強(qiáng)夯法的加固機(jī)理及適用范圍

1、強(qiáng)夯法的加固機(jī)理及適用范圍當(dāng)前，應(yīng)用強(qiáng)夯法和強(qiáng)夯置換法處理的工程范圍極為廣泛，大量工程實(shí)例證明，強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。強(qiáng)夯置換法適用于高飽和度的粉土與軟塑流塑的粘性土等地基上對(duì)變形控制要求不嚴(yán)的工程。關(guān)于強(qiáng)夯法的加固機(jī)理，由于加固土質(zhì)復(fù)雜，至今尚未形成一套成熟完善的理論。目前普遍認(rèn)為，強(qiáng)夯法加固地基有三種加固機(jī)理，即動(dòng)力密實(shí)、動(dòng)力固結(jié)和動(dòng)力置換，它取決于地基土的類(lèi)別和強(qiáng)夯施工工藝。1 動(dòng)力密實(shí)采用強(qiáng)夯加固多孔隙、粗顆粒、非飽和土是基于動(dòng)力密實(shí)的機(jī)理，即用沖擊型動(dòng)力荷載，使土體中的孔隙減小，土體顆粒重新排列，在動(dòng)荷載作用下被擠密壓

2、實(shí)，從而提高地基土強(qiáng)度、減少壓縮性。非飽和土的夯實(shí)過(guò)程，就是土中的氣相(空氣)被擠出的過(guò)程，其夯實(shí)變形主要是由于土顆粒的相對(duì)位移引起。實(shí)際工程表明，在沖擊動(dòng)能作用下，地面會(huì)立即產(chǎn)生沉降，一般夯擊一遍后，其夯坑深度可達(dá)0.61.0m，夯坑底部形成一層超壓密硬殼層(厚度約為夯坑直徑的1.01.5倍)，承載力特征值可比夯實(shí)前提高23倍。非飽和土在中等夯擊能量(一般為10002000kN·m)的作用下，主要是產(chǎn)生沖切變形，在加固深度范圍內(nèi)氣相體積大大減少，最大可減少60。2 動(dòng)力固結(jié)用強(qiáng)夯法處理細(xì)顆粒飽和土?xí)r，則是借助于動(dòng)力固結(jié)理論，即巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，破壞了土體原有的結(jié)

3、構(gòu)，使土體局部發(fā)生液化并產(chǎn)生許多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水順利逸出，待超孔隙水壓力消散后，土體固結(jié)。由于軟土的觸變性，強(qiáng)度得到提高。動(dòng)力固結(jié)理論可概述為：1)飽和土的壓縮性。Menard教授認(rèn)為，由于土中有機(jī)物的分解，第四紀(jì)土中大多數(shù)都含有以微氣泡形式出現(xiàn)的氣體，其含氣量大約在14范圍內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)夯時(shí)，氣體體積壓縮，孔隙水壓力增大，隨后氣體有所膨脹，孔隙水排出的同時(shí)，孔隙水壓力就減少。這樣每夯擊一遍，液相氣體和氣相氣體都有所減少。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，每夯擊一遍，氣體體積可減少40。2)局部產(chǎn)生液化。強(qiáng)夯時(shí)，土體被壓縮，在重復(fù)夯擊作用下，施加在土體中的夯擊能量，使氣體逐漸受到壓縮。因此，土體的沉降量與夯

4、擊能成正比。當(dāng)氣體按體積百分比接近零時(shí)，土體便變成不可壓縮的。孔隙水壓力上升，當(dāng)達(dá)到與覆蓋壓力相等的能量級(jí)，土體即產(chǎn)生液化。當(dāng)液化度(孔隙水壓力與液化壓力之比稱(chēng)為液化度，而液化壓力即為覆蓋壓力)為100%時(shí)，亦即為土體產(chǎn)生液化的臨界狀態(tài)，而該能量級(jí)稱(chēng)為“飽和能”。此時(shí)，吸附水變成自由水，土的強(qiáng)度下降到最小值。一旦達(dá)到“飽和能”而繼續(xù)施加能量時(shí)，除了對(duì)土的重塑起破壞作用外，別無(wú)他用。3)滲透性變化。在很大夯擊能作用下，地基土體中出現(xiàn)沖擊波和動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)所出現(xiàn)的超孔隙水壓力大于顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，致使土顆粒間出現(xiàn)裂隙，形成排水通道。此時(shí)，土的滲透系數(shù)驟增，孔隙水得以順利排出。在有規(guī)則網(wǎng)格布置夯點(diǎn)的現(xiàn)

5、場(chǎng)，通過(guò)積聚的夯擊能量，在夯坑四周會(huì)形成有規(guī)則的垂直裂縫，夯坑附近出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。當(dāng)孔隙水壓力消散到小于顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，裂隙即自行閉合，土中水的運(yùn)動(dòng)重新又恢復(fù)常態(tài)。國(guó)外資料報(bào)道，夯擊時(shí)出現(xiàn)的沖擊波，將土顆粒間吸附水轉(zhuǎn)化成為自由水，因而促進(jìn)了毛細(xì)管通道橫斷面的增大，加速排水。4)觸變恢復(fù)。土體經(jīng)強(qiáng)夯后結(jié)構(gòu)遭到破壞，抗剪強(qiáng)度幾乎為零，隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。在重復(fù)夯擊作用下，土體的強(qiáng)度逐漸減低，當(dāng)土體出現(xiàn)液化或接近液化時(shí)，土的強(qiáng)度達(dá)到最低值。此時(shí)土體產(chǎn)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(qiáng)度和變形模量都有了大幅度的增長(zhǎng)。這時(shí)自由水重新被土顆粒所吸附而變成了吸附

6、水，這也是其具有了觸變性土的特性。強(qiáng)夯法在工程中雖已得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果，但時(shí)至今日，人們對(duì)其加固機(jī)理和設(shè)計(jì)計(jì)算理論的認(rèn)識(shí)還有待于進(jìn)一步深化。3 動(dòng)力置換在強(qiáng)夯的同時(shí)，夯坑中可置人碎石，強(qiáng)行擠走軟土，即強(qiáng)夯置換。動(dòng)力置換可分為整式置換和樁式置換。整式置換是采用強(qiáng)夯將碎石整體擠入淤泥中，其作用機(jī)理類(lèi)似于換土墊層。樁式置換是通過(guò)強(qiáng)夯將碎石等填筑到土體中，部分碎石間隔地夯入軟土中，形成樁式(或墩式)的碎石墩(或樁)。其作用機(jī)理類(lèi)似于振沖法等形成的碎石樁，它主要是靠碎石內(nèi)摩擦角和墩間土的側(cè)限來(lái)維持樁體的平衡，并與墩間土形成復(fù)合地基，如圖1所示。 (a)整式置換 (b)樁式置換圖1動(dòng)力置換類(lèi)型強(qiáng)夯置換法加固機(jī)理相當(dāng)于下列三者之和，即由強(qiáng)夯加密、碎石墩和特大直徑排水井組成。因此，墩間的和墩下的粉土或黏性土通過(guò)排水與加密，其密度和狀態(tài)可以改善。從而提高地基的承載能力，減少沉降。目前，強(qiáng)夯置換有三種形式：1)當(dāng)?shù)鼗韺訛榫哂羞m當(dāng)厚度的砂覆蓋層，下臥層為高壓縮性淤泥質(zhì)軟土?xí)r，采用低能夯，即將表層砂夯擠填人軟土層中，形成一根根動(dòng)力置換砂樁。軟土層受動(dòng)力固結(jié)作用而趨于密實(shí)，從而提高軟土層的承載能力。2)當(dāng)?shù)鼗鶠楦邏嚎s性軟土?xí)r，在其表面堆鋪一層適當(dāng)厚度的碎石料，