深处传递，其结果仅限于表层加固，而强夯法能按我们的预计效果进行控制施工,可根据地基的加固要求来确定夯击点间距及夯击方式，依次按需要加固的深度进行改良，使地基一定深度范围内得到加固。
（3）在施工中，必要时可以分几遍进行夯击；
（4）地基经过强夯加固后，能消除不均匀沉降现象，这是任何天然地基所不能达到的。
基于这些特点，强夯法最适宜的施工条件为：
（l）处理深度最好不超过7m（特殊情况除外）；
（2）对于饱和软土，地表面应铺一层较厚的砾石、砂土等优质填料；
（3）地下水位离地表面下2~3m为宜；
（4）夯击对象最好为粗颗粒土组成。
2.2强夯法加固机理分析
尽管强夯法已经得到普遍推广与应用，但对其机理仍在研究之中。
国内外学者从不同的角度对其加固机理进行了大量的研究，但是由于各类地基的性质差别极大，强夯影响的因素也很多，很难建立适应于各类土的强夯加固理论，所以目前还没有取得一致的意见。
过去的分析方法只限于动力固结试验，即在试验室内用固结仪作动力载荷试验。
目前通过实践，对强夯机理有了进一步发展，其中有运用经典土力学理论、现场测试与室内模拟试验相结合，并借助电子计算机与计算数学等现代计算技术建立多相介质的动力固结理论。
还有用波动理论去研究强夯法机理等等。
总之，各种研究方法和途径的目的是为了建立一套简便、可靠的确定强夯参数的设计计算方法。
从土体本身来说，土的类型（包括饱和土、非饱和土、砂性土、粘性土）以及土的结构（颗粒大小、形状、级配、絮状结构、聚粒结构）、构造（层理等）、密实度、抗剪强度、渗透性、压缩性、强度等均会影响加固效果。
从土体外部来说，单点夯击能（锤重、落距）、单位面积夯击能、锤底形状和面积、夯点布置、夯击次数、夯击遍数、两遍夯击之间的间歇时间以及强夯置换的填料，砂井的作用也会影响加固效果。
可以看出由于地基类型和加固特点不同，其加固机理也有所不同。
所以强夯机理应从宏观和微观机理上加以分析，其次还应对饱和土和非饱和土加以区别。
另外，粘性土、砂类土以及强夯置换的加固机理也应分别加以考虑。
就强夯的功能来看，作者认为强夯的基本原理是:
土层在巨大的强夯冲击能作用下，土中产生很大的应力和冲击波，致使土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围一定深度范围内产生裂隙，并形成良好的排水通道，使土中的孔隙水（气）顺利溢出，土体迅速固结，从而降低此深度范围内土的压缩性，提高地基承载力。
总的说，强夯加固地基的机理与重锤夯实法有着本质的不同。
强夯主要是将机械能转化为势能，再由势能转化为夯击能（即动能），在地基中产生强大的动应力和冲击波，对土体产生加固作用。
这种作用可概括为加密作用、液化作用、固结作用和时效作用。
（1）加密作用:
土体中大多含有以微气泡形式出现的气体，其含量约为1~4%。
强夯时的强大夯击能使气体压缩、孔隙水压力升高，随后在气体膨胀、孔隙水排出的同时，孔隙水压力减小。
这样，每夯一遍，液体和气体的体积都有所减少，土体便得到加密。
根据试验，每夯击一遍气体体积可减少40%。
（2）液化作用:
在巨大的冲击应力作用下，土中孔隙水压力迅速提高，当孔隙水压力上升到与覆盖压力相等时，土体即产生液化，土的强度丧失，土粒可进行自由排列。
应当指出，强夯时所出现的液化，只是土体的局部液化。
（3）固结作用:
当强夯在地基中所产生的超孔隙水压力大于土粒间的侧向压力时，土粒间便会出现裂隙，形成排水通道。
此时，土的渗透性改变，渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出，加速了土的固结。
当孔隙水压力消散到小于土粒间的侧向压力时，排水的裂隙即自行闭合，土中水的运动又重新恢复常态。
应当指出，有规则布置夯点可在夯坑四周产生有规则的垂直裂隙，促进土的固结:
而无规则的紊乱夯击，则可破坏这些天然排水通道的连续性。
（4）时效作用:
随着时间的推移，孔隙水压力的消散，土颗粒又重新组合紧密接触，自由水也重新被土颗粒吸附而变成吸附水，上的强度便逐渐恢复。
这种触变强度的恢复，称为时间效应，其作用叫做时效作用（或触变恢复作用）。
土在触变恢复期间的变形是很小的（约为1%以下），但延续时间却较长，有可能延续至几个月。
因此，强夯后质量检验的勘探或测试工作，至少宜在强夯施工一个月后再进行，不然得出的指标会偏小。
强夯法加固地基因土的性质不同其作用机理有所差别，其中饱和土和非饱和土的作用机理有所不同，相应其设计和施工方法也不同，论文将分别对其进行必要的论述。
2.2.1饱和土的加固机理
饱和土是二相土，土体由固体颗粒和液体（通常为孔隙水）组成。
传统的饱和固结理论为Terzaghi固结理论:
假定水和土粒本身是不可压缩的，因为水的压缩系数很小，仅为5
10—4Mpa—1，土粒本身的压缩系数更小，为6x10--SMpa一’，而土体的压缩系数通常为1一0.05Mp_犷，各相差100一1000倍。
当压力为100一600KPa时，土颗料的体积变化不足土体体积变化的1/400，故可忽略土料和水的压缩，认为固结就是孔隙体积缩小和孔隙水的排出。
因此，饱和粘性土在瞬时荷载作用下，由于渗透性低，孔隙水无法在瞬时间排除，因而被看作是不可压缩体，故土体积不变而只发生侧向变形，因此夯击时饱和土造成侧面隆起，重夯时形成“橡皮土”。
强夯时则不同，梅那（LMenard）根据饱和粘土经受强夯于瞬间产生数十厘米沉降的现象，提出了一个新的模型来解释，这种理论称为动力固结理论。
Menard1974年根据饱和土经强夯后瞬时产生数十厘米沉降这一事实，认为饱和土并非二相土，二相土的液体中存在一些封闭气泡，约占土体总体积的1%~3%，在夯击时，这部分气体可压缩，由此可以认为饱和土是可压缩的。
动力固结理论与传统的Terzaghi静力固结模型比较，有很多不同点，表2.2。
表2.2两种模型对比
静力固结模型型动力固结模型型
动力固结理论认为:
在强夯作用下，气体体积缩小的压力增量与孔隙水压力增量一致。
因此，冲击使土结构破坏，土体积缩小，液体中气泡被压缩，孔隙水压力增加，孔隙水渗流排出，水压减小，气泡膨胀，土体又可以二次夯击压缩。
夯击使土结构破坏，孔压增加，这时土体产生液化和触变，孔压消散，触变恢复，强度增加。
若一遍压密过小，则土结构破坏丧失的强度大，触变恢复增加的强度小，则夯后承载力反而减小。
但是，若夯击第二遍，土进一步压密，则触变恢复增加的强度大，依次增加遍数可获得预想的加固效果。
2.3强夯法加固地基设计[33]
强夯法加固地基的设计方法和步骤，主要有四点:
（l）首先查明场地地质情况（用钻探或原位测试方法）和周围环境影响，以及工程规模的大小及重要性;
（2）根据己经查明的资料进行分析整理，确定加固用途及需要满足承载力和消除不均匀变形等要求。
根据这些要求初步计算夯击能量，确定加固深度，然后选择必要的锤重、落距、夯间距、夯击次数等;
（3）根据己经确定的施工参数，制定施工计划，进行强夯布点设计及施工要求的说明;
（4）强夯施工前要进行试夯，并要进行加固效果的检验测试（旁压仪、静力触探、标贯、十字板剪切试验和波速等原位测试以及钻探取土样试验等），通过对加固效果测试资料的分析，确定是否需要修改原强夯设计方案。
强夯法加固的主要参数有:
加固深度及其范围、单位面积夯击能、夯击次数、夯点间距、布置以及夯击遍数和间隙时间等。
（l）加固深度及范围的确定
加固深度（从起夯面算起）:
系指经强夯加固的地基，土的物理力学特性指标己达到或超过设计值的深度。
强夯法的有效加固深度即是反映处理效果的重要参数，又是选择地基处理方案的重要依据。
强夯法创始人Menard根据主要影响因素—强夯单点夯击能，提出影响深度H，可用下式表示:
强夯法引入我国后，在大量的试验研究和工程实测中发现，采用上式估算有效加固深度得出的值与工程实践不符。
另外，在Menard公式中，影响深度的除锤重和落距外，地基土性质、不同土层的厚度、埋藏顺序、地下水位以及其它强夯参数，如夯击次数、锤底单位压力等均与加固深度有着密切关系。
2.4强夯法施工工艺
2.4.1施工机具
（l）夯锤
夯锤有钢锤的，也有以钢板为壳内填砂或浇灌混凝土的，我国使用钢筋混凝土锤较多，锤的形式及尺寸应与表层土的性质相适应。
目前有圆底、方底不同的夯锤十多种，对不同土质采取不同的锤，也有为了运输方便而做成大吨位装配式铸钢夯锤的。
一般说来，对砂类土、素填上和杂填上应采用底面积小于4m2较合适，而对于淤泥质粘上、软土和冲填土却要求至少为6m2。
目前，我国大都以12~20mm厚钢板为底，以8~14mm厚钢板为周，内加3~4层中12一中16@300方格钢筋网，并与四周钢板焊牢，内浇C30以上混凝土制作而成[36]。
为了克服锤提升时土与锤之间的强大吸附力，避免增加起重机的负荷能力，一般在锤底均设有3~4个排气孔。
目前，我国选用的锤，由于国产吊车起重能力限制，大都均在8~10t左右，个别工程由于采用进口大吨位吊车，锤重可采用大于10t。
目前国内最大锤重已经达到25t。
（2）起重设备
施工时使用的起重机，大都为履带式起重机，国外所用大都是大吨位吊车，通常在80t以上。
国外使用大吨位吊车的理由是由于采用单缆绳打击法的缘故，我国目前一般施工单位还缺乏大吨位吊车，因而采用了自动脱钩装置。
这样能使用小吨位吊车达到起重较重（一般10t）的效果。
根据我国具体情况和实践经验表明，在采用强夯法加固地基时，最低限度必须具备15t以上履带式或16t轮胎式起重机。
此外，我国不少地区还对15t履带式起重机进行改装，如在吊杆前面增加一付龙门支撑，或由二台15t履带式吊车组成“双机组合吊机”进行强夯，都可以达到增大落距，加大夯击能的效果。
国外除使用现成的履带式起重机之外，还制作了专用轮胎式起重机或专用三脚起重架。
2.4.2施工方法
正式施工前，首先应根据强夯设计的要求对地基进行勘察，其次在有条件的情况下，可通过室内动力固结试验测得土的性质指标。
如无条件，可通过现场实验性施工，用以确定强夯施工诸参数。
对于地下水位在—2m以下的砂砾石地层和对于地下水位较深的填土地基，可以不铺砂直接施行强夯。
而对于地下水位较高的饱和粘性土与易于液化流动的饱和砂质土，则需要先铺砂才能进行强夯，否则土会发生流动。
地表面铺砂后形成硬层，一是为了能支承起重设备，并便于夯击能的扩散，二是为了加大地下水与地表面的距离。
预铺砂的厚度一般为0.5一2.0m左右，例如在天津塘沽软土地基上进行强夯时，在第一试验区内预铺了1.0m厚的砂土（下面20cm为砂，上面80cm为砂土），在第二试验区内则减少为50cm，而阳泉白羊墅车辆段工程，则在回填12m厚黄土质砂粘土面上直接进行强夯[37]。
为了使深层土得到加密，一般强夯施工时，夯点布置都是间隔设置，在一遍夯击之后，用新土或周围的土将夯击坑填平，再进行下一遍夯击（下一遍的夯击点往往布置在上一遍夯击点的中间）。
强夯之后，一般地下水上升，夯击坑内将有裂隙水出现，则宜设法将其排除，特别是在严寒季节更要防止其结冰。
将坑内积水排出，可以加快土中水的排出速度，在某些情况下（地表面有饱和粘土），可以设置水平排水管进行排水，其做法是开挖2~3m深的沟槽，沟底埋设带孔的塑料管，上面填满砂砾石。
对于目前强夯法加固地基来说，现场的测试工作几乎成为施工中一个重要组成部分。
在地基中，于不同深度埋设孔隙水压力传感器，用以测定各施工阶段孔隙水压力的变化情况，这样在施行强夯时就可以进行监督。
如果发现孔隙水压力上升到与土体自重应力相等的最大值，即可停止夯击，因为土颗粒己不可能再紧密了，在一遍夯击结束之后，也可用以了解孔隙水压力的消散情况，从而确定最佳的间隙时间，开始下一遍夯击[38]。
在现场对夯击坑的体积与上体的隆起体积进行测定也是十分必要的，尤其在软土地基上进行强夯更为重要，夯击坑体积减去上体隆起体积即得夯击所减少的体积，力‘即所谓有效夯实体积，即得平均沉降量。
夯击能过小，平均沉降量很小，加固效果不理想，夯击能过大，地基土产生流动，隆起体积增大，平均沉降量也不大。
2.4.3安全施工注意事项
（1）强夯施工的夯锤系自动脱钩，施工现场必须高度集中，统一指挥，不得有任何混乱，整个现场由起重指挥全面负责。
（2）吊车司机、推土机司机都要专心听从起重指挥的号令，不得盲动，夯锤起吊后，绝对禁止任何人从吊杆下方通过。
（3）吊车司机要严格遵守安全操作规程，当夯锤上升快到自动脱钩高度脱钩时，吊车必须停止卷扬。
（4）夯锤升起如超过了脱钩
升级会员 