第5章强夯法和强夯置换法

概述
概述
概述
强夯置换：将重锤提到高处使其自由下落形成
夯坑，并不断夯击坑内回填的砂石、钢渣等硬粒料， 通过夯击能作用排开软土，使其形成连续密实的墩 （桩）体的地基处理方法。
概述
强夯法适用土层
碎石土
等等
砂土
低饱和
杂、素
度的粉 土与粘
性土
湿陷性 黄土
填土
对于高饱和度的可采 用强夯置换法
概述
《建筑地基处理 技术规范》 (JGJ79-2012)规 定
（2）土的性质 对颗粒较细的粘性土，锤底面积要加大， 一般取4～6m2；对砂性土、含水量较低的回填土，锤底面积取 2～4m2。
（3）控制夯锤的高宽比
设计计算
？ 最佳
夯击能
最佳夯击能
在该能量作用下，地基中 出现的孔隙水压力达到土 的自重压力。
粘性土 砂性土
根据孔隙水压力的叠加值
绘制孔隙水压力增量与夯击 击数(夯击能)的关系曲线
（4）混凝土锤与铸铁锤对比
夯击时，混凝土锤由于重心较高，接地不稳，冲击后晃动 大，夯坑较深且开口较大，坑侧壁摩擦小，容易起锤。铸铁 锤落地稳，夯坑开口较小，夯坑较深后侧壁摩阻力大，且夯 坑塌土容易堆在锤顶，堵塞气孔而引起提锤困难，两者加固 作用相差不大。
设计计算
有效加固深度
（5）土层分布影响 一些工程实测表明，当土层上层较下层硬，或中间 层有薄层硬层的下部软弱土，其下部软弱土加固效果差， 尤其下部软弱土分布深时加固效果差。
3. 渗透性变化：超孔压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。此时，土的渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出。 孔压消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合。
4. 触变恢复：土体的强度逐渐减低，当出现液化或接近液化时，强度达 到最低值。此时土体产生裂隙，而吸附水部分变成自由水，随着孔压 的消散，土的抗剪强度和变形模量都有大幅度的增长。
设计内容：有效加固深度及加固范围、单击夯 击能、夯击次数、夯点间距及平面布置、夯击遍数 和分遍的间歇时间、确定垫层厚度等。强夯设计还 应包括施工现场测试设计。
强夯法在设计前必须通过现场试验确定其适用 性和处理效果。
设计计算
有效加固深度
？ 强夯的
有效加 固深度
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。
H Mh
修正系数，根据地 基土性质决定，
α＝0.34～0.8
夯锤重
落距
设计计算
有效加固深度
影响H的因素除了锤 重和落距外，还有地基土 的性质、不同土层的厚度 和埋藏顺序、地下水位以 及其它强夯的设计参数。
应根据现场试夯或当地 经验确定有效加固深度
如果没有则根据《建筑地基 处理技术规范》的建议取值。
同时有关强夯加固机理的解释应区分饱和土和非饱和 土、粘性土和砂性土以及其它一些特殊性土。
强夯加固的基本原理 夯 锤
夯击能
冲击力
冲击波
冲切上部土体
隆起 地面
结构破坏
挤压
形成夯坑
土体
挤压周围 土体
强夯加固的基本原理
某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及 周围地表隆起情况
强夯加固的基本原理
对非饱和土地基
压密过程基本上同实验 室中的击实实验相同， 挤密振密效果明显。
强夯置换法适用条件： 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。 强夯置换法在设计前必须通 过现场试验确定其适用性和 处理效果。
概述 强夯法、 强夯置换法 的优点
强夯法加 袋装砂井
加固效果好 施工简单 使用经济
软粘土地基的综合治理
概述
国内 发展 阶段
自引进到80年代初，约8年。本阶段工程应 用强夯能级比较小，一般仅为1000kN·m，处 理深度5m左右，以处理浅层人工填土为主。
次压实区——土结构破坏但未充分压实区 4.对无粘性土，存在振密区
1.夯击间隔一定距离 2.加固顺序先重后轻，先深后浅，最后满夯 3.夯点分遍夯击，每遍间隔一定时间，使孔隙 水压力消散 4.锤重大于80kN，落距大于6m
各种饱和土、非饱和的粗粒、细粒土，对厚层 渗透系数小于10－5cm/s的饱和粘性土应慎重
80年代初到90年代初。本阶段兴建国家重点 工程山西化肥厂，为了消除黄土地基的湿陷 性，国家化工部组织开发了6250kN·m能级 强夯，使有效处理深度提高到了10m左右。 90年代初到2002年，本阶段以兴建国家重 点工程三门峡火力发电厂为契机，成功开发 了8000kN·m能级强夯，使强夯消除黄土湿 陷性的深度达到15m。 2002年底至今，强夯工程最高应用能级已经 达到10000kN·m。为了更进一步扩大强夯的 应用范围，在强夯技术的基础上，还形成了 强夯置换和柱锤冲扩等新技术 。
质量检验
工程实例
施工方法
设计计算
加固机理
二、加固机理
强夯加固地基的机理比较复杂，随地基类型和加固特点不 同，其加固机理也有所不同。
强夯加固机理首先应从宏观和微观机理上加以分析。宏观 机理是从加固区土所受冲击力、应力波的传播、土的强度对 土加密的影响作出解释，是强夯加固的外部表现；而微观机 理是对冲击力作用下，土微观结构的变化，如土颗粒的重新 排列、连接作出解释，是强夯加固的内部依据。
密
固夯被深坑挤度底出范的部围过形程内成，气一其相层变体超形积压主大要密大是硬
实
减壳由少层于，，土最颗承大粒载的可力相减可对少比位6夯移0%前引。提起。高
2～3倍。
强夯源自文库固的基本原理
巨大的冲击能量在土中产生很大
动
的应力波，破坏了土体原有的结构，
力
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，
砂土地基孔隙水压力增加和消散过程很快，孔隙水压力不能随 夯击能增加而叠加，当孔隙水压力增量随夯击次数的增加而趋于稳 定时，可认为砂土能接受的能量已达到饱和状态。
设计计算
最佳夯击能
砂性土的最大孔隙水压力增量与夯击次数的关系
设计计算
夯击击数和遍数
按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关
强
系曲线确定。
夯
夯
1.最后两击平均夯沉量不宜大于下列数值：
设计计算
有效加固深度
影响加固深度的因素：
（1）单位面积上施加的总夯击能（不包括满夯）及遍数 增大单位面积夯击能不仅增大了加固深度，且增大了土
层强度。对饱和粘性土及含水量大的湿陷性黄土，增加夯击 遍数，不仅逐遍增大土的强度及密实度，且增大有效加固深 度。但含水量大的非饱和土第一遍的夯击效果大，分遍夯的 效果不及饱和土分遍夯作用显著，遍数可较少。
概述
以处理饱和软土为目的低能级强 夯技术；
三个 研究 方向
以处理高填土和深厚湿陷性黄土， 以及消除湿陷为目的的高能级强夯 技术；
强夯与其他地基处理技术优势互 补，发展成为组合式地基处理技 术。
降水强夯-高真空击密工法（远眺）
降水强夯-高真空击密工法（近景）
在真空管之间进行强夯
主要内容
发展趋势
一段时间。
设计计算
夯锤和落距
选
选择夯锤
圆形和方形 气孔式和封闭式
择 合 适 锤重
底面积按土 的性质确定
的
夯 确定落距 锤
强夯置换
和 落
根据单击
较适宜的夯击能 介于
距 夯击能量 夯击能最低值
设计计算
夯锤和落距
锤底面积的的选用原则：
返回
（1）土层加固厚度 对加固土层厚度小于5m，锤着地面积 为2～5m2，加固土层厚度大于5m时，锤着地面积一般要求4.5m2。 根据理论分析，土体压缩沉降，底面积大小的影响比外力强度 大小影响更敏感，所以在同样条件下，加大基底面积比加大锤 重效果更明显。
对饱和无粘性土地基
土体可能会产生液化， 其压密过程同爆破和振 动密实的过程相同。
对饱和粘性土地基
产生超孔压，并且逐渐 消散，地基土固结，孔 隙比减小，强度提高。
强夯加固的基本原理
动力
加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土
三
密实
动力荷载减小土孔隙，提高强度
种
处理细颗粒饱和土
加
动力
固
固结
局部产生裂缝，增加排水通道
设计计算
有效加固深度
强夯有效加固深度经验值
单击夯击能 碎石土、砂土等 粉土、粘性土、湿陷性
(kN·m)
粗颗粒土
黄土等细颗粒土
1000
5.0～6.0
4.0～5.0
2000
6.0～7.0
5.0～6.0
3000
7.0～8.0
6.0～7.0
4000
8.0～9.0
7.0～8.0
5000
9.0～9.5
8.0～8.5
对所有夯点应分批次分遍夯击，若对所 有夯点都先夯击一遍，将造成浅层先加 固，降低以后深层加固的效果。
设计计算 夯 锤
落距
夯锤和落距 单击夯击能=M*h
根据加固土层的 厚度、地基状况 和土质成分确定
总夯击能=N*M*h
单位面积夯击能=N*M*h/A
饱和粘性土所需的能量不能一次施加，否则 土体会产生侧向挤出，强度反而有所降低，且难 于恢复。根据需要可分几遍施加，两遍间可间歇
6000
9.5～10.0
8.5～9.0
8000
10.0～10.5
9.0～9.5
注：强夯法的有效加固深度应从最初起夯面算起
设计计算
有效加固深度
置换深度 不宜超过 7m
强 夯 置 换 土质条件决定 墩 的 深 度
对淤泥、泥炭等粘性软弱土 层，置换墩应穿透软土层， 着底在较好土层上。
对深厚饱和粉土、粉砂，墩 身可不穿透该层。
动力固结理论
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，其孔径是变化的 ③弹簧刚度为变数 ④活塞有摩阻力
强夯加固的基本原理
强夯时的动力固结主要表现在以下四点：
1. 饱和土的压缩性：进行强夯时，气体体积压缩，孔压增大，随后气体 有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔压就减少。
2.产生液化：土体中气体体积百分比为零时，就变成不可压缩的。相 应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。继 续施加能量，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。
强夯加固的基本原理
动
力
置
整体置换：将碎石整 桩式置换：形成桩式或
体挤入淤泥中，作用 墩式的碎石墩或桩。其
换
机理类似于换土垫层。 作用机理类似于振冲法
等形成的碎石桩。
强夯加固的基本原理
强夯法与重锤夯实法的区别
项目
强夯法
重锤夯实法
加固 原理
加固 工艺
适用 土质
1.冲切——对锤底压密，侧向土挤密 2.孔隙水可排出，饱和土可压密 3.主压实区——土结构破坏后充分压实区
强夯加固的基本原理
夯击三遍的情况
从左图可以看出，每夯 击一遍时，体积变化有所 减少，而地基承载力有所 增长，但体积的变化和承 载力的提高，并不是遵照 夯击能的算术级数规律增
加的。
地基土强度增长与孔隙水 压力有关。
液化度为100％时，土的强 度为零；随着孔隙水的消散， 土的强度逐渐增长，即存在一 个触变恢复阶段。
固
待超孔隙水压力消散后，土体固结。
结
由于软土的触变性，强度得到提高。
强夯加固的基本原理
Menard 提出
弹
簧
活
塞
模 型
静力固结理论与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
强夯加固的基本原理
静力固结和动力固结理论对比
静力固结理论
①不可压缩的液体 ②固结时液体排出所通过 的小孔，其孔径是不变的 ③弹簧刚度是常数 ④活塞无摩阻力
1.对锤底土压密 2.孔隙水不排出，饱和土
不能压密 3.压实锤底土结构破坏区 4.振密作用不明显
1.夯点连续相叠 2.不分加固顺序 3.不要求间歇时间 4.锤重小、落距小
地下水位0.8m以上的稍湿 土层。不适于含水量高的 很湿的土。
主要内容
发展趋势
质量检验
工程实例
施工方法
设计计算
加固机理
三、强夯法的设计计算
1 加固机理
2 设计计算
主
要
3 施工方法
内
容
4 质量检验
5 工程实例
6 发展趋势
一、概述
强夯（动力固结法或动力压实法）：通过反复 将夯锤（质量一般为10～40t，最重可达200t)提到一 定的高度使其自由落下（落距一般为10～40m），给 地基以冲击和振动能量，从而提高地基土的承载力、 降低土的压缩性、提高砂土地基抗液化能力等。
（2）土本身结构强度影响 从有效加固深度影响系数的比较可知，填土最大，一般
粘性土、砂土次之，黄土较小。
设计计算
有效加固深度
（3）锤底面积
当单击夯击能相同时，锤底面积大，则锤底动应力大，夯 坑浅，因分布面积大，衰减慢，锤底影响深度大；当锤底面 积小时，锤底动应力小，夯坑深，因分布面积小，衰减快， 锤底影响深度小。
机
超孔隙水压力消散，土体固结
理
动力
置换
分为整式置换和桩式置换
加密、碎石墩置换、排水的组合
强夯加固的基本原理
冲击非实型饱动际和力工荷土程载在表，中明使等，土夯在体击中冲能的击
动 力
动孔能隙作减小用，下土，体地变面得会密立实，即从产 量生而1沉提00降高0～地，2基一0土0般0强k夯N度·击m。的一非作遍饱用和后下土，， 主其的要夯夯是坑实产过深生程度，冲可就切达是变0土.形6中～，的1在气.0加相m，