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岩土研究院

强夯法的加固机理

439 2022-02-22 15:10:17

强夯法加固地基虽有大量成功的工程实例。国内外学者也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,因此很难建立适应于各类土的强夯加固土的理论,所以,目前还没有取得一致的意见。

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和砂井的作用等也会影响加固效果。对此可从机理上作出不同的解释,这些解释虽众说纷纭,但可以互补,形成系统的解释。我们不妨对其共同点作出如下概括,即强夯的基本原理是;土层在巨大的强夯冲击能作用下,土中产生了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内产生的裂隙形成了良好的排水通道,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。有资料显示,经过强夯的粘性土,其承载力可增加 100%~300%,粉砂土可增加 400%,砂土可增加 200%~400%。

强夯加固地基的机理比较复杂,到目前为止尚未建立起一套成熟的理论和设计计算方法。工程实践和试验成果证明,随地基类型和加固特点不同,其加固机理也有所不同。关于强夯机理首先应从宏观和微观机理上加以分析,其次对饱和土和非饱和土应加以区别;另外,对粘性土、砂类土以及强夯置换的加固机理也应分别加以说明。本书中我们只阐述各种土的宏观加固机理,至于微观加固机理可参阅其他有关资料。

一、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太沙基(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6×10-MPa-1,而土体的压缩系数通常为1~0.05MPa-1,各相差100~1000倍。当压力为 100~600kPa时,土颗粒的体积变化不足土体体积变化的1/400,故可忽略土粒和水的压缩,认为固结就是孔隙体积缩小和孔隙水的排出。饱和土体在冲击荷载作用下,水不能及时排出,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,Menard 在1974 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的气泡,约占土体总体积的1%~3%,在夯击时,这部分气体可压缩。故认为饱和土是可压缩的。Menard 还提出一个新的动力固结模型,与传统的 Terzaghi 静力固结模型比较,有很多不同点,如图3.2.1和表3.2.1。

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以 Menard的观点,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,如图3.2.2。

Menard动力固结理论及模型概述。

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1.饱和土的压缩性(液体的可压缩性);由于土体中有机物分解及土毛细管的弯曲作用,土中总含有气泡,其体积约占总体积的1%~4%,强夯时,气泡体积压缩,孔隙水压力增大,随后气体有所膨胀,孔隙水排出,液相、气相体积减小,即饱和土具有可压缩性。这就是强夯时土体产生瞬间压密变形的条件。

2.不定比弹簧(局部液化)。强夯时土体结构被破坏,土体被压缩,土粒周围的弱结合水由于振动和温度影响,定向排列被打乱,束缚作用降低,随着夯击能量的增大,孔隙水压力不断增大,其值达到上覆荷重时产生局部液化,弱结合水变成自由水,土的强度下降到最小值。随着孔隙水压力降低,结构恢复,强度增加,因此弹簧系数是可变的。

3.变孔径排水活塞(可变渗透系数)。由于强夯时夯击能量较大并以波的形式传递,同时由于夯锤下土体压缩,产生对外围土的挤密作用,使土中应力场重新分布,当土中某点拉应力大于土的抗拉强度时,在土体内就出现裂隙并成树枝状排水网络,使孔隙水得以顺利溢

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4.有摩擦活塞。在夯击作用下,土中含气孔隙水不能立即消散而具有滞后现象,气相体积不能立即膨胀;也就是夯坑较深的压密土被外围土约束而不能膨胀,这一特征用有摩擦的活塞表示,即动力固结模型中活塞与筒体间存在摩擦特征。而重锤夯实时加密土很浅,侧向土不能约束加固土,土能产生侧向膨胀,气相立即恢复,不能形成孔隙水压力,土不能压密,这就是饱和土重夯时常出现"橡皮土"的原因。

二、非饱和土的加固机理

强夯时在土中形成很大的冲击波(主要是纵波和横波),土体因此受到很大的冲击力,此冲击力远远超过了土的强度。在此冲击力的作用下,土体被破坏,土颗粒相互靠拢,,排出孔隙中的气体,颗粒重新排列,土在动荷载作用下被挤密压实,强度提高,压缩性降低。

有资料表明;非饱和土夯击一遍后,夯坑深度可达0.6~1.0m,夯底形成一层厚度为夯坑直径的1,0~1.5倍的超压密土层,承载力可比夯前提高2~3倍。

非饱和土的加固机理也可用强夯加固地基模式图加以解释,如图 3.2.4。强夯法产生的巨大冲击力,使土体产生较大的瞬时沉降,锤底土形成土塞向下运动。因锤底下的土中压力超过土的强度,土结构破坏,使土软化,侧压力系数增大,土不仅被竖向压密,且侧向也被压密。此主压力区为图3.2.4中的 A 区,即土的破坏压实区。此区域的土中应力σ(动应力+ 自重应力)超过土的极限强度 cf,土被破坏后压实。由于土被破坏,侧挤作用增大,因此水平方向加固宽度增大,故加固区不同于静载土中应力为椭圆形分布而变为水平宽度大的苹果形。A 区外为次压实区。即图3.2.4中的 B区。B区中土应力小于土的极限强度af,而大于土的弹性极限c;,该区可能被破坏,但未被充分压实或仅被破坏而未被压实,与夯前比较,干密度有微小增加或不增加,其他力学性质指标的原位测试数据可表现为波动不稳,故又被称为破坏削弱区。由于夯击时土中动应力远大于原来土的强度,坑底土侧向挤出时,坑侧土在侧向分力作用下将隆起,形成被动被坏区,即图 3.2.4 中的C区。夯坑越深.十固化内聚力越大.则被动土压力越大,土越不易被破坏隆起;反之亦然。

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三、粘性土的加固机理

粘性土的特征是颗粒细、渗透系数小,并且具有粘聚力,特别是湿陷性黄土,在天然含水量作用下有很高的粘聚力,因而强度很高。由于非饱和粘性土的粘聚力很高,侧向地面不易隆起,夯坑可以较深,其加固范围仅限为图3.2.4中的 A 区和B区,D 区一般无影响,A 区的深度也较小,这是因为在 A 区动应力难以破坏强度高的土体结构。对于填土、饱和粉土,其固化内聚力也很小,这时加固深度就较大;但此时要注意分遍夯,每遍所用的单位面积的夯击能不能过大。因为限于加固区水中气泡被全部压缩,每遍过大的夯击能只能使侧面土隆起。

四、砂性土(包括固化内聚力小的灰渣)的加固机理

这种土由于固化内聚力几乎为零,所以图3.2.4中的 A、B区一般较大,B 区显示出压密作用急速减小;同时,振动作用可使 D区土振密或松动,即密砂在覆盖压力较小时可能变松,松砂则振密。这时可加大加固深度,并可引起周围土振陷,场地发生环裂,引起邻近建筑物的下沉。

五、强夯置换的加固机理

利用强夯的冲击力,强行将砂、碎石、石块等挤填到饱和软土层中,置换原饱和软土,形成桩柱或密实砂、石层;与此同时,该密实砂、石层还可作为下卧软弱土的良好排水通道,加速下卧层土的排水固结,从而使地基承载力提高,沉降减小。目前强夯置换常用于以下三种情况∶

1.当地基表层为具有适当厚度的砂垫层、下卧层为高压缩性的淤泥质软土时,可采用低能夯.通过强夯将表层砂挤入软土层中,形成一根根置换砂桩。这种砂桩的承载力很高;同时,下卧的软土也可通过置换砂桩加速固结,使强度得以提高。

2.同上,软土地基的表面也常堆填一层一定厚度的碎石料,利用夯锤冲击成孔。再次回填碎石料,夯实成碎石桩,如图3.2.5。

3.在厚3~5m的淤泥质软土层上面抛填石块,有利于抛石自重和夯锤冲击力使石块坐到硬土层上,这时淤泥大部分被挤走,少量留在石缝中,形成强夯置换的块石层,利用石块之间相互接触。提高地基承载力。这也类似于垫层中的"抛石挤淤"法,同时下卧层的软土也可得以快速固结,提高了下卧层的强度。

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