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岩土研究院

强夯技术加固地基试验研究

343 2022-03-30 15:20:22

1.前言

强夯法亦称动力固结法。就是将大吨位重锤提升到一定高度,使其自由下落。按特定的工艺对地基进行强力夯实。以达到加固地基的新施工方法。

强夯法加固地基一般是以80~3000kN的重锤。8~20m 的落距。对土进行强力夯击,其特点是将机械能转换为势能。再变为动能—夯击能对土体作用。它靠很大的冲击能(500-300kN·m)使地基土中出现冲击波和很大的动应力。以提高土的强度。降低其压缩性、改善土的振动液化条件。消除湿陷性黄土的湿陷性等、并能提高土层的均匀程度。

强夯法首先由法国的 L.Menard于1969 年用于夯实滨每填土,由于方法简单,快速和经济,在地基处理中得到广泛应用。实践证明∶强夯不仅适用于碎石土、砂土、低饱和度的粘性土、填土等地基的加固,对消除湿陷性黄土的湿陷性及提高土的强度,也有显著的效果。

2.设计方法

采用强夯技术进行地基处理,一定要根据工程的地质条件和使用要求来确定,并合理正确地选择各种参数,才能达到有效而经济的目的。设计中经常遇到下列问题∶锤重和落距,最佳夯击能,夯击遍数,两次夯击遍数的间歇时间、加固范围和夯点布置等内容。

(1)锤重和落距

通常根据试验选择的最佳夯击能来确定锤重和落距。在条件不许可时,可按Menard修正公式,根据起重机的起吊能力和要求加固的深度,按下式进行计算

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(2)最佳夯击能

在某夯击能作用下,地基中出现的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能称为最佳夯击能。

被加固地基土中孔隙水压力消散慢,当夯击能逐渐增大时。孔隙水压力亦相应的迭加,可按此迭加值确定最佳夯击能。必须指出,孔隙水压力沿深度的分布规律是土大下小,而土的自重压力是上小下大,因此,对被加固的地基土的最佳夯击能应根据有效影响深度确定为宜。在一般情况下,对于粗颗粒土可取 1000~3000kN·m/m2,细颗粒土可取 1500~4000kN·m/m²。

(3)每遍的最佳夯击数和夯击遍数

选择每遍的最佳夯击数,可根据静力触探、动力标贯及土工试验结果给出夯击数与有效影响深度的关系曲线,在满足有效加固深度的条件下,一般以曲线上明显变化的起点所对应的夯击数为每遍的最佳夯击数。且应同时满足下列条件。

①最后两击的平均夯沉量不大于50mm,当单击夯击能量较大时不大于100mm;②夯坑周围地面不应发生过大的隆起;③不因夯坑过深而发生起睡困难。

夯击遍数应根据地基土的性质确定,一般情况下,可采用2~4遍,最后再以低能量满夯一遍。对于渗透性弱的细颗粒土。必要时穷击遍数可适当增加。且宜采用多遍数,少击数的施工方案。(4)间歇时间

两遍夯击之间应有一定的时间间隔。间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。当缸少实测资料时,可根据地基土的渗透性确定,对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间,应不少于3~4 周;对于渗透性好的地基可连续夯击。

(5)加固范围

强夯的加固范围应大于建筑物基础的范围,否则会出现四周为外部没有夯击过和内部已夯击过的边缘。为了避免在夯击后的土中出现不均匀的"边界"现象,从而引起建筑物的差异沉降。必须规定对夯击面积增加一个附加值,放大宽度可自建筑物基础外侧边线起增加加固深康的13~1/2距离,并不宜小于 3m。亦可按照下列公式进行计算。

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(6)夯点布置

夯点位置可根据建筑物结构类型布置,一般采用正三角形、正方形或梅花形布点。对大面积基础,宜采用正方形插档法布置;对条形基础可采用点线插挡法布置;柱基可采用点夯法夯击;对砂土和抛石强夯挤淤,可用排夯法加固(锤印彼此搭接 200mm~300mm);当要求加固深度较大时,可在较低标高上夯完后,再将土填到设计标高,进行第二次夯击。具体布置方法,可见图3-4-15所示。

(7)夯点间距

宜根据建筑物结构类型、土层厚度和土质条件(或通过试夯)确定;一般为夯锤育径的1.5~2.0倩。当压缩层厚度大,土质差时应增大夯击点间距,第一遍夯点间距宜为6~8m;对土层较薄的砂土或回填土,第一遍夯击点间距最大,以后各遍夯击点间距可与第一遍相同,也可适当减小。对处理深度较深或单击穷能较大的工程,第一遍夯击点间距宜适当增大。

3.试验及监测

(1)检测方法

强夯技术加周地基上,在夯前要进行试夯区试验研究,夯后要进行工程监测。前者是为了大面积施工选择合理的设计与施工参数。后者是为了检验工程质量是否符合设计要求。检测技术很多,常用的下列技术较为简单易行且安全可靠。

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①D静力触探试验。此种方法简明可靠、速度较快。在夯后地基土上。可在夯心和夯间分别进行,既可看出夯前夯后的曲线变化情况。从而确定加固地基的有效区域,又可看出加固后地基承载力的提高幅度。

②人工开挖竖井取样,土工分析夯后土的物理力学性能。在湿陷性黄土地区用钻(冲)击取样的做法,分析湿陷性一般来讲不太适应,其原因是环刀取土时,钻机已破坏大孔隙组织,易造成假象出现。在其它地区可采用常规(钻机)取样。

③静载试验。可按原状土进行载荷板试验试验,载荷板面积易取0.25m²或0.5m²,以此确定强夯后的地基承载力的提高幅度。

④动力标贯试验,可结合钻机取样进行土工分析,做动力标贯试验,以确定强夯的影响范图和地基承载力的提高幅度。

⑤其它试验。有条件可做孔隙水压力测定,土体变形的测量以及动力固结仪试验等内容。

(2)检测数量

质量检验的数量,应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定。对于简单场地上的一般建筑物,每个建筑物地基的检验点不应少于3处;对于复杂场地或重要建筑物地基应增加检验点数。检验深度应不小于设计处理的深度。

(3)检测时间

强夯施工结束后应间隔一定时间方能对地基质量进行检验。对于碎石土和砂土地基,其间隔时间可取1~2周;低饱和度的粉土和粘性土地基可取2~4周。

(4)施工记录检查

检查强夯施工过程中的各项测试数据和施工记录,不符合设计要求时应补夯或采取其它有效措施。

4.工程实例

某课题小组自 1991年承担省攻关课题《强夯技术加固地基的开发研究与应用》之后,先后在焦作热电厂、洛阳外国语学院、首阳山电厂二期工程和茂名 30万吨乙烯工程等项目中开展了试验研究工作,具体项目简介如下∶

(1)焦作热电厂工程

焦作市热电厂位于焦作市牛庄村北、冶炼厂东部,该工程装机容量2x 12MW,由河南省电力设计院设计。

根据焦作市规划建筑设计院的《焦作市热电厂工程地质勘察报告》,,其(1)、(2)层亚粘土的湿陷性较大,设计院要求采用经济可行的强夯处理方案。

本次施工是由溶阳市基础工程公司承担。同时也是河南省施工队伍首次进行大能级的强夯施工。为确保施工的顺利进行,首先在冷却塔的部位进行了 400m²的试验区工作,最终确定采用3000kN·m 的强夯、四遍夯击,单点击数为10~15,以最终沉降量小于50mm的施工工艺。

主厂房施工完毕后,对其进行了全面的检测工作,通过静力触探、竖井取样、载荷板试验等技术手段,可知绝大部分地带已满足承载力要求且消除了下部湿陷性。但由于强夯施工过程中碰到4~5天的阴雨天气,以及原砖窑地带强夯前灌水太多,造成部分软弱夹层,甚至产生橡皮土。

为消除这部分软弱夹层及强夯过程中产生的橡皮土,采用了强夯置换技术,用碎石(5mm~20mm),1000kN·m能击,夯击5次的施工工艺进行处理,达到了预期效果。

(2)洛阳外国语学院教学楼

洛阳外语学院主教学楼位于洛阳市涧西、洛阳外国语学院院内,由中国人民解放军总后勤部建筑设计院设计。

根据机械工业部第四设计院勘察分院进行工程地质勘察结果,在地表以下7m 深度内存在着湿陷性黄土。目由于场地原因。在主教学楼东部存在着较为软弱的浸不区并且有人防工程及大量人工填十。设计要求采用强夯技术处理非均匀地基.既要消除黄士的湿陷性,又要提高地基承载力。

为确保在非均匀地基上进行强夯加固地基的成功,首先在主教学楼东西设置两个试验区,位置分别在浸水区的未浸水区。经过两个试验区从2000kN·m 至 3500kN·m。单点夯击次数从 10击~20击的对比试验,最后选定了2种施工参数,对西部未浸水区采用3000kN·m,10击对全部浸水区采用3500kN·m。15击的施工工艺、分别消除了西区的黄土湿陷性和东区的回填土的地基承载力偏低的现象。达到了预期的目的。

值得注意的是。在洛阳外国语学院强夯施工时,由于距学生宿舍较近、施工上采用了防震沟的做法,避免了落锤震动对已有建筑的影响。

施工完毕后,采用了静载试验,静力触探动力标贯。蝼井土工试验等方法对强夯工程进行了全面检测,达到设计要求。

(3)首阳山电厂二期扩建工程

首阳山电厂二期扩建工程徐家沟灰场位关首阳山电厂以北约 8km的邙岭北藏孟津东良村境内。该灰坝设计及地基勘测均由西南电力设计院承相。结果为场地存在湿陷性及承载力较低的问题,设计上采用强夯处理。

该工程正式施工前,采用三个试夯区确定施工参数,其中一区采用1800kN·m,8 击,夯点间距5m;二区采用2500kN·m,8击,夯点间距 5m;三区夯点间距均为6m,按夯击能、击数又分为四个小区,1区采用2500kN·m,8击,2区采用2500kN·m,12 击,3区采用1800kN·m,8击。4区采用1800kN·m,12击。经过对上述三个试区的全面试验分析,包括采用竖井地工试验,静力触探动力标贯和对击数及夯沉量进行分析,以取得最佳夯击能,最终来用2500kN·m,12击,夯点间距6m,满夯为 1/2互压的施工工艺,对该灰坝地基进行了强夯加固地基的处理,满足了设计要求。

(4)茂名 30万吨乙烯工程强夯土地基静荷载试验

茂名 30万吨乙烯工程,位于广东省电白县至茂名公路南侧飞机坪。是国家"八五"重点建设项目。总投资额170亿人民币,由北京石化工程公司设计。其部分装置区(苯乙烯、乙烯、聚丙烯、全密度聚乙烯等)的地基进行了回填土的强夯加固,为确定强夯后的地基承载力,同时提供可供工程所用的轻便静探试验的静力参数,对其进行了10 组的堆载压板荷载试验,其结果为综合评价该工程的强夯土的地基承载力提供了实测依据,取得了良好的技术、经济效果。

(5)经济效益分析

采用强夯技术加固地基与传统的地基处理手段相比,具有较大的经济技术效益,据上述四个工程的不完全统计,强夯法的造价为挤密碎石桩(或灰土桩)的65%,为砼灌柱桩基础造价的 50%,而且与常规的地基处理技术相比,具有施工进度快的特点,每台穷机日工作量可达 300~400m²,由此带来的工期缩短,项目提前运行,将产生十分显著的经济与社会效益。

通过对强夯技术加固地基的开发研究与应用,施工机具的研制,施工工艺的总结,加固地基的机理研究,设计与试验分析,著干实际工程的经验总结并收集了国内外有关强夯技术加固地基等方面的研究与应用资料。经过中国科学技术信息研究所的科技成果查新后,可得出以下结论∶

(1)焦作市热电厂、洛阳外国语学院、首阳山电厂~二期扩建工程和茂名 30万吨乙烯工程的经验表明,强夯技术加固非均匀地基(含湿陷性黄土、软弱夹层、大面积回填土)是可行的。可为建设单位节约大量资金(与常规处理手段相比。可节约造价 40%左右),而且可以加快施工进度,由此可带来工程的早日建成投产。产生较大的经济及社会效益。

(2)本课题组对强夯后的地基土进行了较为全面的测试分析,研究了土强度的增长过程及机理。具体采用静载荷试验,静力触掇、动力标贯和竖井土工试验相结合的办法,对强夯后土体的强度、变形进行分析,探讨了夯击能量的传递机理和强夯的时效理论,可供类似工程参考。

(3)结合强夯技术加固地基的适用范围,对 Menard公式进行了修改。当遇到软弱夹层时,主要采用碎石置换法;对土体的有效影响深度、最佳夯击能、最佳夯击数进行了研究。在国内首次对强夯后产的橡皮土采用强夯置换法进行处理,并取得成功。

(4)研制了一套适合中国国情的采用中小型起重机(16t以下履行带式)进行大吨位能量(3500kN·m)的施工机具。该机具主要由起重机、门式框架结构、自动脱钩器三部分构成,并对其施工工艺进行了探讨,可供类似工程使用。

(5)强夯技术是近 20年来发展起来的新兴技术,我国引入此项技术也仅10多年的时间,虽然已在许多工程中得到成功的应用,但仍有许多问题需要研究,如强夯固结理论的研究,设计方法的进一步完善,如何减少强夯噪声及振动噪声的环境问题等,均需做进一步的努力。

采用强夯法加固松软地基一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求,正确地选定强夯参数。才能达到经济而有效的目的。强芬参数包括;锤重和落距、最佳夯击能、夯点布置、夯击次数与遍数、两次夯击遍数的间歇时间和加固范围等。