4 强夯法与强夯置换法

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d)触变恢复 在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当上体出现液化或
接近液化时，土的强度达到最低值。此时土体产生裂隙，而土中吸附 水部分变成自由水，随着孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模 量都有了大幅度的增长。这是由于土颗粒间紧密接触以及新吸附水层 逐渐固定的原因，而吸附水逐渐固定的过程可能会延续至几个月。在 触变恢复期间，土体的变形(沉降)却是很小的。如果用传统的固结理 论也就不能说明这一现象，这是自由水重新被土颗粒所吸附而变成了 吸附水的缘故．这也是具有触变性土的特性。
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4.1.3 强夯法适用范围
强夯法用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄 土、素填土和杂填土等地基。对于软土地基，处理效果不显著。
强夯置换法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。
《地基处理规范》规定：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。
①软土地基，提高地基承载力和减少沉降量； ②饱和砂土和粉土，消除液化趋势； ③黄土和新近堆积黄土，消除湿陷性、提高承载力。
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4.3.1 强夯法设计计算 1）有效加固深度
4.3 设计计算
H Mh
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式中 H ——有效加固深度（m）； M ——夯锤重（kN）； h ——落距（m）； ——修正系数，一般取 =0.34～0.8， 值与地基土性质有关，软土可取 0.5，黄土 可取 0.34～0.5。
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法国Menard公司于1969年应用强夯法对法国Riviera滨海填土进行夯实。 经3个月预压（荷载100kPa），沉降值200mm。100kN夯锤，落距13m， 夯击后，场地平均沉降量500mm，基底压力300kPa。8层住宅竣工后，平均 沉降量13mm，而差异沉降则可忽略不计。
堆载预压与强夯的对比
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4.1.2 强夯法在我国的发展
在地基土中所产生的的冲击被和动应力，可提高土的强度、降低土的 压缩性、改善砂土的振动液化条件和消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。 同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。 对于砂土地基承载力提高2～5倍，压缩性降低2～10倍。
为：2～4平米；一般第四纪粘性土3～4平米；淤泥质粘土4～ 6平米；黄土4.5～5.5平米。
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（4）落距选择 国内通常采用的落距是8～25m。对相同的夯击能量，常选用大落距的 施工方案，这是因为增大落距可获得较大的接地速度，能将大部分的能量 有效地传到地下深处，增加深层夯实效果，减少消耗在地表土层塑性变形 的能量。
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表4.2 强夯的有效加固深度
表 3.2 强夯的有效加固深度(m)
单击夯击能/kN·m
碎石土、砂土
粉土、粘性土、湿陷性黄土
等粗颗粒土
等细颗粒土
1000
5.0～6.0
2000
6.0～7.0
3000
7.0～8.0
wk.baidu.com4000
8.0～9.0
5000
9.0～9.5
6000
9.5～10.0
强夯法的特点：
（1） 施工工艺和施工设备简单，适用土质范围广，加固效果显著， 可取得较高的承载力；
（2） 具有工效高、施工速度快、节省加固原材料、施工费用低、 耗用劳力少等优点。
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4.2 加固机理
强夯法虽然是一种较好的地甚处理方法．但到目前为止还没有一套成熟 和完善的理论和设计计算方法。在第十届国际土力学和基础工程会议上，美 国Mitchell教授在“地基处理”的科技发展水平报告中提到： “强夯法目 前已发展到地基土的大面积加固，深度可达30m。当应用于非饱和土时， 压密过程基本上同实验室中的击实试验相同。在饱和无粘性土的情况下，可 能会产生液化，其压密过程同爆破和振动压密的过程相似。”这种方法对饱 和细颗粒土的效果，成功的和失败的例于均有报道。
第4章 强夯法和强夯置换法
4.1 概述
4.1.1 强夯法的概念
强夯又称为动力固结法或动力压实 法。它是反复将夯锤（质量10～40t） 提到一定高度自由落下（落距10～ 40m），给地基以冲击和振动能量，提 高地基承载力并降低其压缩性，改善地 基性能。
如改善砂土抗液化条件、消除湿陷 性黄土湿陷性。同时，夯击能还可提高 土层的均匀程度，减少将来可能出现的 差异沉降。如右图所示施工现场。
④活塞有摩阻力
静力固结理论和动力固结理论的模型比较
a）静力固结理论模型
b）动力固结理论模型
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4.2.3 动力置换
强夯置换法是在强夯的同时，夯坑中可置入碎石，强行挤走软土。 如下图所示，强夯置换法又分为整式置换和桩式置换两类。
a）整式置换
b）桩式置换
实际工程中，对于不同土类强夯的作用不同：
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2）夯锤和落距
（1）单击夯击能 夯锤重M与落距h的乘积。最好锤重和落距都大，单击能量大, 夯击击数少, 夯击遍数也相应减少, 加固效果和技术经济较好。 （2）单位夯击能 场地总夯击能量（即锤重×落距×总夯击数）除加固面积称为单位夯击能。 应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑， 并可通过试验确定。 粗颗粒土1000～3000kN·m/m2，细颗粒土1500～4000kN·m/m2。 最佳夯击能： 地基中出现孔隙水压力等于土的自重应力时的夯击能量。 1、粘性土最佳夯击能的确定办法：根据孔隙水压力 的叠加值进行确定 2、砂性土最佳夯击能的确定方法：孔隙水压力不能叠加，绘制孔隙水压力 增量与夯击数的关系曲线确定最佳夯击能。孔隙水压力增量趋于稳定时，即可 获得最佳夯击能。
3）夯击点布置及间距 （1）夯击点布置 等边三角形、等腰三角形或正方形布置。 强夯处理范围应大于建筑物基础范围，对一般建筑物，每边超出基础外 缘宽度宜为设计处理深度1/2～2/3，并不宜小于3m。
（2）夯击点间距 细颗粒土，为便于超静孔隙水压力的消散，夯点间距不宜过小。
第一遍夯击点间距5～15m（锤直径2.5～3.5倍）； 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。
• 1979年，秦皇岛码头堆煤场细砂地基强夯法试验，共节省150万元。 • 1979年，廊坊机械化研究所宿舍工程强夯法处理可液化砂土和粉质
粘土地基的试验，取得了较好的加固效果。
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20世纪80年代后期，又发展了强夯置换法。 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强夯置换墩，最终形 成砂石桩与软土构成的复合地基，从而提高地基的承 载力并减少地基沉降。 对于饱和软土地基，为提高其加固效果，必须设 计排水通道。为此，在软粘土地基上采用强夯法与袋 装砂井（或塑料排水带）综合处理的加固方法也是一 种发展途径。
用强夯法处理细颗粒饱和土时， 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。
软土触变性，使强度得到提高。
夯击一遍的情况
Menard教授动力固结理论： ①饱和土的压缩性；②局部液化；③渗透性变化；④触变恢复（时间效应） 与土强度的增长。
锤底静压力值25～40kPa。 锤底面积为2～6m2。 防止偏锤现象，黄土高宽 比1:2.5～1:2.8。
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夯击时注意事项： （1）对于饱和粘性土所需能量不能一次施加，否则引起
土体流动，强度降低，难以恢复。 （2）夯击时分几遍施加。
对夯锤的制作要求： （1）锤重：10～25t，目前最大为40t； （2）形状：圆形和方形，带气孔或封闭式； （3）锤的底面积：不能太小；对于砂性土和碎石土一般
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3m
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2
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3m
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3m
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3m
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3m
a）13个击点夯一遍分三次完成 b）9个击点夯一遍分三次完成 夯点布置及夯击次序
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4）夯击击数与遍数
（1）夯击击数确定 按现场试夯夯击击数和夯沉量关系曲线确定，同时满足下列条件： ① 最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值： 单击夯击能小于4000kN·m时为50mm； 单击夯击能为4000～6000kN·m时为100mm； 单击夯击能大于6000kN·m时为200mm。 ②夯坑周围地面不应发生过大隆起。 ③不因夯坑过深而发生起锤困难。 夯击点的夯击击数3～10击比较合适。
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： 静力固结与动力固结的区别
静力固结理论（图4.3a）
动力固结理论（图4.3b）
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，
其孔径是不变的；
其孔径是变化的；
③ 弹簧刚度是常数；
③弹簧刚度是变数；
④ 活塞无摩阻力
a）饱和土的压缩性
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b）产生液化 孔隙水压力上升到与覆盖压力相等时，土体产生液化。不同于
地震时液化，是土体的局部液化。当液化度达到100％，土体产生液化 的临界状态，此时的能量称为“饱和能”，再继续夯击，能量造成浪费。
c）渗透性变化 在很大夯击能作用下，地基土体中出现冲击波和动应力。当所出
现的超孔隙水压力大于颗粒间的测向压力肘，致使土颗粒间出现裂 隙，形成排水通道。此时，土的渗透系数骤增，孔隙水得以顺利徘 出。在有规则网格布置夯点的现场，通过积聚的夯击能量，在夯坑 四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。所以应规 划好强夯的施工顺序，而不规则的紊乱夯击，可以破坏这些天然排 水通道的连续性。在现场可观察到夯击前在土工式验中所量测的渗 透系数，是不能说明夯击后孔隙水压力迅速消散的这一特性的。
度和抗剪强度，使压缩性减小。
• 夯击一遍后，夯坑深度0.6～1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳
层，承载力比夯前提高2～3倍。
• 非饱和土在中等夯击能量1000～2000kN.m的作用下，主要是产生
冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减少，最大可减少60%。
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4.2.2 动力固结
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4.2.2 动力固结
a）
b）
a）静力固结理论模型（太沙基） b）动力固结理论模型（Menard） 静力固结与动力固结模型比较
夯击三遍的情况
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加固对象：细颗粒饱和土。 加固机理：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，使土体局部产生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道， 使孔隙水顺利溢出，待孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变 性，强度提高。
对于这类土需要破坏土的结构、产生超孔隙水压力以及通过裂隙形成排 水通道。而强夯法对杂填土特别有效。
目前，强夯法加固机理有3种不同的加固机理：动力密实、动力固结 和动力置换。加固机理取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
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4.2.1 动力密实
• 强夯法加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土体，是动力密实。 • 夯击能使土的骨架变形，土体孔隙减小变得密实。提高了土的密实
8000
10.0～10.5
注：1.强夯的有效加固深度应从最初起夯面算起。
4.0～5.0 5.0～6.0 6.0～7.0 7.0～8.0 8.0～8.5 8.5～9.0 9.0～9.5
2.单击夯击能（锤重与落距的乘积）范围为 1000～3000kN.m，满足了当前绝大多数工程的需要。
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（3）夯锤选择 国内夯锤一般重10～25t。夯锤材质最好用铸钢，或用钢板为壳内灌混 凝土的锤。 锥底锤、球底锤的加固效果较好，适用于加固较深层土体；平底锤适 用于浅层及表层地基加固。 上下贯通的气孔，孔径250～300mm，可减小起吊夯锤时吸力（夯锤 吸力=3×锤重）；又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。
（2）夯击遍数确定 一般1～8遍，粗颗粒土可少些，细颗粘土（淤泥质土）要求多些。 视满夯的夯实效果，除了采用2遍满夯外，还可采用轻锤或低落距锤多 次夯击，以及锤印搭接等措施。
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砂性土：1～3遍 粘性土：2～4遍
夯击点的夯击数为3～10击。 最后低能量（1/4～1/5）， 2～4击满夯一遍。