4 强夯法和强夯置换法

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地基处理 晋城煤业集团10万吨/年合成油示范工程项目，位于晋城市矿务
局。由山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司投资建设，该项目总 投资为1350万美元。其中企业自筹385万美元，拟引资965万美 元。项目建成后，可实现年销售收入130万美元。
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夯击击数与遍数
国内确定夯击击数的方法有所不同： ①有的以孔隙水压力达到液化压力为准则； ②有的以最后一击的夯沉量达某一数值为限值； ③也有的以上、下二击所产生的沉降差小于某一数值为标准。
总之，各夯击点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧 向位移最小为原则，一般为4～10击。
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夯 击 击 数
夯 击 遍 数
强夯夯点的 夯击击数
按现场试夯得到的夯击击 数和夯沉量关系曲线确定
还要满足
a.最后两击平均夯沉量不宜大于下列数值：单击夯击 能量小于4000kN*m时为50mm；夯击能为4000～ 6000kN*m
时b.夯为坑10周0m围m地；面夯不击应能发大生于过6大0隆00起kN; ·m时为200mm;
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(3) 渗透性变化 当所出现的超孔隙水压力大于颗粒间的侧向压力时，
致使土颗粒间出现裂隙，形成排水通道，土的渗透性骤增， 孔隙水得以顺利排出。当孔隙水压力的消散到小于土颗粒 之间的横向压力时，裂隙自行闭合，土中水的运动又恢复 常态。 (4) 触变恢复
当土体液化或接近液化时，抗剪强度为零或最小，吸附 水变成自由水。随着孔隙水压力的消散，土颗粒间接触将 较夯击前更为紧密，土的抗剪强度和变形模量会有较大幅 度增长。这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水， 这也是具有触变性土的特性。
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(1) 饱和土的压缩性 由于土体中有机物的分解，土中总存在一些微小气泡，
其体积占土体总体积的1%-4%。进行强夯时，气体体积 压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出， 孔隙水压力减少，固相体积不变。这样每夯击一遍，液相 和气相体积有所减少。根据实验，每夯击一遍，气相体积 可减少40%。
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非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的 过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。
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动力固结
用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结 的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破 坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂 隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压 力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。
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夯锤和落距
夯锤一般重10～40t，通
常采用钢板外壳内灌砼。
锤底面积宜按土的性质确 定，锤底静压力值可取25 ～40KPa。
夯锤上
钢板砼组合夯锤 的气孔
夯锤宜设置若干上下贯通的气孔,可减小
夯锤起吊时的吸力(夯锤吸力可达3倍锤重)
园柱形夯锤高宽 比过大，容易偏 锤，要慎用

园锥形夯锤底 面积小，会形 成很深的夯坑
黏性土孔隙水 压力消散曲线
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现场试夯
根据初步确定的强夯参数，提出强夯试验方案，进行现场试夯。应根据 不同土质条件待试夯结束后一至数周后，对试夯场地进行检测，并与试夯 前数据进行对比，检验强夯效果，确定工程采用的各项强夯参数。
强夯地基承载力特征值
强夯地基承载力特征值应通过现场荷载试验确定，初步设计时也可根据 夯后原位测试和土工试验指标按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》 （GB50007—2019）有关规定确定。
H——有效加固深度(m) M——夯锤重(10KN) h——落距(m) α——系数
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有效加固深度的因素除了夯锤重和落距外，还包括夯击 次数、锤底单位压力、地基土的性质、不同土层的厚度和 埋藏顺序以及地下水位等。鉴于有效加固深度问题的复杂 性，以及目前尚无适用的公式，《建筑地基处理技术规范》 （JGJ79—2019）规定：强夯的有效加固深度应根据现 场试夯或当地经验确定。在缺少经验或试验资料时，可按 表4-2预估。
强夯处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围， 可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物， 每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2-2/3， 并不宜小于3m。
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夯距通常为3—12m 加固宽度计算图
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间隔夯比连夯好，间隔夯对深层加固有利
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(2) 产生液化 在重复夯击作用下，施加于土体的夯击能迫使土结构
破坏，孔隙水压力上升，使土体中的气体逐渐受到压缩。 因此，土体的沉降量与夯击能成正比。当气体体积的百 分比接近零时，土体便变得不可压缩。当施加到相应于 孔隙水压力上升到与覆盖压力相等的能量时，土体即产 生液化。
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夯击点布置及夯击次序
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NICE AIRPORT (France)
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Abu Dhabi Corniche (United Arab Emirates)
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间歇时间
●两遍夯击之间应有一定的时间间隔。各遍间的间歇时间取 决于加固土层中超静孔隙水压力消散所需要的时间。 ●对砂性土，孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间，消散 时间只有2-4min，故对渗透性较大的砂性土，两遍夯击间的 间歇时间很短，亦即可连续夯击。
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整式置换
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4.3 设计
强夯法设计
1. 有效加固深度
有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是 反映处理效果的重要参数。一般可按下列公式估算有效加 固深度，或按表预估：
H Mh
一般可理解为：经强夯加固后， 该土层强度和变形等指标能满足 设计要求的土层范围。
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震动波压密 动力置换
动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图4-4。整式置 换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换 土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石 桩（或墩）间隔地夯入软土中，形成桩式（或墩式）的碎石 墩（或桩）。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它 主要是靠碎石内摩擦角和桩（或墩）间土的侧限来维持桩体 的平衡，并与桩（或墩）间土起复合地基的作用。
液体 ② 活塞 ③ 弹簧 ④ 孔径
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静力固结和动力固结理论对比表
静力固结理论
动力固结理论
①不可压缩的液体
①含有少量气泡的可压缩液体
②固结时液体排出所通过的小孔， ②固结时液体排出所通过的小孔，其
其孔径是不变的
孔径是变化的
③弹簧刚度是常数
③弹簧刚度为变数
④活塞无摩阻力
④活塞有摩阻力
Menard根据强夯法的实践，提出了与太沙基静力固结 理论不同的、新的动力固结模型和理论。图4-1为太沙基 静力固结理论和Menard动力固结理论的模型对比图。
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（a）
（b）
图4-1 静力固结理论与Menard动力固结理论模型比较 （a） 太沙基静力固结模型（b） Menard动力固结模型
粘性土中的确定
根据孔隙水压力的叠加值
由于孔隙水压力沿深度的分布规律是上大下小，而土的 自重压力则是上小下大，因此，最佳夯击能宜按有效加固 深度确定为宜。
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砂性土中的确定
绘制孔隙水压力增量与夯 击击数(夯击能)的关系曲 线
无粘性土中孔隙水压力增 长及消散过程仅为几分钟， 当孔隙水压力增量随着夯击 击数(夯击能)增加而逐渐趋 于恒定时，可认为该无粘性 土所能接受的能量已达到饱 和状态，此能量即为最佳夯 击能。
c.不因夯坑过深而发生起锤困难。
夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用 点夯2～3遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必 要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能量满 夯2遍，满夯还可采用轻锤或低落距锤多次夯击， 锤印搭接。
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夯击点布置及间距
●1)夯击点布置：夯击点布置一般采用等边三角形、等腰三角 形或正方形布置。工业厂房可根据柱网来布置夯击点。 ●2)夯击点间距：夯击点间距(夯距)的确定，一般根据地基土 的性质和要求处理的深度而定。第一遍夯击点间距可取夯锤 直径的2.5，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍 夯击点间距可适当减小。对处理深度较大的工程，第一遍夯 击点间距适当增大。
带有气孔的锤较好，它可克服方形锤由于上下两次夯击着地并
不完全重合，而造成夯击能量损失和着地时倾斜的缺点。夯锤
中宜设置若干个上下贯通的气孔，它可减小起吊夯锤时的吸力，
又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力，从而减少能量的损
失。
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最佳夯击能
？ 最佳夯击能
在这样的夯击能作用下， 地基中出现的孔隙水压力 增大到等于土的自重压力。
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强夯可提高地基土 的强度,降低土的压 缩性,改善土的抗液 化条件
强夯法进行软土地基处理
共70页 第28页
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强夯法适用土层
碎石土
等等
砂土
低饱和 度的粉 土与粘 性土
湿陷性 黄土
杂、素 填土
对于高饱和度的可采 用强夯置换法 湖南科技大学
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8000KN.M 强夯2
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文件名
尽信书，则不如无书
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主要内容
• §4.1 概述 • §4.2 加固机理 • §4.3 设计 • §4.4 施工 • §4.5 质量检测
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4.1概 述
强 夯 法 是 法 国 Menard 技术公司于1969年首创的一 种地基加固方法，又名动力 固结法或动力压实法。这种 方法是反复将夯锤提到一定 高度使其自由落下（落距一 般为10～40m），给地基以 冲击和振动能量，从而提高 地基的承载力，降低土的压 缩性、改善砂土的抗液化条 件、消除湿陷性黄土的湿陷 性等。同时，夯击能还可提 高土层的均匀强度，减小将 来可能出现差异沉降。
长园柱夯锤 夯锤
短园柱夯锤 湖南科技大学
园锥形
共70页 第29页
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夯锤和落距
应根据地基土类别、结
夯 锤
单击夯击能=M*h
构类型、荷载大小和要 求处理深度等综合考虑，
总夯击能=N*M*h 并通过试验确定。
落距
落距
单位夯击能
一般国内夯锤可取1=0N～*2M5*th。/A夯锤的平面一般有圆形和
方形等形状，其中有气孔式和封闭式两种。实践证明，圆形和
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地基处理 陕西神木富油能源有限公司生产区地基强夯处理工程 中低温煤焦油及煤制氢厂区地基处理，单位夯击能点夯为 8000KN.M，满夯为4000kn.m。
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强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料， 用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。强夯置换法是20世纪 80年代后期开发的方法，适用于高饱和度的粉土与软塑-流 塑的粘性土等地基上对变形控制要求不严的工程。强夯置换 法具有加固效果显著、施工期短、施工费用低等特点。强夯 置换法一般处理效果良好，个别工程因设计、施工不当，加 固后会出现下沉较大或墩体与墩间土下沉不等的情况。因此， 《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2019)特别强调，采用 强夯置换法前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果， 否则不得采用。
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4.2 加固机理
目前，强夯法加固地基有四种不同的加固机理： ①动力密实、②动力固结、③震动波压密和④动力置换。
动力密实
采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密 实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土 体变得密实，从而提高地基土强度。在采用强夯法加固多孔 隙、粗颗粒、非饱和土的过程中，高能量的夯击对土的作用 不同于机械碾压、振动压实和重锤夯实，巨大的夯击能量产 生的冲击波和动应力在土中传播，使颗粒破碎或使颗粒产生 瞬间的相对运动，从而孔隙中气泡迅速排出或压缩，孔隙体 积减少，形成较密实的结构。
砂性土孔隙水压力消散曲线
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●对粘性土，由于孔隙水压力消散较慢，故当夯击能逐渐增 加时，孔隙水压力亦相应地叠加，其间歇时间取决于孔隙水 压力的消散情况，一般为2-4周。目前国内有的工程对粘性 土地基的现场埋设了袋装砂井（或塑料排水带），以便加速 孔隙水压力的消散，缩短间歇时间。有时根据施工流水顺序 先后，两遍间也能达到连续夯击的目的。