关于强夯法地基处理的几点探讨

2022-12-23

强夯法处理地基是上世纪60年代末由法国梅纳德 (Ménard) 技术公司首先创用的。这种方法是将重锤 (一般为80kN～400kN) 提升到高处 (一般为6m～40m) 自由落下, 给地基以强烈的冲击力和振动, 使土体结构破坏, 孔隙压缩, 土体局部液化, 通过裂缝排出孔隙水和气体, 地基土在新的状况下固结, 从而提高承载能力, 并降低其压缩性, 还能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性。强夯法加固后的地基承载能力可提高2～5倍, 加固深度可达10m以上, 沉降量可减少到加固前沉降量的1/2～1/10。

强夯法的施工设备与工艺都很简单, 具有加固效果显著、适用土类广、施工方便、缩短工期、节省费用等优点, 在各类工业与民用建筑、仓库、机场跑道、铁路和高速公路路基等工程已得到迅速、广泛的应用。缺点是振动较大, 在没有保护措施的情况下, 不能在已有建构筑物附近施工。

1 适用条件及加固机理

强夯法是地基处理方法之一, 它适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土, 湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。

强夯法是在极短的时间内对地基土体施加一个巨大的冲击能量, 加荷历时约几十毫秒, 对含水量较大的土层, 加荷时间约100毫秒左右。这种突然释放的巨大能量, 将转化为各种波型传到地下。首先到达某指定范围的波是压缩波, 它使土体受压或受拉, 能引起瞬时孔隙水汇集, 使地基土的抗剪强度大为降低, 据理论计算这种波以振动能量的7%传播出去, 紧随压缩波之后的是剪切波, 以振动能量26%传播出去, 剪切波会导致土体结构的破坏。瑞利波 (面波) 以振动能量的67%传出, 在夯点附近造成地面隆起。土体在这些波的综合作用下, 土体颗粒重新排列相互靠拢, 排出孔隙中的气体, 使土体挤密压实, 强度提高。地基土采用强夯法加固, 其强度提高过程大致可分为四个阶段:夯击能量转化, 同时伴随强制压缩或振密 (表现为土体中水及气体排出, 孔隙水压力上升) ;土体液化或土体结构破坏 (表现为土体强度降低或抗剪强度丧失) ;排水固结压密 (表现为渗透性能改变, 土体裂隙发展, 土体强度提高) ;触变恢复并伴随固结压密 (包括部分自由水又变成薄膜水, 土的强度继续提高) 。

2 强夯法加固地基设计方法

2.1 强夯设计应具备以下资料

(1) 拟加固处理的建 (构) 筑物的使用用途, 结构型式及上部荷载, 整平后地面标高及基础埋深, 场地建构筑物总平面布置图和基础平面图; (2) 拟建场地工程地质勘察资料, 若不能满足设计要求时应作必要的补充勘察工作; (3) 强夯加固后的地基土承载力特征值fak、压缩模量ES值 (或变形模量EO值) 、有效加固深度值、消除黄土湿陷性与砂土液化、保持场地稳定性及均匀性等技术指标; (4) 拟建场地内地下管网、电网地下构筑物以及强夯振害范围内已有的抗振性能较低、需保护的建 (构) 筑物位置等资料。

2.2 强夯参数的选择

2.2.1 强夯参数选择程序

根据强夯有效加固深度确定单点夯击能——根据地基土的岩性特征以及设计条件确定加固地基场地的平均夯击能——根据单点夯击能试验确定最佳夯击次数——确定夯点布置形式及间距——确定夯击遍数、夯遍之间的间歇时间——确定强夯加固地基的范围——确定夯锤参数。

2.2.2 强夯有效加固深度确定

强夯法的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。在缺少试验资料或经验时可按表1预估。

注:强夯法的有效加固深度应从起夯面算起。

2.2.3 单位夯击能量

强夯的单位夯击能量, 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, 并通过现场试夯确定。在一般情况下, 对于粗颗粒土可取1000～3 0 0 0 k N·m/m 2;细颗粒土可取1 5 0 0～4000kN·m/m2。

2.2.4 夯点的夯击次数

夯点的夯击次数, 应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定, 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锤困难。

2.2.5 夯击遍数

夯击遍数应根据地基土的性质确定, 一般情况下, 可采用2～3遍, 最后再以低能量夯击一遍。对于渗透性弱的细粒土, 必要时夯击遍数可适当增加。

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。当缺少实测资料时, 可根据低级土的渗透性确定, 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土可连续夯击。

2.2.6 夯击点位置

夯击点位置可根据建构筑物的结构类型, 采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。第一遍夯击点间距可取3m～9m, 以后各遍夯击点间距可与第一遍相同, 也可适当减小。对于处理深度较大或单击夯击能较大的工程, 第一遍夯击点间距宜适当增大。

经过多年的工程实践, 我国强夯夯锤的形状与尺寸基本定型。除非特殊情况, 现在常用的夯锤不论重量多大, 基本为圆形, 呈上大下小的倒锥台形, 锤底面积一般在4m2～6m2之间, 以5m2较为多见。底面积5m2时, 锤底直径2.52m。锤身纵向贯通4～6个300mm～400mm通气孔。

不同能级强夯的夯点间距和布点形式参数表, 可作为设计参考。

如表2所示。

注: (1) 当强夯后的地基作为均匀地基看待, 不考虑夯点间地基强度的差别, 不考虑基础形式时, 如果地基土承载力要求在250kPa以下、200kPa左右, 压缩模量要求在15MPa以下、10MPa左右, 夯点间距可参考上表提供的数据, 布点形式采用正三角形。 (2) 如果地基土承载力要求≥250kPa, 压缩模量要求≥15MPa, 处理深度较大, 强夯能级在3000kN·m以上时, 夯距可适当缩小0.5m, 布点采用正三角形。或者一律采用夯距4.0m正方形布点, 强夯不同遍数之间采用不同能级组合。如:第一遍夯点采用8000kN·m能级, 8.0m×8.0m间距;第二遍采用5000kN·m能级加固8.0m×8.0m正方形中间一点;第三遍采用3000kN·m能级加固8.0m间距中间一点, 最终形成4.0m×4.0m夯距正方形布点;最后2000kN·m低能级满拍, 夯印搭接1/4锤径。

2.2.7 处理范围

强夯处理范围应大于建筑物基础范围。每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2至2/3, 并不宜小于3m。

2.2.8 强夯试验

强夯施工前, 根据初步确定的强夯参数, 应在施工现场有代表性的场地上选取一个或几个试验区, 进行试夯或试验性施工。试验区数量应根据建筑场地复杂程度、建设规模及建筑类型确定。根据不同土质条件, 待试夯结束一至数周后, 应对试夯场地进行测试, 并与夯前测试数据进行对比, 检验强夯效果, 确定工程采用的各项强夯参数。

强夯试验的目的是通过不同夯击能、夯击间距和夯击遍数的施工实践结果, 确定最佳夯击能量、夯击间距和夯击遍数等工艺参数, 并根据孔隙水压力消散情况确定每遍夯击的最佳间隔时间。强夯法处理地基技术参数中, 夯点间距的取值和布置形式是强夯施工技术参数非常关键的一环。锤重与落距是影响夯击能和加固深度的重要因素, 它直接决定每一击的夯击能量。

在相同的夯击能下, 采用重锤低落距较轻锤高落距, 在相同深度处的物理性质指标平均值均大。重锤低落距与轻锤高落距处理地基土相比, 前者的物理力学指标提高明显, 这是因为当重锤接触到土体时, 虽然瞬时速度较小但因为锤体质量大, 按照惯性理论, 质量大的物体速度减小相对较慢, 故土体受振持续的时间长, 土体内孔隙水压力因有足够时间消散, 而使颗粒骨架较易发生改变, 故相应的每击夯沉量大, 压密程度相对要高。同时, 在强夯过程中, 土体表面较浅范围易形成硬壳, 该层消耗能量较多, 重锤低落时可利用该层自身的特性减少该层的产生, 这也是加固效果好的一个重要原因。夯锤宜采用圆台形, 锤重宜大于2t, 锤底面单位静压力宜为15～20kPa, 夯锤落距宜大于4m。

一般情况下两遍夯击之间应有一定的时间间隔, 以利于土中超静孔隙水压力的消散, 待地基土稳定后再夯下遍。在工期比较紧张情况下, 也可以采取在前一遍夯完后, 将土推平, 接着随即连续夯击, 而不需要间歇。但夯坑回填时应保证回填土的质量, 必须按照要求选择好的填料, 以确保施工质量。

2.2.9 质量检验

质量检验应由具有资质的检测部门进行检测, 并提供检测报告。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, 其间隔可取1～2周, 低饱和度的粉土和粘性土地基可取2～4周。

对于一般工程应采取两种或两种以上的方法进行检验, 如采用原位测试和室内土工试验进行承载力检验和压缩摸量检验;对于重要工程项目应增加检验项目, 也可做现场大压板荷载试验。质量检验的数量, 应根据场地复杂程度和建筑的重要性确定。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, 其它位置每1000m2设一处。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。

2.2.10 隔振或防振措施

一般距夯击点30m以外, 为相对安全区;15m以内为明显振动区。若必须在临近建筑物处进行施工时, 应设置检测点, 并采取挖隔振沟等隔振或防振措施。隔振沟宽度与位置对隔振的作用影响不大, 位置一般在3m处为佳;随着隔振沟深度的增大, 隔振的效果逐渐增强, 但增大的幅度不大。施工时, 应由邻近建筑物开始夯击逐渐向远处移动。

3 工程实例

下面以“广西石化1000万吨/年炼厂成品油外输管道工程”钦州首站地基处理为例。

3.1 场区地理位置和地形地貌:

场区位于钦州地区南部, 钦州港北部, 距场区西北角约19m有铁路电气集中楼 (二层) 一座, 场区北侧距铁路约9m, 东侧距新建出厂管网 (管架) 约8m, 南侧距新建出厂管网 (管架) 约9m。

勘察场区原始地貌单元上属于侵蚀、剥蚀丘陵地貌, 地形起伏较大。现经过人工回填, 场区内地形较平坦。

3.2 钦州首站地质特点

3.2.1 人工填土

人工堆填砂质泥岩, 成粉质粘土状, 黄色, 土质不均匀, 含有泥岩或砂岩砾石、碎石, 以坚硬为主, 局部硬塑, 少部可塑, 粒径不均匀, 一般粒径在3mm～30mm左右, 可见最大粒径为50mm左右, 且局部含有泥岩或砂岩块石, 无摇振反应, 稍有光滑, 干强度中等, 韧性中等。层底埋深一般为1.00m～6.00m, 最小埋深为0.50m, 最大埋深为8.00m。

3.2.2 地下水情况

根据现场勘察, 场区下伏的全风化～强风化砂质泥岩裂隙不发育, 勘察中未发现有较集中和连通的裂隙水赋存。场区人工填土层中含水量相对较高, 钻进过程中有自由水渗出, 但水量不大, 根据分析该层中所含地下水属上层滞水性质, 为回填前场区原始地貌中地表残存水体。

3.3 确定地基处理方案

根据该工程的地质条件, 我们进行了多个方案比较: (1) 沉管灌注桩基础, 采用桩基技术可保证, 但基础不仅耗费大量建筑材料, 而且工期长, 工程造价高。另外不可预见的打桩时会遇到大的石块, 这样施工就更难了。很难保证施工中桩的质量。 (2) 挖孔桩:考虑到该地基填土厚度只有3m～6m, 加之拟建建筑物均为单层, 荷载小, 所以采用人工挖孔桩。既不能满足挖孔桩构造要求, 又增加了造价, 延长了工期, 这样的方案不可取。 (3) 强夯法:地基加固效果显著, 使用设备简单, 施工方便, 速度快, 投资省, 既可提高地基的承载力, 又能增强抗液化稳定性。另外, 本工程拟建构筑物还包括站内道路、罐基础等, 综合对比研究后, 确定采用强夯法对地基加固, 然后采用浅埋基础。