强夯法地基处理设计及夯后检测全集

强夯法地基处理设计及夯后检测全集

本文转自“强夯网”

原始作者为：水伟厚，  詹金林，何立军

     

     一  ：强夯法地基处理设计及夯后检测相关内容的引入

　　

目前,强夯法地基处理设计包括强夯法设计和强夯置换法设计,在进行具体方法设计前,应综合考虑场地地层条件和软弱层情况、上部荷载大小、对承载力和变形的要求、是一次处理到位还是预处理后还需做桩基等,选择合适的施工工艺。强夯法主要适用于碎石土、砂土、低饱和性的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软塑～流塑的粘性土等地基上对变形控制要求不严的工程。强夯置换大致有两种,一种是夯点有一定的间距时,置换体规则分布在被置换土中,置换后,置换体用作建筑桩基或形成置换体与桩间土的复合地基,这种方式称作单点置换或点夯筑桩(淤泥类土中称桩式挤淤) 。另一种是在加固面积或加固宽度较小而置换点密集时,在一定范围内置换体连成一体,形成一层相对完整的由置换材料组成的垫层,与被置换土层或下伏土层在局部形成层状地层,此称整式置换(整式挤淤) 。上海地基处理规范还提出了降水联合低能级强夯针对软土地基处理的设计方法。

※                                            ※

选定了施工工艺后,依据软弱土层厚度确定强夯能级,根据规范及经验确定强夯主夯点间距,按照规范要求的强夯收锤标准进行试验性设计,通过试验夯判断单点夯击能是否合理,确定最佳单点夯击击数、主夯点间距等参数。

强夯法设计总体思路

强夯法地基处理可以有效消除沉降、提高地基承载力和均匀性、减小工后使用变形。因此强夯设计前应首先确定地基处理主要目的、用途,再结合各方面综合要求确定采用强夯还是强夯置换法后,根据具体工程地质条件和加固深度选择合适的锤型、能级、夯点间距、夯击遍数和技术间歇时间。并根据预测处理效果,反演各项变形指标是否满足上部设计要求。

        二 ：强夯法地基处理设计及夯后检测的具体设计参数：夯锤与施工机具选择，主夯能级与有效加固深度的确定，收锤标准、夯击击数与遍数。

夯锤与施工机具选择

一般常用夯锤直径在2.2 ～2.6m,锤重10～50t，锤底平整,不得为锁底形,锤身为柱形,不得使用梨形夯锤。异形锤一般直径为1.1～1.3m,锤底平整,锤身圆柱形,锤重15～45t。夯锤选择应满足方便运输、施工效率高、行动灵活等要求。

夯锤面积与有效加固深度关系密切, 根据研究,在能级为10000kN·m、夯锤半径为1.25m时的最大锤击应力比1.5m和1.75m夯锤半径时分别提高37.0%和76.0% ,为提高有效加固深度,可适当减小夯锤半径;高能级强夯时,重锤低落距有效加固深度和加固后地基的均匀性都优于轻锤高落距。

主夯能级与有效加固深度的确定

强夯能级的选用与需要的有效加固深度有密切关系,在选用时带有经验性。有效加固深度是地基经强夯加固后各项指标满足设计要求、加固效果显著的深度。目前强夯有效加固深度根据L. Menard公式进行估算:

式中: H———有效加固深度(m) ;

       M ———夯锤重( t) ;

       h———落距(m) 。

对于夯锤要求,规范规定采用质量为10～40t,底面形式宜采用圆形或多边形,锤底静接地压力值应可取25～40kPa,对于细颗粒土,锤底静接地压应力值宜取较小值。锤的底面宜成对设置若干个与其顶面贯通的排气孔,孔径取250～300mm。目前工程中用到的强夯锤重最大达到50t,接地压应力100kPa。

经过几十年的应用和发展,许多学者根据现场试验和工程实践,提出了采用L1Menard公式的修正形式:

式中: H———有效加固深度(m) ;

 M ———夯锤重( t) ;

 h———落距(m) ;

 α———小于1的修正系数。

国家行业标准JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》根据大量工程实测资料的归纳和工程经验的总结，将土类分成碎石土、砂土、粉土、粉质黏土、湿陷性黄土等细颗粒土两类，近年来，沿海和内陆高填土场地地基积累了一定实测资料，在工程实测资料的基础上，结合工程经验制定了下表：

在没有经验和对比参考资料的情况下按该表预估处理效果是可行的，待试夯后根据检测结果进一步调整施工参数。   

收锤标准、夯击击数与遍数

根据目前规范规定强夯收锤标准按最后两击平均夯沉量控制: 当单击夯击能E< 4="" 000="" kn="" ·m="" 时为50mm;当单击夯击能4="" 000="" kn·m≤e="">< 6="" 000="" kn·m时为100mm;="" 当单击夯击能6="" 000="" kn="">< 8="" 000kn·m时为150mm;当单击夯击能8=""><12>

夯坑周围不应发生过大的隆起;不因夯坑过深而发生提锤困难。总之,各夯击点的夯击数应使土体竖向压缩最大,而侧向位移最小为原则。

1)按夯实系数确定

这种方法是针对强夯过程中,地面隆起较大的情况。在进行单点夯试验时通过监测夯坑周围地面隆起量和夯沉量,计算有效夯实系数α,以便确定最佳夯击能量、最佳夯击锤数、夯点间距等设计参数。

式中: V1 ———夯坑下沉体积;

       V2 ———夯坑周围地面隆起体积。

2)按多点击数-夯沉量关系曲线确定

这种情况下通常是在多次夯击时,夯沉量在平均夯沉量附近波动而按规范平均夯沉量收锤标准时又不能收锤,可以根据多点夯击击数与夯沉量关系曲线确定最佳夯击击数。通过规定击数来调整收锤标准,其实质也是在调整平均夯沉量收锤标准。通过这种调整后,能够保证80%～90%夯点能够在规定击数下达到平均夯沉量的收锤标准,降低施工难度,也保证了施工质量。

3)超规范能级的夯沉量控制标准: 8000～12000kN·m能级按最后两击平均夯沉量25cm控制; 12000～16000kN·m能级按最后两击夯沉量30cm控制。

夯击遍数应根据地基土的性质确定。可采用点夯2～4遍,对于渗透性较差的细颗粒土,必要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能级满夯2遍。满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。

  三 ：强夯法地基处理设计及夯后检测的具体设计参数：夯点布置和夯点间距、超孔隙水压力消散与间隙时间、加固范围的确定。

夯点布置和夯点间距

夯点布置是否合理与夯实效果有直接的关系。夯点主要根据基底平面形状进行布置,有时也考虑土性条件和施工工艺:

1)对于大面积场地或基础面积较大的建(构)筑物地基,可按正方形插点法或等边三角形或圆形布置。

2)对于条形基础可采用点线插档法或等腰三角形布置。

3)对于工业厂房按柱网点夯法布置。

4)对砂性土和强夯挤淤可采用排夯法布点(夯印彼此搭接200 ～300mm) 。处理范围应大于建筑物基础范围,具体放大范围可根据建筑物类型和重要性等因素决定。对于一般建筑物,每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1 /3～1 /2,且不宜小于3m。

夯击点间距的确定，一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。规范规定，第一遍夯点间距一般取夯锤直径的2.5~3.5倍。对于细颗粒土，为便于超静孔隙水压力的消散，夯点间距不宜过小。当要求处理深度较大时、夯击能高时，第一遍的夯点间距更不宜过小，以免夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递。此外，若各夯点之间的距离太小，在夯击时上部土体易向侧向已夯成的夯坑中挤出，从而造成坑壁坍塌，夯锤歪斜或倾倒，而影响夯实效果。

超孔隙水压力消散与间歇时间

土中超静孔隙水压力的消散速率与土的类别、夯点间距等因素有关。由粗颗粒土组成的渗透性强的地基，夯击产生的超孔隙水压力瞬间即可消散，可连续夯击。而由细颗粒土组成的渗透性弱的地基，超孔隙水压力消散需要时间，即两遍夯击之间的间歇时间。所以间隔时间取决于超静孔隙水压力的消散时间。有条件时在试夯前埋设孔隙水压力传感器，通过试夯确定超静孔隙水压力的消散时间，从而决定两遍夯击之间的间隔时间。一般要求夯击所产生的超孔隙水压力消散达到70%以上的时间为间歇时间，渗透性差的黏性土地基间隔时间不应少于2~3周。

对砂性土,孔隙水压力的峰值出现在单点夯击完成后的瞬间,消散时间只有2～4min,故对于渗透性大的砂性土,两遍夯间的间歇时间很短,可连续夯击。对有效加固深度在地下水位以上时,对于含水量小于塑限的各种地基土,两遍强夯可连续施工，建议间歇2～3d,对含水量大于塑限的各类地基土应通过强夯试验孔压监测确定合理的间歇时间。对粘性土,由于孔隙水压力消散较慢,当夯击能逐渐增加时,孔隙水压力亦相应叠加,其超孔隙水压力的消散时间一般为3～4周,故对于渗透性较差的粘性土地基,间隔时间不应少于3～4周。目前国内有的工程对粘性土地基的现场埋设袋装砂井(塑料排水板或施工工程中进行真空强排水施工) ,以便加速超静孔隙水压力的消散,缩短间歇时间。有时合适的安排施工流水作业,也可实现两遍强夯的连续施工。

处理范围

由于基础的应力扩散作用和抗震设防需要，强夯处理范围应大于建筑物基础范围，具体放大范围可根据建筑结构类型和重要性等因素考虑确定。对于一般建筑物，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。对可液化地基，根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的规定，扩大范围应超过基础底面下处理深度的1/2，并不应小于5m；对湿陷性黄土地基，尚应符合现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025有关规定。

     四 ：强夯法地基处理设计及夯后检测中的强夯置换法设计

强夯置换墩的深度、填料要求

强夯置换墩的深度由土质条件确定,除厚层饱和粉土外,应穿透软土层,到达较硬土层上。墩体材料可选用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料,粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30%。

单击夯击能的确定

单击夯击能应根据现场试验确定,但在可行性研究和初步设计时可按下式估算:

较适宜的夯击能: E1= 940 ×(H - 211)

夯击能最低值: E2= 940 ×(H - 313)

式中: H———置换墩深度(m) 。

初选夯击能宜在E1 ～E2选取 。

夯锤、夯击次数

强夯置换锤直径宜为1.1～1.3m,锤底接地压应力值可取100～200kPa,对于同一夯击能宜选锤底静压应力较高的锤施工。

夯点的夯击次数应通过现场试夯确定,且满足下列条件: 

①墩底穿透软弱土层,且达到设计墩长; 

②累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍; 

③最后两击平均夯沉量应满足规范的规定。

墩位布置与墩间距

墩位布置一般采用等边三角形或正方形,对于独立基础或条形基础可根据基础形式与宽度相应布置。墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定,当满堂布置时可取夯锤直径的2～3倍;对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.5～2.0倍;墩的计算直径可取夯锤直径的1.1～1.2倍。当墩间距较大时,应适当提高上部结构和基础的刚度。强夯置换墩间距宜取6.0～8.0m。

强夯置换设计其他注意事项

强夯置换处理范围及试夯方案的确定同普通强夯法。检测项目除了现场载荷试验检测承载力和变形模量外,尚应采用超重型或重型动力触探等方法,检查置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化。地质雷达也可用来检测置换墩的深度、直径。条件许可时可在现场开挖,视觉上检查置换墩着底情况,置换墩形状、尺寸等。

墩顶应铺设一层厚度不小于50cm的压实垫层,垫层材料可与墩体相同,粒径不宜大于10cm。对软弱粘性土地基,只考虑墩体强度,不计墩间土的作用,其承载力特征值应通过现场单墩平板荷载试验确定。

    五：强夯法地基处理设计及夯后检测中的强夯施工影响因素分析

地层土含水量

现行规范规定，当场地表层土软弱或地下水位较高，宜采用人工降低地下水位或铺填一定厚度的砂石材料的施工措施。施工前，宜将地下水位降低至坑底面以下2m。施工时，坑内或场地积水应及时排除。对细颗粒土，尚应采取晾晒等措施降低含水量。当地基土的含水量低，影响处理效果时，宜采取增湿措施。

地层含水量对强夯影响很大,特别是在雨季工期紧的情况下特别明显。表现在强夯夯击次数增大,夯坑加深,收锤困难,施工效率低,强夯效果差,甚至经过检测夯后地层比夯前差。在这种情况下,可采用人工降排水,即在强夯施工邻近区域,通过开挖积水坑或积水井,采用潜水泵抽水,将地下水位降低至可能夯坑深度以下,再进行强夯施工。通过对比,有降排水情况下强夯击数减少20%～50%,强夯加固效果和效率明显改善。

新近填土对施工的影响

越来越多的大型项目,采用开山直接回填平整场地。由于回填到地基处理时间较短,当回填料较差、水位较高时,强夯施工就会出现锤击数较多,甚至在30～50击,且中间要不断回填土方,否则将无法继续施工。在这种情况下,可先采用低能级普夯一遍,然后再按相应能级进行强夯,这样不但可以加快施工速度,而且对提高施工效率有明显作用。采用好的填料也是加快施工进度的有效手段。

               六 ：强夯处理效果检测、总结

强夯地基处理效果的评价包括:强夯有效加固深度、地基承载力和地基变形特性、场地均匀性等。有效加固深度应从起夯面计算,并且有效加固深度内各项指标应有显著提高。目前对于强夯地基加固效果的评价有事前预测和试验检测,前者仅处于研究阶段,尚无法推广使用,目前采用最多的仍然采用现场试验检测进行强夯地基加固效果评价,一般采用多项检测手段进行综合检测评价。

强夯地基的质量检测方法,宜根据土性选用原位试验和室内试验,表6为原位试验适用土体。现场观察所测指标: ①探坑　适用于自稳定性好的地基土,如换土地区检查加固效果等; ②开挖　适合各种地基土,如检查强夯置换墩体的置换深度及尺寸等。室内试验适用土体及指标: ①砂土   颗粒级配、相对密实度、体积质量、含水量、重度、最大最小密度、孔隙比; ②粉性土   颗粒级配、液限、塑限、相对密度、天然含水量、重力密度、压缩2固结试验、抗剪试验、孔隙比、渗透系数;③粘性土　液限、塑限、体积质量、含水量、重度、压缩-固结试验、抗剪试验、孔隙比,对湿陷性黄土应做自重湿陷系数、湿陷系数和湿陷起始压力试验。

对于一般工程,应用两种和两种以上方法综合检验;对于重要工程,应增加检验项目并须做现场大型复合地基载荷试验;对液化场地,应做标贯试验,检验深度应超过设计处理深度。对于碎石土下存在软弱夹层地基土,一定要有钻孔试验,建议采用各种方案综合测试。强夯测试是对场地作出效果评价,检验是否满足设计预期目标,是强夯后必须进行的项目。

在原理上,所有可获得土的物理力学性质参数的勘察手段都可以用于强夯地基检测,如载荷试验、静力触探、圆锥动力触探、标准贯入试验等原位试验和室内土工试验; 现行规范也规定了采用原位测试和室内土工试验进行强夯地基承载力检验。鉴于高能级强夯特点:能级较高(一般在6 000 kN·m以上,最高达到16 000kN·m) ,主要适用在深厚的杂填土、碎石土和混合土地基处理中,同时在强夯时为了提高强夯加固效果,大都刻意采用粗颗粒土(碎石土或杂填土)进行夯坑回填,使得强夯后土层基本上都为混合土。混合土因含大量的粗颗粒,如碎(砾) 石颗粒甚至漂粒,因此很难取样,用一般室内试验方法很难得出正确的物理力学性质指标,甚至不能掌握其级配情况,故不适于采用室内土工试验进行物理力学性质检验。

随着强夯法的广泛应用和新技术的逐渐发展,逐渐形成了以原位测试为主的强夯地基检测体系:采用载荷试验获得表层的地基承载力和变形模量;采用连续的圆锥动力触探得到自上而下地层密实度,经处理后得到地层的承载力和变形模量;但以上测试都是以单点测试为主,近二十年来瑞雷波勘探技术的发展,使得采用瑞雷波法进行整体效果评价成为可能,越来越多的高能级强夯工程采用瑞雷波勘探技术进行地基处理检测;同时辅以少量的静载试验、钻探取样分析和标贯试验、动探(超动探)试验作为参考。

结语

1

根据大量工程经验,提出了系统定性的强夯地基设计计算思路框架。

2

首次提出了8 000kN·m以上能级的有效加固深度与夯间间距、收锤标准建议,并列表参考。

3

针对高能级强夯地基的特点,有针对性地提出了强夯地基的系列检测方法。并通过大量工程实例,针对不同土层提出了适宜的检测方法并汇总成表,方便使用。