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岩土研究院

强夯法加固地基的原理与应用

321 2022-02-15 16:22:27

1.加固原理(1)强夯加固非饱和土

如将地基视为弹性半空间体,重锤自由下落夯击,这是由势能转化为动能的一个过程。在夯击地面的瞬间,动能的一部分以声波形式向四周扩散,一部分由于重锤与土体摩擦而变成热能.其余大部分动能则使土体产生自由振动,井以压缩波(纵波)、剪切波(横波)和瑞雷波(表面波)三种波形在地基内传波。地基一般均为不均匀的、成层状的,土体中的孔隙为空气、水或其它液体所充填。在夯击地面的瞬间,波在成层状地基中从一个弹性介质传播到另一介质,同时,波能的一部分会反射回第一个介质。传到另一介质的波能起到了强夯加固的作用,反射回来的波能则使地表土层变松。这也是强夯中局部地表隆起的原因,因此需要进行满拍。

强夯加固多孔隙、粗颗粒含量高、非饱和地基是基于动力压密理论,冲击型动力荷载在瞬间使土体中孔隙体积缩小,土体密实,承载力提高。非饱和土夯实变形主要是由于土颗粒相对位移重新排列而引起,亦是土中孔隙中气相(空气)被排出的过程,经强夯处理后,土体达到最密实状态,孔隙体积可减少 60%。

(2)强夯加固饱和土

强夯加固饱和土原理相对较为复杂。饱和土由三相组成;固相、液相、气相。强夯过程中。首先其动力应加速饱和土的排水,使液相的比例减小。在强夯过程中。土体有效应力的变化十分显著。目主要为垂直应力的变化。由干垂直向总应力保持不变。超孔隙水压力逐渐增长且不能迅速消散.则有效力应减小,因此。在强夯饱和土地基中产生很大的拉应力。水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝。使孔隙水从裂缝中排出,从而加速土体的固结。饱和细颗粒土体经强夯后,在夯坑周围会出理径向或环向裂缝,孔隙水从这些裂缝中冒出。北京乙烯工程采用强夯法消除砂土、粉土液化。由于局部粉土细颗粒含量较高。且地下水位较浅。在强夯中就出现了短时间液化现象,地表出现许多裂缝.孔隙水从裂缝逸出,约 2~3天后消失,经检测评价,该局部地基消除液化,且承载力从原来的约100kPa提高到 170kPa。

强夯使土中气体释放,饱和土中含有约1%~4%的封闭气体,强夯时产生冲击能,部分冲击能由于锤与土体摩擦及土颗粒在移动过程中的摩擦而转化为热能,热能传入饱和土中使封闭泡移动,加速可溶性气体从水中释放并逐渐从地表逸出。

强夯使饱和土压缩变形,在强夯能量作用下,气体体积首先被压缩。孔隙水排出,超孔隙水压力减少,在强夯瞬间,会发生有效的压缩沉降。当夯击反复进行时,土颗粒相互靠拢,土颗粒表面的薄膜水受到挤压,使其部分薄膜水由物理化学吸附作用使土颗粒相互联系,由此产生多余的水变为自由水流向土颗粒之间,形成一定孔隙水量后从地表逸出,由于薄膜水的减薄,土颗粒发生相对位移,进一步挤密,由紊乱状态进人稳定状态,孔隙大小亦达到比较均匀状态,起孔隙水压力消散,土体重新稳定,承载力提高。

饱和软土触变恢复,饱和细颗粒土在强夯冲击波的作用下,土中原来相对平衡状态的颗粒、阳离子、定向水分子受到破坏,水分子的定向排列被打乱,颗粒结构从原先的絮凝结构变成一定程度的分散结构。粒间联系削弱,强度降低,经过强夯后一段时间的休置期后,土骨架中细小颗粒一胶体颗粒的水分子膜重新逐渐联结,恢复其原有的稠度和结构,与自由水又粘接在一起,形成一种新的空间结构,于是土体又恢复并达到新的更高强度,这一过程即为饱和软土的触度恢复特性。有学者试验统计,饱和细颗土夯后6个月的平均抗剪切承载力增加 20%~30%,变形模量可提高 30%~60%。需要说明的是,触变恢复期细颗粒饱和土对振动极为敏感,因此,其后续施工工艺和检测评价方法均应避免振动。

2.强夯法加固地基的应用(1)强夯法加固砂土液化地基

本书所介绍的工程实录中有3项为强夯法加固砂土地基液化技术,其中北京乙烯工程处理面积达 23万 m²,中原油田黄河水源净化厂工程处理面积为13.2万 m2²。中纺总公司廊坊生产基地处理面积为2.3万m²。

华北地区砂土液化问题直是岩土工程中地基处理的重要内容,传统做法多采用挤密碎石桩工艺,处理费用很大,周期很长。一般砂土液化厚度为地表以下7~9m.液化如若不消除,直接采用桩基,在地震液化状态,整个桩长 φ7~9m不能提供摩阻力.亦即有7~9m桩长是白白打入地下,其浪费是惊人的。如果采用挤密碎石桩复合地基工艺。可基本消除液化,但基底地基承载力并不高,对于高重设备和承载力要求较高的建(构)筑物,还不得不再打入一定量的灌注桩。这样两项工艺相加,费用过高.周期过长。如能采用强夯工艺取代挤密碎石桩复合地基工艺其消除液化功能与挤密碎石桩相当甚至更高,基底处地基承载力基本上可以满足一般设计要求,对于特别重要的建(构)筑物当不得不打入一定量的灌注桩时,其7~9m长度范围内的摩阻力在地震时可以充分发挥,因此工程桩数量和桩长均可大大减小,而强夯工艺本身比挤密碎石桩等工艺造价大幅度下降,以北京乙烯工程为例.每平方米处理费用强夯/挤密≈1/5。如果以提高承载力来比,每提高 10kPa承载力,强夯/挤密≈1/8。强夯的施工周期大大缩短。

强夯工艺消除砂土液化在一定深度范围内是有效的、成功的。其效果主要取决于地下水位,当地下水位过高时(一般 3m 以内),强夯时所产生的孔隙水将从地表逸出,甚至出现局部液化。而砂土中若夹杂有粉土夹层时,连续强夯一是会使施工机具行走困难,二是会使加固效果下降。因此,对于地下水位过高的砂土液化场地可结合强夯使场地地坪下降综合考虑在地表铺设一定厚度的粗颗粒填土或适当降低地下水两种预处理方案。

评价场地液化的重要指标是常年地下水位,因此,对常年地下水位的评价要相当准确。华北地区地下水位的变化治洽是应当格外注意的事项,如果单用丰水季水位判断则要求过严,如果单用常年水位判断则可能会出现异常年份偏不安全问题,这是一项有待深入研究的课题。目前,常用计算方法是根据《建筑抗震设计规范》(GBI11-89)的规定进行验算。

(2)强夯法加固湿陷性黄土地基

强夯法加固湿陷性黄土地基在国内应用最早,应用实例很多。本实录中介绍了 3项重大工程项目强夯消除黄土湿陷性处理技术,其中三门峡火力发电厂处理面积19.3万m2²,是国内率先采用8000kN·m高能级强夯工程项目,处理深度达到11.5m。国营七四四厂和首阳山电厂两项工程处理面积约 8~9万 m²,处理深度 4~8m。

强夯法消除湿陷性.提高地基承载力和压缩模量。经强夯处理后的黄土地基可作为一般建(构)筑物,包括车间、厂房、油罐、机械设备基础地基,对于有特殊要求的亦可采用部分桩基.但此时由于消除了湿陷性.桩基消除了原有的负摩阻力,增加了侧摩阻力,桩基数量可以大大减少,施工周期缩短。

黄土经强夯处理后,消除湿陷性的评价可根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25—90)的有关规定和计算方法确定。

(3)强夯法加固抛石填海地基

80年代我国在强夯技术方面取得的突出成果之一就是强夯法加固抛石填海地基。中国建筑科学研究院张永钩研究员等将强夯技术应用于处理填海地基工程并进行专题研究。由于抛石填海地基块石较大、级配很差、堆填厚度大、整个场地非常疏松。且不均匀.除了强夯工艺以外的其它工艺都难以保证加固效果,满足设计要求,且不经济。经强夯处理后的抛石填海地基检测评价是一关键技术尤其是场地均匀性。有效加固深度的评价尤为重要。目前国内应用较为普遍的做法是载荷试验结合标准贯入试验,如标贯困难亦有载荷试验辅以瑞雷波法检测,但瑞雷波法误差较大,经验性较强。

本书介绍了2项强夯处理抛石填海地基的工程实录。其中惠州马鞭洲原油码头工程处理面积达8万 m²,处理深度达24m,采用双层 8000kN·m+8000kN·m能量强夯。惠州威宏仓储油库罐区工程处理面积为1.5万 m²,处理深度 12m,亦采用 8000kN·m 能量强夯。

(4)强夯法加固砾质粘性土回填地基

我国部分沿海地区广泛分布有残积土地层,包括砾质粘性土和砂质粘性土,且多为丘陵地带,新建场地较多采用回填地基。对于砾质粘性土回填地基,场地面积多采用分层碾压,但加固效果多不理想。本书介绍的茂名 30万t 乙烯工程回填地基就是在分层碾压失败基础上探讨强夯处理工艺的。对于面积特别大的场地.采用分层碾压很难保证质量.目工期很长,施工困难。费用亦不低。因此,探讨采用强夯法取代多层碾压或其它工艺处理砾质粘性土,其直接和间接经济效益将特别显著。

砾质粘性土是指粒径大于2mm 的颗粒含量超过20%的残积土,具有粘土含量,同时又具有粗颗粒含量。它是由未经搬运的花岗岩全风化产生,故又称花岗岩残积土,其中大于2mm的粗颗粒被粘粒所包围,天然状态孔隙比较大,液性指数较小,压缩性较低,但遇水易崩解,当饱和度较低时常具有某种程度的湿陷性。当砾质粘性土被搬运用于回填时,其性质改变较大,孔隙比更大。压缩性增大,湿陷性更明显.对此采用强夯处理工艺是可行的,亦是合理的。

天然状态残积土的检测评价在《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89)中尚未包括,可参照广东省标准《建筑地基要求设计规范》(DBJ15—3—91进行评价。但对于大面积残积土回填地基经强夯处理后的检测评价不能简单照搬上述标准。因为在标准中没有这方面的资料,可酌情采用现场载荷试验辅以标贯,建立 fk—Na3.s曲线进行大面积场地评价。

(5)强夯法加固山区非均匀回填地基

采用强夯加固山区非均匀回填地基效果较为理想.特别层随着 8000kN·r 高能量强夯工艺的广泛应用,为山区高填方非均匀回填地基处理提供了既经济又可行的方法,用其取代分层碾压等方法更有经济效益,加固效果很好,承载力和压缩模量更高,工期更短。

本书所介绍的工程实录中有6项为山区非均匀回填地基强夯处理项目,总面积达 53万m2²,处理深度最深达 12m,最高能量 8000kN·m。经高能量强夯处理后山区非均匀回填地基承载力一般可达到250~300kPa,其压缩模量可达 10~15MPa,一般工业场区的建(构)筑物包括车间、厂房、油罐基础地基都可适用,多层民用住宅、办公写字楼亦适宜。

山区非均匀回填地基经强夯处理后的检测评价方法与上述抛石填海强夯地基的检测评价方法基本相同。对于起伏较大、山坡较陡的回填地基.经处理后还应注意评价场地抗滑稳定性。

(6)强夯法加固饱和土地基的尝试与探索

饱和软土不适宜强夯已成为人们共识,其主要原因是饱和软土没有气相排水通道,施加强夯能量后孔隙水无法从排水通道排出,超孔隙水压力一方面吸收能量,使土体不能得到加固,另一方面侧向作用扰动土体,使原有承载力降低。一般认为,将饱和软土改良使其适宜强夯有两点∶一是增大粗颗粒含量形成自然排水通道,二是打入砂桩、碎石桩或置人袋装砂井使其成为人工排水通道。可以称以上过程为饱和软土的预处理。经预处理和强务处理两项工艺,可以找到沿海地区软土地基大面积场区的更为经济合理的处理办法。这种处理办法已在天津、镇海等石化项目上进行了深入探讨,并已逐渐为工程技术人员所接受。用该方法取代真空、堆载预压费用增加不多却可以大大缩短施工周期,间接经济效益特别突出.且承载力提高,可作为场区车间、办公楼、一般设备的基础地基。对于建设场区特别大,高重设备较多,要求较高的项目亦可如前所述内容,适当采用真空/堆载预压3~6个月,在回填土上进行小能量强夯处理硬壳层的方案.对整个场区进行预处理.经预处理后的场区地基承载力一般可达 80kPa 以上,可作为一般轻型建(构)筑物、车间、厂房、小型设备基础和道路地基,高重设备可再采用部分桩基,这种方案的特点是工期大大缩短,造价提高不多,承载力有所提高,桩基数量减少。

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