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強夯法加固地基的原理與應用

作者:管理員 2019-07-15 00:16:30

1.加固原理

   (1)強夯加固非飽和土

如將地基視為彈性半空間體,重錘自由下落夯擊,這是由勢能轉化為動能的一個過程。在夯擊地麵的瞬間,動能的一部分以聲波形式向四周擴散,一部分由於重錘與土體摩擦而變成熱能,其餘大部分動能則使土體產生自由振動,並以壓縮波(縱波)、剪切波(橫波)和瑞雷波(表麵波)三種波形在地基內傳波。地基一般均為不均勻的、成層狀的,土體中的孔隙為空氣、水或其它液體所充填。在夯擊地麵的瞬間,波在成層狀地基中從一個彈性介質傳播到另一介質,同時,波能的一部分會反射回第一個介質。傳到另一介質的波能起到了強夯加固的作用,反射回來的波能則使地表土層變鬆。這也是強夯中局部地表隆起的原因,因此需要進行滿拍。

強夯加固多孔隙、粗顆粒含量高、非飽和地基是基於動力壓密理論,衝擊型動力荷載在瞬間使土體中孔隙體積縮小,土體密實,承載力提高。非飽和土夯實變形主要是由於土顆粒相對位移重新排列而引起,亦是土中孔隙中氣相(空氣)被排出的過程,經強夯處理後,土體達到最密實狀態,孔隙體積可減少60%。

(2)強夯加固飽和土

強夯加固飽和土原理相對較為複雜。飽和土由三相組成:固相、液相、氣相。強夯過程中,首先其動力應加速飽和土的排水,使液相的比例減小。在強夯過程中,土體有效應力的變化十分顯著,且主要為垂直應力的變化。由於垂直向總應力保持不變,超孔隙水壓力逐漸增長且不能迅速消散,則有效力應減小,因此,在強夯飽和土地基中產生很大的拉應力。水平拉應力使土體產生一係列的豎向裂縫,使孔隙水從裂縫中排出,從而加速土體的固結。飽和細顆粒土體經強夯後,在夯坑周圍會出現徑向或環向裂縫,孔隙水從這些裂縫中冒出。北京乙烯工程采用強夯法消除砂土、粉土液化,由於局部粉土細顆粒含量較高,且地下水位較淺,在強夯中就出現了短時間液化現象,地表出現許多裂縫,孔隙水從裂縫逸出,約2—3天後消失,經檢測評價,該局部地基消除液化,且承載力從原來的約100kPa提高到170kPa

強夯使土中氣體釋放,飽和土中含有約1~4%的封閉氣體,強夯時產生衝擊能,部分衝擊能由於錘與土體摩擦及土顆粒在移動過程中的摩擦而轉化為熱能,熱能傳入飽和土中使封閉泡移動,加速可溶性氣體從水中釋放並逐漸從地表逸出。

強夯使飽和土壓縮變形,在強夯能量作用下,氣體體積首先被壓縮,孔隙水排出,超孔隙水壓力減少,在強夯瞬間,會發生有效的壓縮沉降。當夯擊反複進行時,土顆粒相互靠攏,土顆粒表麵的薄膜水受到擠壓,使其部分薄膜水由物理-化學吸附作用使土顆粒相互聯係,由此產生多餘的水變為自由水流向土顆粒之間,形成-定孔隙水量後從地表逸出,由於薄膜水的減薄,土顆粒發生相對位移,進一步擠密,由紊亂狀態進入穩定狀態,孔隙大小亦達到比較均勻狀態,起孔隙水壓力消散,土體重新穩定,承載力提高。

飽和軟土觸變恢複,飽和細顆粒土在強夯衝擊波的作用下,土中原來相對平衡狀態的顆粒、陽離子、定向水分子受到破壞,水分子的定向排列被打亂,顆粒結構從原先的絮凝結構變成一定程度的分散結構,粒間聯係削弱,強度降低,經過強夯後一段時間的休置期後,土骨架中細小顆粒一膠體顆粒的水分子膜重新逐漸聯結,恢複其原有的稠度和結構,與自由水又粘接在一起,形成一種新的空間結構,於是土體又恢複並達到新的更高強度,這一過程即為飽和軟土的觸度恢複特性。有學者試驗統計,飽和細顆土夯後6個月的平均抗剪切承載力增加20%~30%,變形模量可提高30%~60%。需要說明的是,觸變恢複期細顆粒飽和土對振動極為敏感,因此,其後續施TT藝和檢測評價方法均應避免振動。

2.強夯法加固地基的應用

(1)強夯法加固砂土液化地基

本書所介紹的工程實錄中有3項為強夯法加固砂土地基液化技術,其中北京乙烯工程處理麵積達23m2,中原油田黃河水源淨化廠工程處理麵積為13.2m2,中紡總公司廊坊生產基地處理麵積為2.3m2

華北地區砂土液化問題一直是岩土工程中地基處理的重要內容,傳統做法多采用擠密碎石樁工藝,處理費用很大,周期很長,一般砂土液化厚度為地表以下79m,液化如若不消除,直接采用樁基,在地震液化狀態,整個樁長φ79m不能提供摩阻力,亦即有79m樁長是白白打人地下,其浪費是驚人的。如果采用擠密碎石樁複合地基工藝,可基本消除液化,但基底地基承載力並不高,對於高重設備和承載力要求較高的建(構)築物,還不得不再打入一定量的灌注樁,這樣兩項工藝相加,費用過高,周期過長。如能采用強夯工藝取代擠密碎石樁複合地基工藝其消除液化功能與擠密碎石樁相當甚至更高,基底處地基承載力基本上可以滿足一般設計要求,對於特別重要的建(構)築物當不得不打人一定量的灌注樁時,其79m長度範圍內的摩阻力在地震時可以充分發揮,因此工程樁數量和樁長均可大大減小,而強夯工藝本身比擠密碎石樁等工藝造價大幅度下降,以北京乙烯工程為例,每平方米處理費用強夯/擠密≈15。如果以提高承載力來比,每提高10kPa承載力,強夯/擠密≈18。強夯的施工周期大大縮短。

強夯工藝消除砂土液化在一定深度範圍內是有效的、成功的。其效果主要取決於地下水位,當地下水位過高時(一般3m以內),強夯時所產生的孔隙水將從地表逸出,甚至出現局部液化,而砂土中若夾雜有粉土夾層時,連續強夯一是會使施工機具行走困難,二是會使加固效果下降。因此,對於地下水位過高的砂土液化場地可結合強夯使場地地坪下降綜合考慮在地表鋪設一定厚度的粗顆粒填土或適當降低地下水兩種預處理方案。

評價場地液化的重要指標是常年地下水位,因此,對常年地下水位的評價要相當準確。華北地區地下水位的變化洽洽是應當格外注意的事項,如果單用豐水季水位判斷則要求過嚴,如果單用常年水位判斷則可能會出現異常年份偏不安全問題,這是一項有待深入研究的課題。目前,常用計算方法是根據(建築抗震設計規範)(GBJll--89)的規定進行驗算。

(2)強夯法加固濕陷性黃土地基

強夯法加固濕陷性黃土地基在國內應用最早,應用實例很多。本實錄中介紹了6項重大工程項目強夯消除黃土濕陷性處理技術,其中三門峽火力發電廠處理麵積19.3m2,是國內率先采用8000kN·m高能級強夯工程項目,處理深度達到11.5m。國營七四四廠和首陽山電廠兩項工程處理麵積約89m2,處理深度48m

強夯法消除濕陷性,提高地基承載力和壓縮模量。經強夯處理後的黃土地基可作為一般建(構)築物,包括車間、廠房、油罐、機械設備基礎地基,對於有特殊要求的亦可采用部分樁基,但此時由於消除了濕陷性,樁基消除了原有的負摩阻力,增加了側摩阻力,樁基數量可以大大減少,施工周期縮短。

黃土經強夯處理後,消除濕陷性的評價可根據《濕陷性黃土地區建築規範》(GBJ2590)的有關規定和計算方法確定。

(3)強夯法加固拋石填海地基

80年代我國在強夯技術方麵取得的突出成果之一就是強夯法加固拋石填海地基。中國建築科學研究院張永鈞研究員等將強夯技術應用於處理填海地基工程並進行專題研究。由於拋石填海地基塊石較大、級配很差、堆填厚度大、整個場地非常疏鬆,且不均勻,除了強夯工藝以外的其它工藝都難以保證加固效果,滿足設計要求,且不經濟。經強夯處理後的拋石填海地基檢測評價是一關鍵技術,尤其是場地均勻性,有效加固深度的評價尤為重要。目前國內應用較為普遍的做法是載荷試驗結合標準貫人試驗,如標貫困難亦有載荷試驗輔以瑞雷波法檢測,但瑞雷波法誤差較大,經驗性較強。

本書介紹了6項強夯處理拋石填海地基的工程實錄。其中惠州馬鞭洲原油碼頭工程處理麵積達8m2,處理深度達24m,采用雙層8000kN·m+8000kN·m能量強夯。惠州威宏倉儲油庫罐區工程處理麵積為1.5m2,處理深度12m,亦采用8000kN·m能量強夯。

惠州市大亞灣華德石化有限公司增建原油庫及配套設施項目16.5m2非均勻炸山回填地基,最大填土厚度為11~14m,且填方區衝積平原地貌淺層的人工填土層、耕植土層、海陸交互相沉積層等軟土層厚度達5.0m以上。強夯能級有3000kN.m6000kN.m8000kN.m10000kN.m3000kN.m能級強夯的有效加固深度為7.5m6000kN.m能級強夯的有效加固深度為9.5m8000kN.m能級強夯的有效加固深度為11m10000kN.m能級強夯的有效加固深度為15m,比8000kN.m增長了36.4%。

 (4)強夯法加固礫質粘性土回填地基

我國部分沿海地區廣泛分布有殘積土地層,包括礫質粘性土和砂質粘性土,且多為丘陵地帶,新建場地較多采用回填地基。對於礫質粘性土回填地基,場地麵積多采用分層碾壓,但加固效果多不理想。本書介紹的茂名30t乙烯工程回填地基就是在分層碾壓失敗基礎上探討強夯處理工藝的。對於麵積特別大的場地,采用分層碾壓很難保證質量,且工期很長,施工困難,費用亦不低。因此,探討采用強夯法取代多層碾壓或其它工藝處理礫質粘性土,其直接和間接經濟效益將特別顯著。

礫質粘性土是指粒徑大於2mm的顆粒含量超過20%的殘積土,具有粘土含量,同時又具有粗顆粒含量。它是由未經搬運的花崗岩全風化產生,故又稱花崗岩殘積土,其中大於2mm的粗顆粒被粘粒所包圍,天然狀態孔隙比較大,液性指數較小,壓縮性較低,但遇水易崩解,當飽和度較低時常具有某種程度的濕陷性。當礫質粘性土被搬運用於回填時,其性質改變較大,孔隙比更大,壓縮性增大,濕陷性更明顯,對此采用強夯處理工藝是可行的,亦是合理的。

天然狀態殘積土的檢測評價在《建築地基基礎設計規範》(GBJ7—89)中尚未包括,可參照廣東省標準《建築地基要求設計規範》(DBJl5391)進行評價。但對於大麵積殘積土回填地基經強夯處理後的檢測評價不能簡單照搬上述標準,因為在標準中沒有這方麵的資料,可酌情采用現場載荷試驗輔以標貫,建立fK—N63.5曲線進行大麵積場地評價。

(5)強夯法加固山區非均勻回填地基

采用強夯加固山區非均勻回填地基效果較為理想,特別是隨著8000kN·m高能量強夯工藝的廣泛應用,為山區高填方非均勻回填地基處理提供了既經濟又可行的方法,用其取代分層碾壓等方法更有經濟效益,加固效果很好,承載力和壓縮模量更高,工期更短。

本書所介紹的工程實錄中有10項為山區非均勻回填地基強夯處理項目,總麵積達53m2、處理深度最深達12m,最高能量8000kN·m。經高能量強夯處理後山區非均勻回填地基承載力一般可達到250300kPa,其壓縮模量可達10~15MPa,一般工業場區的建(構)築物包括車間、廠房、油罐基礎地基都可適用,多層民用住宅、辦公寫字樓亦適宜。

山區非均勻回填地基經強夯處理後的檢測評價方法與上述拋石填海強夯地基的檢測評價方法基本相同。對於起伏較大、山坡較陡的回填地基,經處理後還應注意評價場地抗滑穩定性。

(6)強夯法加固飽和土地基的嚐試與探索

飽和軟土不適宜強夯已成為人們共識,其主要原因是飽和軟土沒有氣相排水通道,施加強夯能量後孔隙水無法從排水通道排出,超孔隙水壓力一方麵吸收能量,使土體不能得到加固,另一方麵側向作用擾動土體,使原有承載力降低。一般認為,將飽和軟土改良使其適宜強夯有兩點:一是增大粗顆粒含量形成自然排水通道,二是打人砂樁、碎石樁或置人袋裝砂井使其成為人工排水通道。可以稱以上過程為飽和軟土的預處理。經預處理和強夯處理兩項工藝,可以找到沿海地區軟土地基大麵積場區的更為經濟合理的處理辦法。這種處理辦法已在天津、鎮海等石化項目上進行了深入探討,並已逐漸為工程技術人員所接受。如廣東省惠州港一期通用碼頭(改造)配套項目高能級強夯置換淤泥質土地基處理工程,場地中間為東西向狹長的濱海水域,填土在本場地該層最深處達23.80m,淤泥最厚處為5.80m。采用6000KN.m強夯置換,實際施工麵積41865㎡。檢測發現填石置換體深度分別達7.1m~8.2m,置換效果很好。

用該方法取代真空、堆載預壓費用增加不多卻可以大大縮短施工周期,間接經濟效益特別突出,且承載力提高,可作為場區車間、辦公樓、一般設備的基礎地基。對於建設場區特別大,高重設備較多,要求較高的項目亦可如前所述內容,適當采用真空/堆載預壓3~6個月,在回填土上進行小能量強夯處理硬殼層的方案,對整個場區進行預處理,經預處理後的場區地基承載力一般可達80kPa以上,可作為一般輕型建(構)築物、車間、廠房、小型設備基礎和道路地基,高重設備可再采用部分樁基,這種方案的特點是工期大大縮短,造價提高不多,承載力有所提高,樁基數量減少。



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