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        強夯法設備簡單,是一種比較理想的地基處理方式

        來源: | 瀏覽量:501 | 發布時間:2021-07-14 09:23:06

        1、簡介


        任何建筑物的荷載最終將通過基礎傳遞到地基上。凡是基礎直接建造在未經加固的天然土層上時,這種地基稱為天然地基。若天然地基很軟弱,則事先要經過人工處理,這種地基稱之為人工地基。而其處理過程就稱為“地基處理”(SOILTREATMENT)或“地基加固”(SOILIMPROVEMENT)。地基處理方法主要分為:換土墊層法,深層密實法,排水固結法,化學加固法,加筋法和熱學法。強夯法屬于地基處理方式中的深層密實法中。


        強夯法設備簡單,適用范圍廣泛,可用于填土、失陷性黃土、粘土、砂礫、碎石等各種土質。對于淤泥質軟土的試驗性施工證明,只要控制好施工參數,也是可行的。此法不僅用于房建工程,也適合橋涵、道路、港口碼頭和大型設備基礎等工程,而且具有速度快、效果顯著和節省投資等優點,是一種比較理想的地基處理方式。


        2、概述


        2.1、強夯法的由來及特性


        強夯法處理地基是六十年代末由法國Menard技術公司首先創造的。這種方法是將很重的錘(一般為100-400kN)從高處自由落下落(落距一般為6-40m)給地基以沖擊力和振動,從而提高土的強度并降低土的壓縮性,改善土的振動液化條件和消除濕陷性黃土的濕陷性等作用。同時,夯擊能還可以提高土層的均勻程度,減少將來可能出現的差異沉降。強夯法開始時僅用于加固砂土和碎石,經過幾十年的發展,它以適用從礫石到粘性土的各種地基土,這主要是由于施工方法的改進和排水條件的改善。


        強夯法由于具有地基加固效果顯著、設備簡單、施工方便、適用范圍廣、經濟易行和節省材料等優點,很快傳播到世界各地。目前已經有幾十個國家的數千項工程采用強夯法加固地基。


        2.2、國內外發展情況


        強夯法是法國Menard技術公司于1969年首創并創用的。由于強夯法特有的優點,所以在國外十分普遍。1974年英國工程師協會專門召開了深基礎會議,在該次會議上Menard本人對強夯作了詳細介紹。從那以后,十幾年來第九、十、十一界國際土力學和基礎工程會議上以及世界各地區性會議上,都發表了很多關于強夯的論文,對強夯的發展、完善起到了很大的推動作用。我國是1978年9月引進這項技術的,1979年首先在塘沽進行了強夯法加固粘土地基的實驗研究。1979年6月分別在河北省廊坊與山西省陽泉,對輕亞粘土、粉細砂地基與黃土質砂粘土填方地基進行了處理。這是我國采用強夯法處理地基的最早兩項工程。隨后很快推廣到北京、上海、天津、廣州、深圳等很多地方,并且都取得了良好的技術經濟效果,為國家節省了巨額基礎工程費用。


        3、加固機理


        3.1、動力固結理論


        強夯法雖然已經在實踐中證實了是一種比較好的地基處理方法,但到目前為止還沒有一套成熟和完善的理論和設計計算方法。在第十界國際土力學和基礎工程會議上,美國Menard教授在“地基處理”的科學發展水平報告中精辟的論述強夯法的傳統固結機理:強夯法目前已經發展到地基土的大面積加固,深度可達30m。當應用于非飽和土時,壓密過程基本上同實驗室中的擊實實驗相同。在飽和無粘性土的情況下,可能會產生液化,其壓密過程同爆破和振動密實的過程相似。這種方法對飽和細粒土的效果,成功和失敗的例子都有報道。對這類土需要破壞土的結構、產生超空隙水壓力以及通過裂隙形成排水通道。而強夯法對雜填土特別有效。


        實踐證明,在夯擊的工程中,土體的瞬時沉降可達幾十厘米;土中產生液化后使土的結構破壞,土的強度下降到最小值;隨后在夯擊點出現徑向裂隙,成為加速空隙水壓力消散的主要通道;因粘性土具有觸變性,使降低的強度得到恢復和增強。Menard教授實踐,并結合傳統的固結機理,提出了飽和土是可以壓縮的新的機理,并現在得到了大多數科學家的認可。下面再作進一步的介紹。


        (1)、飽和土的壓縮性


        在工程實踐中,不論對土的性質如何,夯擊時能立即引起地基土的很大沉降,這個結果對顆粒狀土是可以理解的。對滲透性很小的飽和細粒土,孔隙水的排出被認為是考慮沉降的必要和充分條件,這是傳統的固結理論的基本假定。由于飽和細粒土的滲透性低,因而在瞬時荷載作用下,空隙水不能迅速排出,這樣就無法理解在強夯時回立即引起很大沉降的機理。


        Menard教授認為,由于土中有機物的分解,第四紀土中大多數都含有以微氣泡形式出現的氣體,其含量大約在1-4%。進行強夯時氣體體積壓縮,空隙水壓力增大,隨后氣體有所膨脹,空隙水排出的同時,空隙水壓力就減小。這樣每夯一遍,氣相體積和液體積都有所減少。根據實驗,每夯擊一遍,氣體體積可減少40%。


        (2)、產生液化


        在重復夯擊作用下,施加在土體的夯擊能量,使氣體逐漸受到壓縮。因此,土體的沉降量與夯擊能成正比。當氣體按百分比接近于零時,土體變成不可壓縮的。相應于空隙水壓力上升到覆蓋壓力相等的能量級,土體即產生液化。如圖1所示,液化度為空隙水壓力與液化壓力之比,而液化壓力即為覆蓋壓力。當液化度為100%時,亦即為土體產生液化的臨界狀態。而該能量級稱為“飽和能”。此時,吸附水變成自由水,土的強度下降到最小值。一旦達到“飽和能”而繼續施加能量者,除了使土起重塑的破壞作用外,能量純屬是浪費。


        應當指出,天然土的液化常常是逐漸發生的,絕大多數沉積物是層狀和結構性的。粉質土和砂質土層比粘性土層先進人液化。并應當注意到,強夯時所出現的液化,只是土體的局部液化。


        (3)、滲透性變化


        在很大的夯擊能作用下,地基土體中出現了沖擊波和動應力。當所出現超孔隙水壓力大雨顆粒間的側向壓力時,致使土顆粒間出現裂縫,形成排水通道。此時,土的滲透系數聚增孔隙水順利排出。在有規則網格布置夯點的現場,通過積聚的夯擊能量,在夯坑四周會形成有規則垂直裂縫,夯坑附近出現涌水現象。所以應規劃好強夯的施工順序,而不規則的和紊亂的夯擊,可以破壞這些天然排水通道的連續性。在現場可觀察到夯擊前土工試驗中所測的滲透系數,是不能說明夯擊后孔隙水壓力迅速消散的這一特性的。


        當空隙水壓力消散到小于土顆粒間的側向壓力時,裂縫即自行閉合,土中水的運動重新又恢復常態。有的國外資料報道,夯擊時出現的沖擊波,將土顆粒間吸附水轉化為自由水,因而促進了毛細管通道橫斷面的增大。


        (4)、觸變恢復


        在重復夯擊的作用下,土體的強度逐漸減低,當土體出現液化或接近液化時,土的強度達到最低值。此時土體產生裂隙,而土中吸附水部分變成自由水,隨著孔隙水壓力的消散,土的抗剪強度和變形模量都有了大幅度的增長。這是由于土顆粒間緊密接觸以及新吸附水層逐漸固定的原因,而吸附水逐漸固定的過程可能會延續至幾個月。在觸變恢復期間,土體的變形(沉降)卻是很小的,有的資料中介紹在0.1%以下。如果用傳統的固結理論也就不能說明這一現象,這是自由水重新被土顆粒所吸附而變成了吸附水的緣故,這也具有觸變性土的特性。


        眾所周知,飽和粘性土是具有觸變性的,當強夯以后,土結構被破壞,強度幾乎降為零。隨著時間的推移,強度逐漸恢復。這種觸變強度的恢復也稱為時效(timeeffect)。在一般孔隙水壓力已經完全消散的情況下,夯擊后六個月所測得的土的抗剪強度一般比一個月所測得的強度增長20%-30%,而變形模量增長30-80%。因此,強夯后質量檢驗的勘探工作或測試工作,至少宜在強夯施工后一個月再進行,不然得出的指標會偏小。


        對靈敏度較高的粘土中,存在觸變現象這一土的特性是眾所周知的。實際上這一現象對所有細顆粒土都是明顯的,僅是程度上不同而已。值得注意的是,經過強夯后土在觸變恢復過程中,對振動是十分敏感的,所以在進行勘探和測試工作時候應該十分注意。


        鑒于以上強夯法加固的機理,Menard教授對強夯中出現的現象,提出了一個新的彈簧活塞模型,對動力固結的機理作了解釋。


        對動力固結的理論模型,可從四個方面進行解釋:


        ●由于微氣泡的存在,充滿氣缸的水以為部分是可壓縮的,亦即孔隙水具有壓縮性,


        ●對夯擊前、后土的滲透性的變化,可用一個孔徑可變的排水孔進行模擬;


        ●彈簧的剛度是模擬土體的壓縮模量,過去傳統的固結理論的觀點以為是常數。實際上強夯法施工時候,在反復荷載的影響下,會使壓縮模量有很大改變,在這個過程中,吸附水起了重要作用。


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