强夯法强夯置换法处理地基

图 ! " # " * 动力置换类型
（%）整式置换（&）桩式置换
第三节 强夯法处理地基设计
一、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 — *$! —
第一章 强夯法处理地基
数。一般可按下列公式估算有效加固深度：
!!! ""·# 式中 !———有效加固深度（$）；
各国工程界所重视。对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。但对饱 和软土的加固效果，必须给予排水的出路。为此，强夯法加袋装砂井（或塑料排水带） 是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。
第二节 强夯法加固机理
强夯法虽然在实践中已被证实是一种较好的地基处理方法，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 0&1。当应用于非饱和土时，压密过程基本上同实 验室中的击实实验相同。在饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化，其压密过程同 爆破和振动密实的过程相同。这种加固方法对饱和细颗粒土的效果，成功和失败的 工程实例均有报道。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
（! " # " #）
"———夯锤重（%）；
#———落距（$）；
!———系数，须根据所处理地基土的性质而定，对软土可取 &’(，对黄土可取 &’)* + &’(。
目前，国内外尚无关于有效加固深度的确切定义，但一般可理解为：经强夯加固
后，该土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围。
实际上影响有效加固深度的因素很多，除了锤重和落距外，还有地基土的性质、
单击夯击能为夯锤重 " 与落距 # 的乘积。一般说夯击时最好锤重和落距大，则 单击能量大，夯击击数少，夯击遍数也相应减少，加固效果和技术经济较好。整个加 固场地的总夯击能量（即锤重 3 落距 3 总夯击数）除以加固面积称为单位夯击能。强 夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考 虑，并可通过试验确定。在一般情况下，对粗颗粒土可取 #&&& + )&&&./·$-$, ，对细 颗粒土可取 #(&& + *&&&./·$ 4 $, 。
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注：强夯的有效加固深度应从起夯面算起。
二、夯锤和落距
图 ! " # " # 单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况
目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换， 它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
一、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。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。实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍 后，其夯坑深度可达 $%! & #%$’，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前 提高 ( & ) 倍。非饱和土在中等夯击能量 #$$$ & ($$$*+·’ 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 !$, 。
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第一章 强夯法处理地基
当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合，土中水的运动 重新又恢复常态。国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土颗粒间吸附水转化成为 自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。
（四）触变恢复
在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，使土 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。
二、强夯法施工范围及特点
（一）强夯法施工范围 当前，应用强夯法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储
仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。总之，强夯法在某种程度上比机械的、化 学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。
（二）强夯法施工特点 工程实践表明，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界
强夯法在开始创世时，仅用于加固砂土和碎石土地基，经过 /- 多年的发展和应 用，它已适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填 土等地基的处理。对饱和度较高的粘性土，如用一般方法强夯处理效果不太显著，其 中尤其是用以加固淤泥和淤泥质土地基，处理效果更差，使用时应慎重对待。但近年 来，对高饱和度的粉土和粘性土地基也有强夯成功的工程实例，此外，有人采用在夯 坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料，强行夯入并排开软土，最终形成砂石桩与软 土的复合地基，并称之为强夯置换（或动力置换、强夯挤淤）。
一般夯锤可取 !" # $%&。夯锤材质最好用铸钢，也可用钢板为外壳内灌混凝土的 锤。夯锤的平面一般为圆形，夯锤中设置若干个上下贯通的气孔，孔径可取 $%" # ’""((，它可减小起吊夯锤时的吸力（在上海金山石油化工厂的试验工程中测出，夯 锤的吸力达三倍锤重）；又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。锤底面积宜按土 的性质确定，锤底静压力值可取 $% # )"*+,，对砂性土和碎石填土，一般锤底面积为 $ # )($ ；对一般第四纪粘性土建议用 ’ # )($ ；对于淤泥质土建议采用 ) # -($ ；对于黄 土建议采用 ).% # %.%($ 。同时应控制夯锤的高宽比，以防止产生偏锤现象，如黄土， 高宽比可采用 ! / $.% # ! / $.0。
但对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
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第六篇 强夯法、强夯置换法处理地基
有所降低，且难于恢复。根据需要可分几遍施加，两遍间可间歇一段时间，这样可逐 步增加土的强度，改善土的压缩性。
在设计中，根据需要加固的深度初步确定采用的单击夯击能，然后再根据机具条 件因地制宜地确定锤重和落距。
国外关于强夯法的适用范围，有比较一致的看法。5067.89:3 在第 * 届欧洲土力 学及基础工程学术会议上的深层加固总报告中指出，强夯法只适用于塑性指数 !; ! ’- 的土。
我国于 ’(<* 年 ’’ 月至 ’(<( 年初首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天 — 21’ —
第六篇 强夯法、强夯置换法处理地基
三、动力置换
动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图 ! " # " *。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墩间土 的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用。
静力固结理论（图 ! " # " $%） #’ 不可压缩的液体 (’ 固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的 )’ 弹簧刚度是常数 $’ 活塞无摩阻力
动力固结理论（图 ! " # " $&） #’ 含有少量气泡的可压缩液体 (’ 固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的 )’ 弹簧刚度为变数 $’ 活塞有摩阻力
第六篇
强夯法、强夯置换法 处理地基
第一章 强夯法处理地基
第一章 强夯法处理地基
第一节 概 述
一、强夯法施工技术发展历程
强夯是法国 !"#$%& 技术公司于 ’()( 年首创的一种地基加固方法，它通过一般 * + ,-. 的重锤（最重可达 /--.）和 * + /-0 的落距（最高可达 1-0），对地基土施加很大 的冲击能，一般能量为 2-- + *---34·0。在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提 高地基土的强度、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程度，减少将来可能出现的差异沉降。
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第六篇 强夯法、强夯置换法处理地基 出了不同的看法，认为饱和土是可压缩的新机理。归纳成以下四点：
（一）饱和土的压缩性 !"#$%& 教授认为，由于土中有机物的分解，第四纪土中大多数都含有以微气泡形
式出现的气体，其含气量大约在 ’( ) *( 范围内，进行强夯时，气体体积压缩，孔隙 水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水压力就减少。这样每夯 击一遍，液相气体和气相气体都有所减少。根据实验，每夯击一遍，气体体积可减少 *+( 。
不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位以及其他强夯的设计参数等都与有效加固深
度有着密切的关系。因此，强夯的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。
在缺少经验或试验资料时，可按表 ! " # " , 预估。
表!"#",
强夯的有效加固深度（$）
单击夯击能-./·$
碎石土、砂土等
粉土、粘性土、湿陷性黄土等
#&&&
图 , - ’ - . 夯击一遍的情况
（三）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。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。
二、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。-./012 根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提
津新港三号公路进行了强夯法试验研究。在初步掌握了这种方法的基础上，于 !"#" 年 $ 月至 " 月又在河北秦皇岛码头堆煤场细砂地基进行了试验，其效果显著。因此， 该码头堆煤场的地基就正式采用了强夯法加固，共节省了 !%& 余万元。中国建筑科 学研究院及其协作单位于 !"#" 年 ’ 月在河北廊坊该院机械化研究所宿舍工程中进 行强夯法处理可液化砂土和粉质粘土地基的野外试验研究，取得了较好的加固效果。 于同年 ( 月正式用于工程施工。通过上述试验研究及实际工程的应用，总结出一套 适合我国情况的强夯工艺，在我国地基加固领域里填补了一项空白。继后，在全国各 地对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。
图 ! " # " + 静力固结理论与动力固结理论的模型比较
（(）静力固结理论模型（,）动力固结理论模型
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第六篇 强夯法、强夯置换法处理地基
图 ! " # " $ 表示静力固结理论与动力固结理论的模型间区别，主要表现为以下 四个主要特性，见表 ! " # " #。
表!"#"#
静力固结和动力固结理论对比
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第一章 强夯法处理地基 隙形成排水通道进行加固。而强夯法对加固杂填土特别有效”。
强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力 作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤 压。图 ! " # " # 为某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况。
图 ! " # " $ 为夯击三遍的情况。从图中可见，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。
图 ! " # " $ 夯击三遍的情况
鉴于以上强夯法加固的机理，%&’()* 对强夯中出现的现象，又提出了一个新的弹 簧活塞模型，对动力固结的机理作了解释。
（二）产生液化 在重复夯击作用下，施加在土体的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。因wk.baidu.com，土体
的沉降量与夯击能成正比。当气体按体积百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。 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。图 , - ’ - . 所 示的液化度为孔隙水压力与液化压力之比，而液化压力即为覆盖压力。当液化度为 ’++ ( 时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为“饱和能”。此时，吸附水 变成自由水，土的强度下降到最小值。一旦达到“饱和能”而继续施加能量时，除了使 土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。