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岩土研究院

强夯技术的发展概况与研究动态

332 2022-02-15 16:08:28

1.强夯技术的发展与适用范围

从 70年代初法国人L。梅纳提出采用强夯法加固填土地基以来,该项技术已在世界各地广泛应用。我国于1975年开始介绍和引进强夯技术,并于1978年底开始在工程中试用。由于强夯技术经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、质量容易控制、适用范围广泛、节省材料、施工周期短,在我国得到迅速推广,特别是"七五"、"八五"期间,多项重大工程项目由于适宜地采用了强夯技术而大大缩短了施工周期,节省了可观的工程投资,取得了良好的经济与社会效益。据不完全统计,"八五"期间,全国重大工程项目地基处理中采用强夯技术的有文献记载的就达 300万 m²以上,因而积累了十分宝贵的经验,为强夯技术的不断改进提高创造了有利条件。本书介绍的17项全国重大工程项目强夯地基处理实录就是这期间的强夯技术发展结果。强夯处理技术广泛应用于碎石土、砂土,低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土、素填土等地基。对于饱和度较高的粘土和淤泥质地基通过辅以置换等措施也可以取得一定的加固效果,如形成硬壳层,可作为工业项目的厂区、道路、一般建(构)筑物地基,但不宜用作高重设施基础。关于高饱和度粉土与粘性土等地基,采用夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料进行强夯置换亦取得了一定效果。近年来多项全国重大工程项目采用强夯技术加固地基并取得显著效果,经检测评价满足设计要求。上部结构已建成或已投人使用。本书介绍的项目有∶

(1)北京乙烯工程

强夯消除地基液化,提高地基承载力,处理面积23万m²,能量 3000kN·m,处理深度 8m;(2)茂名 30万t 乙烯工程

强夯加固砾质粘性土回填地基,处理面积60万m2,能量 2500kN·m,处理深度5.7m;3)三门峡火力发电厂

强夯消除黄土湿陷性,处理面积19.3万 m²,能量 8000kN·m,6500kN·m,3000kN·m,最大处理深度达11.5m;

(4)贵阳龙洞堡国际机场

强夯处理山区高填方回填地基,处理面积12万 m²,每层处理深度 4.5m,能量3000kN·m,分13层强夯,处理最大深度 54m;

(5)惠州马鞭洲油罐区工程

强夯处理大深度抛石填海地基,处理面积8万 m²,能量 8000kN·m+8000kN·m(双层强夯),处理深度24m;

(6)惠州威宏仓储油库罐区工程

强夯处理抛石填海夹杂淤泥质土地基,处理面积1.5万m²,能量 8000kN·m,处理深度 12m;7)燕化 200万t重油催化装置

强夯处理山区高填方非均匀块石回填地基,处理面积3万 m²,能量 5000kN·m +5000kN·m+5000kN·m(三层强夯9万m²),处理深度 21m;

(8)贵州瓮福磷肥重钙工程

强夯处理山区非均匀块石回填地基,处理面积 15.3万 m²,能量 8000kN·m,局部6000kN·m 或 3000kN·m,最大处理深度 10m;

(9)岳阳石化总厂原料工程

强夯处理山区非均匀块石回填地基,处理面积11万m²,能量 8000kN·m+8000kN·m,处理深度17m;

(10)国营七四四厂工程

强夯消除黄土湿陷性,处理面积4~5万m²,能量 2000~3000kN·m,处理深度4~5m;(11)首阳山电厂工程

强夯处理灰场坝湿陷性和非均匀地基,处理面积4万 m²,能量 2500~3000kN·m,处理深度6~8m;

(12)秦皇岛输油泵站罐区工程

强夯处理山区非均匀块石回填地基,处理面积1万m2,能量 8000kN·m。处理深度10m;

(13)大连西太平洋石油化工罐区工程

强夯处理山区非均匀块石回填地基,处理面积1万 m²,能量 7200kN·m,处理深度12m;

(14)中纺总公司廊坊生产基地

强夯消除地基轻微液化,提高地基承载力。处理面积 2.4 万 m2。能量 3000kN·m.处理深度7m;

(15)中原油田黄河水源净化厂

强夯消除饱和粉土液化,提高地基承载力,处理面积13.2 万 m2。能量 2000~2550kN·m,处理深度 9~11m;

(16)建设部 2000年小康住宅示范区天津宜白路住宅小区及川府新村工程

排水砂井加强夯处理陆海相及古河道、渔池、新近沉积的淤泥及淤泥质土地基,处理面积2.1万m²,能量1500~2000kN·m,砂井φ350,井深>7m,处理深度6~8m。

(17)大庆石化总厂贮罐地基工程

以上工程中,北京乙烯工程由于采用强夯技术消除了23万 m2地基液化。显著提高了地基承载力,比挤密碎石桩加固方案和直接采用灌注桩方案节省工程投资 3800万元,缩短施工周期逾3个月;茂名30万t 乙烯工程采用强夯技术有效地加固了近60万m²,5~7m深的砾质粘性土回填地基,消除了部分回填地基的湿陷性,比直接采用灌注桩方案或挤密碎石桩方案节约数千万元投资,大大缩短了施工周期。

重大工程项目的特点之一就是厂区面积大.一经采用适宜的地基加固处理方案。其直接和间接经济效益将十分惊人,,因此引起工程技术人员的极大兴趣,倾注了极大热情,同时取得了丰硕的科研成果。本书所介绍工程实录均经检测部门评价满足设计要求,且多数已建成投产使用。

强夯技术具有以下特点;

(1)适用各类土层;可以用于加固各类砂性土、粉土、一般粘性土、黄土、人工填土。特别适宜加固-一般处理方法难以加固的大块碎石类十以及建筑、生活垃圾或工业废料组成的杂填土,结合其它技术措施亦可用于加固软土地基。

(2)应用范围广泛;可应用于工业厂房、民用建筑、设备基础、油罐、堆场、公路、铁道、桥梁、机场跑道、港口码头等工程的地基加固。

(3)加固效果显著;地基经强夯处理后,可明显提高地基承载力、压缩模量,增加干容重,减少孔隙比,降低压缩系数,增加场地均匀性,消除湿陷性、膨胀性,防止振动液化。地基经强夯加固处理后,除含水量过高的软粘土外,一般均可在夯后投入使用。

(4)有效加固深度∶本书介绍的工程实录中,单层 8000kN·m 高能级强夯处理深度达12m,多层强夯处理深度可达24~54m,一般能量强夯处理深度在6~8m。

(5)施工机具简单∶强夯机具主要为履带式起重机。当起吊能力有限时可辅以龙门式起落架或其它设施。加上自动脱钩装置。当机械设备困难时。还可因地制宜地采用打桩机、龙门吊、桅杆等简易设备。

(6)节省材料∶一般的强夯处理是将原状土施以能量,无需添加建筑材料,从而节约了建筑材料的购置、运输、打入地下的施工费用,大大缩短了施工周期。当有特殊要求时,可辅以砂井、挤密碎石工艺配合强夯施工,其加固效果比单一工艺高出许多,材料亦比单一砂井、挤密碎石方案要少,费用较低。

(7)节省工程造价;由于强夯工艺无需建筑材料,节省了建筑材料的购置、运输、制作、打人费用,除消耗少量油料外。没有其它消耗,因此工艺价格低廉。北京乙烯工程挤密碎石方案造价200元/m²以上,强夯仅25元/m²;茂名 30万t 乙烯工程,回填地基原采用分层碾压,没有达到应有的加固效果,如采用挤密碎石桩加固费用为 250元/m² 以上,强夯工艺仅需30~50元/m²,且加固效果更好,工期大大缩短。

(8)施工快捷;只要工艺适合,强夯工艺无需建筑材料的制作,打入时间,其施工周期最短,特别是对粗颗粒非饱和土的强夯,周期更短,一般与挤密碎石桩、分层碾压、直接采用灌注桩方案比较更为快捷,因此间接经济效益更为显著,更令建设单位感兴趣。这从另一方面对设计人员提出了更高要求,地基处理方案中时间效益更为凸显,施工快捷是方案可行与否的重要要求。

2.强夯技术的最新发展动态

近年来,国内强夯技术发展迅速,应用范围更为广泛,其关键技术主要集中在大能量的强夯技术研究和饱和软土复合地基的强夯技术研究。

(1)大能量强夯技术;为了加固深厚地基,特别是山区非均匀块石回填地基和抛石填海地基,必须施加大能量进行强夯处理,这样对大能量的加固机理和强夯机具提出了新的技术要求。

我国于1992年率先在三门峡火力发电厂采用 8000kN·m强夯技术,用于消除黄土湿陷性。以后,8000kN·m 强夯技术在我国普遍采用,成为目前国内常用的最高能量强夯,其有效加固深度约在11~12m 之间,几项工程效果如下∶

三门峡火力发电厂 消除黄土湿陷性 有效加固处理深度11.5m;惠州马鞭洲油罐区工程 处理抛石填海地基 (双层强夯)处理深度 24m;惠州威宏油罐区工程 处理抛石填海地基 处理深度 12m;

呈 处理山区非均匀回填地基 处理深度 10m;

贵州瓮福磷肥重钙工程

岳阳石化总厂原料工程 处理山区非均匀回填地基 (双层强夯)处理深度 17m;秦皇岛输油泵站罐区工程 处理山区非均匀回填地基 处理深度 10m;大连西太平洋石油化工炼油厂 处理山区非均匀回填地基 处理深度 12m。

《建筑地基处理技术规范》对 8000kN·m 以上强夯的处理深度没有建议,梅纳公式又显然不适宜。

大能量强夯施工的主要机具是 50t 履带吊,辅以龙门桁架,起吊高度接近 20m,夯锤重量约为 430kN,直径约为3.2m,静压强53.5kPa。

一般以3000kN·m强夯为限,当强夯能量小于3000kN·m 时,施工机具相对简单,50t 履带吊不必辅以龙门桁架,施工便捷、定位快、工效高、移动迅速;当强夯能量大于3000kN·m时,50t吊车必须辅以龙门架才足以保证安全施工。因而机具移动、定位相对较慢,工效相对降低。

当强夯能量要求大于 8000kN·m 时,目前施工单位常用的 50t履带吊难以承受,因此施工机具的制约是过高能量强夯技术发展的关键。目前国内也在加强这方面的研究。以 7St 履带吊辅以龙门桁架进行1000kN·m 以上能量强夯。显而易见这已成为机具的经济可行性研究,相信在不远的将来会很快得到开发与应用。

(2)饱和软土复合地基的强夯技术;对于饱和淤泥质粘土或者淤泥质粉土,由于其含水量高,粘粒含量多,粗颗粒含量少,渗透性差,直接采用强夯效果很差,甚至夯后地基承载力降低。那么决定饱和软土不适宜强夯的关键因素是什么?关键在于强夯过程中和强夯以后,饱和软土中超孔隙水压力不能消散,地下水不能排出,强夯所施加的能量根本不能改变土体结构,全部被超孔隙水压所吸收。甚至由此引起原有十体结构破坏.形成入们所称的"橡皮土"。为了提高在这类饱和软土中应用强夯的加固效果,首先必须解决土中地下水的排出和超孔隙水压力消散的问题,因此可以在饱和软土中打入挤密碎石桩、砂桩,使其在饱和软土中形成竖向排水通道,既有利于地下水的排出,又有和干超孔,隙水压力的迅速消散,教土地表面辅以铺设一定厚度的粗颗粒使土中排出的地下水有横向通道不致逸出地表浩成施工困难,形成地表软化。竖向排水通道的形成同时起到了十体置换的作用,增加了粗频粒含量,使本来不适宜强夯的软粘土成为适宜强夯的含粗颗粒土。一般工程经验证明,当粗颗粒含量大于30%时,地下水位适宜,可以采用强夯;当粗颗粒含量大于 60%时,地下水位适宜,强夯效果特别理想。在强夯过程中,饱和软土既有竖向变形也有横向变形、因此砂柱、碎石桩的设计要避免被挤断从而失去排水作用,可以从桩径和排水井的柔软性两个方面考虑。使其适应地基土的变形,同时具有一定的刚度和强度。除挤密碎石桩、砂桩以外,常用的排水井型式还有袋装砂井、硬质纸板、聚氯乙烯多孔塑料板等。本书介绍的天津川府新村住宅小区及天津宜白路住宅小区的工程实录中有关于饱和软土辅以砂井进行强夯加固处理的尝试。深圳福田开发区亦有局部饱和吹填软土辅以塑料插板进行小能量强夯的工程实践。目前我国沿海地区是建设项目热点地区。如石化项目多数设置在沿海地区。而沿海地区多数为软土地基,一般处理这类软土地基的方法有直接采用桩基、挤密碎石桩、深层搅拌桩、粉喷桩及真空预压、堆载预压、塑料插板等。当地基处理面积很大时.上述处理方法的造价、工期将十分惊人,因此工程技术人员对软基处理新工艺的研究兴趣极其浓厚。饱和软土辅以砂桩、碎石桩或其它工艺进行强夯处理技术将是非常具有吸引力的研究课题,应用前景广阔。该技术既可改进原有直接采用桩基、挤密碎石桩、深层搅拌桩等造价过高,同时又可缩短材料购置、制作、打人周期,其主要方法有以下几种∶

方法一;挤密碎石桩加强夯(图0-1)。如本书所介绍的北京乙烯工程(实录一),茂名乙烯工程(实录二)都对挤密碎石桩方案与强夯方案作出比较,挤密碎石桩上部加固效果不如强夯,对于饱和软土,结合挤密碎石桩加上强夯,加固效果会非常显著。挤密碎石桩既可起侧挤密作用又可起竖向排水作用。另外,挤密碎石桩加强夯比单纯挤密碎石桩布桩可稀疏,工艺可简化,使该工艺的总费用与单纯挤密碎石桩方案相比基本持平或略高一点。经该工艺加固后可同时满足一般建筑、工业厂房、设备基础的承载力和变形要求。

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方法二;砂桩加强夯。砂桩在饱和软土中只起竖向排水作用,因此其总体加密效果比挤密碎石桩加强夯效果要低些.一般可作为大面积厂区地基预处理方案。经过处理后可作为一般建筑。厂房、道路简单设备地基。对于高重设备则需通过验算,必要时还应辅以设备桩基。既便是采用部分桩基也比在饱和软土中直接采用桩基要经济得多,因为此时地基性状经处理后明显改善,桩侧阻力大大提高,消除了湿陷性,液化对桩基承载力的影响,再考虑桩—土共同作用,总体效果更好。

方法三;真空/堆载预压加强夯。目前沿海地区采用真空或推载预压处理软基的较多。该工艺相对直接采用桩基等方案造价低,但是周期很长,一般需要近一年甚至更长,且加固效果仅能达到 80~100kPa。根据预压s-t曲线分析发现(图 0-2)一般情况下堆载预压沉降量在最初的3个月发生最多,约占30%~50%,如果工期要求特别紧迫,此前可在软基中设置袋装砂井,在地表铺设一定厚度的碎石土,既有利于形成横向排水通道,又便于施工机具行走。然后就可以采用小能量强夯加固硬壳层,消除软基的其余部分沉降。经这一综合工艺处理后,地基承载力可达到80~130kPa,一般可作为大面积厂区的一般建筑、厂房、道路、简单设备地基。其特点是比真空或堆载预压工期大大缩短,加固效果更高,费用增加不多。可通过真空预压的插板间距和堆载预压的袋装砂井间距调整来综合考虑成本。由于小能量强夯本身的价格很低,因此两项工艺综合使用的造价并未提高多少,而工期却可大大缩短。

方法四;强夯碎石墩。在沿海地区软基处理中,部分工程采用了强夯碎石墩工艺,如深圳机场工程。强夯碎石墩工艺是将普通强夯的夯锤平底而改造成尖锥形底面,直径缩小,将其吊起后砸人地基内,形成锥状夯坑,将夯锤拔出后向夯坑内填注碎石形成碎石墩,然后再次夯击,将碎石墩的碎石夯击挤人软土中,起到置换和加固效果。

由此可以看出,辅以一定工艺后进行强夯处理是有效、经济地加固处理沿海(包括沿江、湖)地区饱和软土地基的重要研究课题,将会成为目前我国在该领域的重点内容,应用前景广阔。

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