強夯法處理濕陷性黃土地基施工工法[1]

1、強夯法處理濕陷性黃土地基施工工法Dynamic Consolidation Method for Intensify of Self Weight Collapsing Loess 目 次1 前言12 工法特點23 適用范圍24 工藝原理25 工藝流程及操作要點36 材料與設(shè)備57 質(zhì)量控制68 安全措施69 環(huán)保措施710 效益分析711 工程實例8 1 前言1.0.1黃土【loess】指的是在干燥氣候條件下形成的多孔性、具有柱狀節(jié)理的黃色粉性土，濕陷性黃土受水浸濕后會產(chǎn)生較大的沉陷。1.0.2 黃土成因與分布 第四紀(jì)形成的陸相黃色粉砂質(zhì)土狀堆積物黃土的粒徑范圍：0.005mm0.05mm，

2、其粒度、成分百分比在不同地區(qū)和不同時代有所不同。它廣泛分布于北半球中緯度干旱和半干旱地區(qū)。黃土的礦物成分有碎屑礦物、粘土礦物及自生礦物3類。碎屑礦物主要包括石英、長石和云母，占碎屑礦物的80，其次有輝石、角閃石、綠簾石、綠泥石、磁鐵礦等；此外，黃土中碳酸鹽礦物含量較多，主要是方解石。粘土礦物主要是伊利石、蒙脫石、高嶺石、針鐵礦、含水赤鐵礦等。黃土的化學(xué)成分以SiO2占優(yōu)勢，其次為Al2O3 、CaO，再次為Fe2O3、MgO、K2O 、Na2O、FeO、iO2和MnO等。黃土的物理性質(zhì)表現(xiàn)為疏松、多孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，極易滲水，且有許多可溶性物質(zhì)，很容易被流水侵蝕形成溝谷，也易造成沉陷和崩塌。

3、黃土顆粒之間結(jié)合不緊，孔隙度一般在4050。黃土是指原生黃土，即主要由風(fēng)力作用形成的均一土體；黃土狀沉積是指經(jīng)過流水改造的次生黃土。中國北方新生代晚期土狀堆積物中常見有古土壤分布，尤以黃土高原地區(qū)黃土中最為普遍。在黃土古土壤層下部的白色鈣質(zhì)沉積層常以結(jié)核形式表現(xiàn)出來。鈣結(jié)核的形狀有長柱狀、不規(guī)則樹枝狀及圓球狀等，一般長1525cm，寬510cm。黃土在北半球各大陸均有分布，以中國北方的黃土最為典型，在黃河中游構(gòu)成了著名的黃土高原。中國黃土的分布區(qū)介于北緯34°45°之間，呈東西向帶狀分布，位于北半球中緯度沙漠-黃土帶東南部。黃土分布還與東西向山脈的走向大體一致，昆侖山、秦嶺

4、、泰山一線以北黃土分布廣泛。中國黃土的總面積為 380840km2，黃土狀沉積的總面積為254440km2。其中黃河流域黃土面積為317600km2。黃土的厚度各地不一，陜西涇河與洛河流域的中下游地區(qū)，最大厚度可達(dá)180200m。中國黃土物質(zhì)主要來自里海以東北緯35°45°的內(nèi)陸沙漠盆地地區(qū)。沙漠盆地中的上升氣流將粉塵顆粒輸送至高空，進(jìn)入西風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，隨著西風(fēng)帶的高空氣流自西向東 、東南飄移，至東經(jīng)100°以東的地區(qū)發(fā)生大規(guī)模沉降。堆積起來的粉塵顆粒，由于生物化學(xué)風(fēng)化作用，發(fā)生次生碳酸鹽化形成黃土。 1.0.3 在上覆土層自重應(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共

5、同作用下，因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的土稱為濕陷性土，屬于特殊土。有些雜填土也具有濕陷性。廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區(qū)的黃土多具濕陷性。濕陷性黃土又分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土。 1.0.4 黃土的分類見下表：表1.0.4-1 黃土的工程分類黃土地層名稱特征濕陷性生成年代新黃土新近堆積黃土人類文化期內(nèi)沉積物，多為坡積、洪積層，不均勻，常含有砂礫、石塊及雜物，高壓縮性。一般有Q4近期一般新黃土大孔隙發(fā)育，壁立性好，部分含有砂姜石。 有Q4早期及Q3老黃土經(jīng)成巖作用，較密實，壁立性強，有一定大孔隙，常夾有砂姜石層和古土層一般無Q2及Q11.0.5 在濕陷性黃土地基上

6、進(jìn)行工程建設(shè)時，必須考慮因地基濕陷引起附加沉降對工程可能造成的危害，選擇適宜的地基處理方法，避免或消除地基的濕陷或因少量濕陷所造成的危害。經(jīng)綜合比較強夯法、CFG樁法、粉噴樁法、堆載預(yù)壓法及換填法等，最終選定經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)省工期的施工方法強夯法。2 工法特點2.0.1 本工法是以動力固結(jié)理論為基礎(chǔ)，采用起重機械，反復(fù)“吊起-下落”夯錘，使地基土“液化-觸變”，從而達(dá)到密實、消除黃土濕陷性的地基處理方法之一。2.0.2 本工法采用中型機械，耗費材料極少。2.0.3 本工法操作簡單，使用人力很少，而質(zhì)量容易保證。2.0.4 本工法產(chǎn)生的振動及噪音大，這是其缺點。2.0.5 本工法不適宜50m內(nèi)有建

7、筑物，或周圍有潛在滑坡體的情況等。3 適用范圍強夯法適用于處理一般粘性土、飽和砂土、碎石土、粉土、人工填土、濕陷性黃土、淤泥質(zhì)土等地基，從而提高地基強度，降低壓縮性，提高土層均勻性，減小地基不均勻沉降。本工法適用于處理濕陷性黃土地基。4 工藝原理4.0.1 土力學(xué)有效應(yīng)力原理 飽和土體內(nèi)任意平面上受到的總應(yīng)力可分為有效應(yīng)力和空隙水壓力兩部分，即總應(yīng)力有效應(yīng)力+空隙水壓力并且，土的變形(壓縮)或強度的變化都只取決于有效應(yīng)力的變化。4.0.2 動力固結(jié)理論 土木工程地基土常常為第四紀(jì)土，其中含有有機物，以微氣泡形式存在(含氣量約占1%-4%)，在強夯該土過程中，氣相體積被壓縮，加上孔隙水被擠出，兩

8、者體積均減小。在重復(fù)夯擊作用下，氣體被壓縮接近于零時，土體變得不可壓縮，相應(yīng)地孔隙水壓力上升到與覆蓋壓力相等的能量級時，土即產(chǎn)生液化吸附水變成了自由水，土的強度達(dá)到了最小值。與此同時，夯點四周形成規(guī)則的垂直裂縫，出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。停止夯擊后，當(dāng)孔隙水壓力消散到小于土粒間的側(cè)向壓力時，裂隙即自行閉合，土中水的運動又恢復(fù)常態(tài)。隨著孔隙水壓力的消散，土的抗剪強度和變形模量有了大幅度增長，這是由于土粒間緊密接觸，以及新吸附水層逐漸固定所致，這乃是土的觸變性。4.0.3 梅納公式 Z = a (mh)0.5 = a(E/g)0.5其中 Z強夯有效處理深度(m)； a修正系數(shù)，a = 0.300.60； m夯

9、錘質(zhì)量(kg)； g重力加速度(m/s2)； h夯錘落距(m)； E夯擊能（KN.m）。4.0.4 強夯工藝參數(shù)·夯錘和落距現(xiàn)有機具的夯錘重量為10t，主夯和副夯的夯錘落距取10m，即單擊夯擊能為1000kN.m。滿夯的夯錘落距取7m，即單擊夯擊能為700 KN. m。·夯擊點布置及間距 強夯處理范圍覆蓋該路段整個路基處理區(qū)域，采用的夯錘錘頭直徑為4m，靜壓約8.0Kpa，主、副夯擊點布置采用等腰三角形布點。各夯區(qū)外側(cè)邊緣以夯錘外側(cè)邊緣和夯區(qū)外緣平齊為準(zhǔn)，夯區(qū)外側(cè)夯點間距可作小范圍調(diào)整。 ·夯擊擊數(shù)與遍數(shù)單點夯擊次數(shù)應(yīng)按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，

10、且應(yīng)同時滿足以下條件： 最后兩擊的平均夯沉量不大于50； 夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起； 不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。符合以上要求時的夯擊次數(shù)即為該點的最佳夯擊次數(shù)，以后各點擊數(shù)也可按此確定。夯擊遍數(shù)主要是根據(jù)地基土的性質(zhì)和平均夯擊能確定，夯擊遍數(shù)為一次主夯、一次副夯和一次滿夯。第一遍為主夯，夯擊點間距取5米，按正方形布置；第二遍為副夯，夯擊點位于第一遍主夯的四個夯擊點中間，使兩個主夯點和一個副夯點構(gòu)成等腰三角形；第三遍為滿夯，單擊夯擊能為700 KN.m。 ·夯擊能根據(jù)施工設(shè)備、地基土類別、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小和要求處理深度確定強夯的主夯、副夯單擊夯擊能取1000kN. m2，滿夯

11、單擊夯擊能取700kN.m。4.0.5 對于填方路基地基，強夯處理寬度為路基兩側(cè)排水溝外緣以外5m之間的范圍。4.0.6 對于挖方路基地基，強夯處理寬度為路基兩側(cè)邊溝外緣之間的范圍(設(shè)置碎石落臺的路段包括碎石落臺寬度)。4.0.7 地基處理寬度范圍內(nèi)(除深溝壑路段)，清除大地表面植被或土壤層后直接進(jìn)行強夯處理。4.0.8 布設(shè)擋土墻的路段，擋土墻位置處必須保證墻底地面高程等于墻底的設(shè)計高程。因強夯引起地面高程小于墻底設(shè)計高程的路段，應(yīng)回填夯實至墻底設(shè)計高程。4.0.9 涵洞位置處的地基必須先強夯處理后，再進(jìn)行涵洞施工。 5 工藝流程及操作要點5.1 工藝流程5.0.1強夯法施工工藝流程見圖5.

12、1.1，其中第一遍點夯為主夯，第二遍點夯為副夯。5.0.1-1強夯法施工工藝流程 5.2強夯施工步驟及注意要點 5.2.1 清理并平整場地，測量強夯前場地高程。按照設(shè)計要求清理表層的草皮和腐殖土層(一般路段清表厚度不得小于15cm，腐殖土層較厚及附著有非適用材料的路段應(yīng)將其清除徹底)，并挖除局部的淤泥、翻漿土層，積水路段應(yīng)排除積水并將土翻松晾干。預(yù)先估計強夯后可能產(chǎn)生的平均地面變形，并以此確定夯前地面高程，然后用推土機平整。強夯施工前應(yīng)認(rèn)真查明強夯場地范圍內(nèi)的地下建筑物和各種地下管線的位置及標(biāo)高等，并采取措施，以免因強夯施工而造成破壞。同時對路基范圍內(nèi)的坑洞、水井及平整土地中填埋的淺溝壑進(jìn)行調(diào)

13、查，采取切實可行的措施消除可能產(chǎn)生的路基質(zhì)量隱患。5.2.2 試夯 選擇有代表性的路基回填位置一到兩處，長度可定為20m作為試驗段。每一夯點可先連續(xù)夯擊5次，然后按驗收規(guī)范檢測壓實度，并測量高程。如能滿足設(shè)計要求，可據(jù)此進(jìn)行正常施工；如不能滿足設(shè)計要求，應(yīng)繼續(xù)增加夯擊次數(shù)，直至滿足設(shè)計要求密實度為止，并記錄其夯擊次數(shù)。5.2.3 鋪墊層或降低地下水位 對地下水位較高的飽和濕陷性黃土，需在表層鋪0.5m左右厚的松散性材料或人工降低地下水位。目的是在地表形成硬層，用以支撐起重設(shè)備，確保機械通行和施工，也可加大地下水和地表面的距離，防止夯擊時夯坑積水，土體發(fā)生流動或夯擊效率降低。鋪設(shè)的墊層材料中不能

14、含有黏性土。5.2.4 強夯施工步驟：在整平的場地上標(biāo)出第一遍夯擊點的位置，并測量場地高程；起重機就位，使夯錘對準(zhǔn)夯擊點的位置；測量夯前錘頂高程；將夯錘起吊到預(yù)定高度，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘傾斜時，應(yīng)及時整平坑底；重復(fù)上述步驟，按設(shè)計規(guī)定的夯擊次數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個夯點的夯擊；換夯點，重復(fù)上述步驟至，直到完成第一遍全部夯點的夯擊；用推土機將夯坑填平，并測量場地高程；按上述步驟逐次完成全部夯擊遍數(shù)。最后按上述步驟用低能量滿夯，將場地表層夯實，滿夯錘印搭接不小于1/4夯錘的直徑，將場地表層松土夯實，并測量夯后場地高程。5.2.5 強夯加固土層的順

15、序應(yīng)該是：先加固深層土，再加固中層土，最后加固表層土。5.2.6 除了測量夯擊后地基土的密實度以外，還應(yīng)注意，夯擊次數(shù)的控制是以最后兩擊的夯沉降量之差不大于5cm為準(zhǔn)的；夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生較大隆起，一般控制為小于等于10cm。5.2.7 深溝壑路段地基的特殊處理 若深溝壑路段的路基填料采用就地取土?xí)r，即路基填料同樣為濕陷性黃土?xí)r，原地面清表完成后，直接進(jìn)行強夯處理，然后按照設(shè)計和施工規(guī)范的要求進(jìn)行正常的路基填筑，每填高2m，進(jìn)行1次強夯處理，同樣要求最后兩次夯沉量之差不大于5cm，直至此路段回填至設(shè)計要求的路床高度(設(shè)計要求：路床頂層摻加8%的熟石灰進(jìn)行穩(wěn)定)，再進(jìn)行最后一次強夯處理。5.2

16、.8 土的天然含水量在低于塑限含水量的1%3%或液限含水量的0.6倍，且接近最佳含水量時，強夯效果最好。天然含水量接近最佳含水量且不大于塑限含水量，含水量分布均勻時，最后2擊夯沉量之和、之差越小，消除濕陷深度越深。在擬夯實的土層中，當(dāng)土的含水量低于10%時，應(yīng)對其增濕至接近最佳含水量；當(dāng)土的天然含水量大于塑限含水量3%以上時，應(yīng)晾干降低其含水量。5.2.9 在地表水和地下水的影響下，土體天然含水量無規(guī)律。地基的土質(zhì)和含水量直接影響到強夯效果，當(dāng)天然含水量大于塑限含水量時，同一夯擊能的影響深度大大減少，還會出現(xiàn)土體反彈現(xiàn)象。當(dāng)濕陷性黃土處于或略低于最佳含水量時，孔隙內(nèi)一般不會出現(xiàn)自由水。每夯完1

17、遍不必等孔隙水壓力消散，可采取連續(xù)夯擊，減少吊車移位，提高強夯施工效率，降低工程造價。5.2.10 最后2擊夯沉量之差的限值控制是強夯質(zhì)量控制的關(guān)鍵，夯沉量之差要求不大于5cm。在夯沉量滿足設(shè)計要求的情況下，濕陷性消除深度亦可以滿足要求。6 材料與設(shè)備6.1 材料6.1.1 本工法除耗用燃油外，基本不用其他材料，這是本工法的優(yōu)點之一。 6.2 設(shè)備6.2.1 本工法涉及的主要機具及檢測設(shè)備見表6.2.1-1。表6.2.1-1 主要機具與檢測設(shè)備序號機具或設(shè)備名稱型號用途1履帶式起重機W1-100起吊、移動夯錘2夯錘重10t，有排氣孔撞擊3推土機山工1600推土、整平、壓實4水準(zhǔn)儀DS3高程測量

18、5標(biāo)尺5m輔助高程測量6鋼卷尺50m長整體測量7鋼卷尺5m配套測量6.2.2 一般采用起重能力15t以上的履帶式起重機，具有行走方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。起重機要有一定的起重高度，大多在1014m。6.2.3 夯錘采用鋼材與混凝土制作，夯錘底面為圓形。錘底面積宜根據(jù)土質(zhì)確定，錘徑一般2m左右，底面積34m2；錘重可視需要而定，多在1020t之間，錘底靜壓力值2540kPa。一般采用脫鉤夯錘。 圖6.2.1-1 履帶式起重機及夯錘7 質(zhì)量控制7.1 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)7.1.1 公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTG F10-2006)7.1.2 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-2002)7.1.3公路工程質(zhì)量檢驗評

19、定標(biāo)準(zhǔn)（JTG F80/1-2004）7.2 質(zhì)量控制措施7.2.1 強夯施工宜在干旱季節(jié)進(jìn)行。在雨期施工時應(yīng)采取措施，防止場地積水，否則，將導(dǎo)致土質(zhì)變軟、出現(xiàn)土體擠出現(xiàn)象，降低強夯效果。7.2.2 強夯施工前應(yīng)對夯點放線進(jìn)行嚴(yán)格的復(fù)核，其偏差應(yīng)小于5cm。夯完后檢查夯坑位置，發(fā)現(xiàn)偏差或漏夯時應(yīng)及時糾正。7.2.3 應(yīng)嚴(yán)格按照施工設(shè)計圖的次序進(jìn)行強夯，不得漏夯；吊機就位應(yīng)按次序，并有利于多臺吊機同時施工。7.2.4 開夯前應(yīng)檢查夯錘重和落距，以確保單擊夯擊能量符合設(shè)計要求。若夯錘使用過久往往因底面磨損而使重量減輕。落距未達(dá)設(shè)計要求的情況，在施工中也常發(fā)生。這些都將影響單擊夯擊能的大小。7.2.

20、5 施工過程中應(yīng)按設(shè)計要求檢查每個夯點的夯擊次數(shù)和末夯的夯沉量。并詳細(xì)記錄強夯的各項參數(shù)(如夯擊能、夯擊次數(shù)、每次夯擊的沉降量等)和施工等情況，以備施工結(jié)束后進(jìn)行檢測。7.2.6 強夯施工結(jié)束24周后應(yīng)對地基加固質(zhì)量進(jìn)行檢驗。檢測點位置可分別布置在夯坑內(nèi)、夯坑外和夯擊區(qū)邊緣。每1000m2范圍內(nèi)抽檢不宜少于3處，檢驗深度應(yīng)不小于設(shè)計處理的深度。7.2.7 強夯處理后的地基竣工驗收時，承載力檢驗應(yīng)采用原位測試或室內(nèi)土工試驗。8 安全措施8.0.1 強夯施工應(yīng)有固定的作業(yè)班組，施工現(xiàn)場應(yīng)由專人統(tǒng)一指揮，并建立健全安全生產(chǎn)責(zé)任制度和安全保證體系，對全體施工人員進(jìn)行安全教育，組織學(xué)習(xí)安全技術(shù)規(guī)范及施工

21、設(shè)備的安全操作規(guī)程。8.0.2 定期和不定期地組織安全檢查，發(fā)現(xiàn)隱患應(yīng)及時整改。8.0.3 進(jìn)入現(xiàn)場必須戴安全帽，特殊工種應(yīng)持證上崗。8.0.4 施工前應(yīng)在強夯區(qū)采取隔離措施，嚴(yán)禁非操作人員進(jìn)入施工現(xiàn)場。吊機起重臂活動范圍內(nèi)嚴(yán)禁站人。8.0.5 夯機駕駛室前應(yīng)安裝安全防護(hù)網(wǎng)，測量儀器應(yīng)架設(shè)在距夯機30m以外的地方，夯錘下落位置與施工人員的安全距離為20m。8.0.6 確保夯實設(shè)備使用中的安全可靠，防止起重機吊臂在強夯時突然釋重而產(chǎn)生后傾。當(dāng)起吊過重時，應(yīng)在起重機上附加門架或支撐架，以免前傾。8.0.7 強夯機械笨重，自行能力較差，需用大量拖車方能轉(zhuǎn)場，因此應(yīng)盡量減少強夯施工中的轉(zhuǎn)場頻率，提高強

22、夯機械的利用率。拖車拖動強夯機械行走時應(yīng)鋪放4m×2m×0.02m 鋼板。8.0.8 強夯一段時間后(一般在1000次左右)，起重機應(yīng)進(jìn)行保養(yǎng)。檢查機械設(shè)備、動力線路，鋼絲繩磨損等情況，重點檢查調(diào)整回轉(zhuǎn)臺平衡鉤輪與導(dǎo)軌的間距，避免加大對平衡鉤輪的沖擊。8.0.9 施工應(yīng)按計劃有序進(jìn)行，保持現(xiàn)場安全及文明施工。8.0.10強夯前，應(yīng)對起重機、滑輪組及脫鉤器等進(jìn)行全面檢查，并進(jìn)行試吊及試夯，待一切正常后，方可強夯。8.0.11 在距離周圍建筑物50m范圍內(nèi)之地基土不宜采用強夯。若必須采用強夯時，則應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防措施。因強夯施工是利用夯錘的巨大沖擊能和沖擊波反復(fù)夯擊地基土表面，由此產(chǎn)生的噪音和振動對周圍的建筑物（或滑坡體）和居民將造成一定的不利影響，這些擾民問題必須在施工中考慮到。當(dāng)遇距離小于40m的建筑物時，