强夯技术在加固松软地基中的应用研究

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摘要:强夯法是法国人梅纳首创,上世纪七十年代末传入我国的地基处理技术.该技术以其需要设备简单、操作易行、经济效益高的优点,在我国乃至世界各地得到了迅速推广和发展。本文主要对强夯技术在加固松软地基中的应用进行了研究。

Abstract: Dynamic consolidation method is originated by French MeiNa and is the foundation treatment technology which was introduced into China at the end of the 1970s. Due to the advantages of needing simple equipment, easy to operate and high economic efficiency, this technique gets rapid promotion and development in China and around the world. This paper focuses on the application of dynamic consolidation technology in reinforced soft foundation.

关键词:强夯法;软土地基;应用

Key words: dynamic consolidation method;soft foundation;application

中图分类号:TU74文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)31-0114-02

1概述

强夯法又名动力固结法(Dynamic Consolidation Method)或动力压实法(Dynamic Compaction Method),是一种新的压密地基土的处理方法。它是用起重机械(起重机或起重机配三脚架、龙门架)反复将8~40t的夯锤从高处(落距一般为6-40m)自由落下,给地基以强大的冲击能量的夯击,使土中出现冲击波和冲击应力,迫使土体空隙压缩,土体局部液化,在夯击点周围产生裂隙,形成良好的排水通道,空隙水和气体逸出,使土粒重新排列,经时效压密达到固结,从而提高地基土的强度并降低其压缩性,并能改善其抵抗振动液化能力和消除土的湿陷性。此法是60年代末由法国Menard技术公司研究成功的加固技术。最初仅用于砂土和碎石土地基,后来由于施工方法的改进和排水条件的改善,逐步推广应用于细粒土地基。

2强夯法加固机理与设计原则和方法

2.1 加固机理目前普遍认同的观点有动力固结理论和波动法理论,动力固结理论认为强夯法加固地基有三种明显不同的阶段。第一,加密作用,指空气或气体的排出;第二,固结作用,反映了水或流体的排出;第三,预加变形作用,指各种颗粒成份在结构上的重新排列,还包括颗粒组构或形态的变化。波场理论假设地基为弹性半空间连续介质,在表面荷载巨大冲击力的作用下,质点在连续介质内振动,其振动能量又引起周围介质的振动。振动在介质内的传播过程形成波。震源(夯锤)处释放的巨大能量,以波的形式从震源向四周传播。夯锤夯击土体时能产生三种能量波,一种为压缩波,它穿行于水相体并不断地以增减孔隙水压力的方式来摇撼土体骨架,直到使土骨架错位;其它两种波为剪切波和瑞利波,它们以较低速度穿行,使错了位的土颗粒重新排列成较为紧密的状态,加之上覆土柱重使土体得到压密而加固。从这一分析原理可知,压缩波是起主要加固作用的能量波,而压缩波是以球面波状态进行传递,并与球半径成反比而衰减。

2.2 加固设计原则和方法强夯法设计的最终目的是求得有效加固深度同其他参数的变化规律。本文将从以下途径予以研究:基于室内外试验和工程实践的经验法;基于简化假设的理论分析法。并将结合工程实例予以说明。虽然强夯法已在工程中得到广泛的应用,但目前还没有一套成熟的理论和设计计算方法。通常施工前针对工程情况,根据经验初步选定设计参数,在现场选取试验区进行试夯或试验性施工验证结果,并经必要的修改后,最终确定出适合于现场土质条件的设计参数。强夯法的主要设计参数包括:有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等。

2.3 强夯施工

2.3.1 施工机具①起重机械。随着强夯技术的广泛应用,起重机械已发展为大能量的专用设备。如法国已开发出用液压驱动的专用三角架,能将40t重夯锤提升到40m的高度。又如法国尼斯机场扩建跑道,要求加固深度达40m,为此特制了一台起重量为200t,提升高度25m,具有186个轮胎的超级起重吊车,这是迄今为止世界上最大的强夯起重设备。②夯锤和脱钩装置。1)夯锤。夯锤重取决于要求处理的深度和起重机的起重能力,对夯击效果也有重要的影响。目前,一体夯锤、分体组合式夯锤。强夯置换专用夯锤,能满足各种能级、土质、处理深度和处理目的的要求。我国在应用强夯法的初期,大多数采用钢板焊成开口外壳,内灌混凝土,锤底尺寸为2m×2m,锤高约lm,重量为10t。我国至今采用的最大夯锤重为40t,常用的夯锤重为10-25t。2)脱钩装置。脱钩装置是强夯施工的重要机具。国外采用履带式起重机作为强夯起重机械时,常采用单根钢丝绳提升夯锤,夯锤下落时钢丝绳也随着下落,所以夯击效率较高。但当夯锤重超过15t时,一般要选用起重量超过100t的起重机。而我国因缺少大吨位起重机,所以常以小吨位起重机吊重锤,这样不得不通过动滑轮组以脱钩装置来起落夯锤。操作时将夯锤挂在脱钩装置上,为便于夯锤脱钩,将系在脱钩装置手柄上的钢丝绳的另一端,直接固定在起重机臂杆根部的横轴上,当夯锤起吊至预定高度时,钢丝绳随即拉紧而使脱钩装置开启,这样既保证了每次夯击的落距相同,又做到自动脱钩,提高了工效。

2.3.2 施工要点①试夯。强夯施工前,应根据初步确定的强夯参数,在现场有代表性的场地上进行试夯,并通过测试,与夯前测试数据进行对比,检验强夯效果,以便最后确定工程采用的各项强夯参数。若不符合设计要求,则应改变设计参数。在进行试夯时,也可采用不同设计参数的方案,进行比较,择优选用。②场地平整。预先估计强夯后可能产生的平均地面变形,并以此确定夯前地面高程,然后用推土机平整,同时,应认真查明强夯场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及标高等,尽量避开在其上进行强夯施工,否则应根据强夯的影响深度,估计可能产生的危害,必要时应采取措施,以免强夯施工对其造成损坏。③铺垫层或降低地下水位。遇地表层为细粒土,且地下水位高的情况,有时需在表层铺0.5-2m左右厚的松散性材料或人工降低地下水位。这样做的目的是在地表形成硬层,可以用以支承起重设备,确保机械通行和施工,又可加大地下水和地表面的距离,防止夯击时夯坑积水或夯击效率降低。④强夯施工。强夯施工可按下列步骤进行:1)在整平后的场地上标出第一遍夯击点的位置,并测量地面高程;2)起重机就位,使夯锤对准夯点位置;3)测量夯前锤顶高程;4)将夯锤起吊到预定高度,待夯锤脱钩自由下落后,放下吊钩,测量锤顶高程,若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平;5)重复上述步骤4,按设计规定的夯击次数及控制标准,完成一个夯点的夯击;6)换夯点,重复上述步骤2至5,直到完成第一遍全部夯点的夯击;7)用推土机将夯坑填平,并测量场地高程;8)在规定的间隔时间后,按上述步骤逐次完成全部夯击遍数,最后用低能量满夯,将场地表层松土夯实,并测量夯后场地高程。⑤施工监测。强夯施工除了严格遵照施工步骤进行外,还应有专人负责施工过程中的监测工作。⑥强夯振动。根据国内大量工程的实践,强夯所产生的振动,对一般建筑物来说,只要有一定的间隔距离(如10-15m),一般不会产生有害的影响。对振动有特殊要求的建筑物,或精密仪器设备等,,当强夯振动有可能对其产生有害影响时,应采取防振或隔振措施。如设置宽度1m、深度超过被影响建筑物基础深度的隔振沟等。⑦信息化施工管理。为提高强夯法施工的质量,并保证处理后地基的均匀性,日本鸣海直信等首先提出了信息化施工方法(Observational Control Operations),这种施工管理方法,是在现场施工过程中进行一系列测试和检验,将实测结果,利用计算机进行信息处理,对地基处理效果作出定量评价,然后反馈回来修正原设计,这样再按新方案进行施工。

2.4 质量检验

2.4.1 质量检验内容强夯地基的质量检验,包括施工过程中的质量监测及夯后地基的质量检验,其中前者尤为重要。所以必须认真检查施工过程中的各项测试数据和施工记录,若不符合设计要求时,应补夯或采取其它有效措施。

2.4.2 质量检验时间经强夯处理的地基,其强度是随着时间增长而逐步恢复和提高的,因此在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。其间隔时间可根据土的性质而定,时间越长,强度增长越高。对于碎石土和砂土地基,其间隔时间可取1-2周;低饱和度的粉土和粘性土地基,可取2-4周。

2.4.3 质量检验方法强夯地基的质量检验方法,宜根据土性选用原位测试和室内试验。①原位测试。1)标准贯入试验:适用于砂土、粉土及粘性土。2)静力触探试验:适用于粘性土、粉土及砂土。3)轻型动力触探:适用于贯入深度小于4m的粘性土和粘性土与粉土组成的素填土。4)重型动力触探:适用砂土和碎石土。5)超重型动力触探:适用于粒径较大或密实的碎石土。6)载荷试验:适用于碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土。当用于检验强夯置换法处理地基时,宜采用压板面积较大的复合地基载荷试验。7)旁压试验:分预钻式旁压试验和自钻式旁压试验。预钻式旁压试验适用于坚硬、硬塑和可塑粘性土、粉土、密实和中密砂土、碎石土。自钻式旁压试验适用于粘性土、粉土、砂土ffq饱和软粘土。8)十字板剪切试验:适用于饱和软粘土。9)波速测试:适用于各类土。②室内试验。1)砂土:颗粒级配、相对密度、天然含水量、湿密度、最大和最小密度。2)粉土:颗粒级配、液限、塑限、相对密度、天然含水量、湿密度、压缩一固结试验和抗剪强度试验。3)粘性土:液限、塑限、相对密度、天然含水量、湿密度、压缩一固结试验和抗剪强度试验。对湿陷性黄土,尚应做湿陷性试验。由于上述各种检测方法对不同土类的适用性不同,所以对于一般工程应采用两种或两种以上的方法进行检验;对于重要工程应增加检验项目,有条件时也可做现场大压板载荷试验。

2.4.4 质量检验数量强夯地基质量检验的数量,应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定。考虑到场地土的不均匀性和测试方法可能出现的误差,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: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。