压实与夯实

压实法是利用机械自重或辅以振动产生的能量对地基土进行压实.压实法包括碾压和振动碾压.夯实法是利用机械落锤产生的能量对地基进行夯击使其密实,提高土的强度和减小压缩量.夯实法包括重锤夯实和强夯.

6．8．1 压实法

压实法是指采用人工夯、低能夯实机械、碾压或振动碾压机械对比较疏松的表层土进行压实,也可对分层填筑土进行压实.当表层土含水量较高时或填筑土层含水量较高时,可分层铺垫石灰、水泥进行压实,使土体得到加固.

压实法适用于浅层疏松的黏性土、松散砂性土、湿陷性黄土及杂填土等.这种处理方法对分层填筑土较为有效,要求土的含水量接近最优含水量;对表层疏松的黏性土地基也要求其接近最优含水量,但低能夯实或碾压时地基的有效加固深度很难超过1m.因此,若希望获得较大的有效加固深度则需较大功能的夯实.

6．8．2 强夯法

强夯是指将很重的锤从高处自由下落,对地基施加很高冲击能,反复多次夯击地面,地基土中的颗粒结构发生调整,土体变密实,从而能较大限度提高地基强度和降低压缩性.一般是通过10~100t的重锤(最重达200t)和10~20m的落距(最高达40m),对地基土施加强大的冲击能,在地基土中形成冲击波和动应力,夯锤对上部土体进行冲切,土体结构破坏,形成夯坑,并对周围的土体进行动力挤压,使得地基土压密和振密,以达到提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等作用.同时,夯击能还可以提高土层的均匀程度,减少将来可能出现的地基差异沉降.

一般认为,强夯法适用于无黏性土、松散砂土、杂填土、非饱和黏性土及湿陷性黄土等.对高饱和度的粉土与黏性土地基,应采用强夯置换法,即利用强大的夯击能将碎石、块石或其他粗颗粒材料,强行夯入并排开软土,在地基中形成碎石墩,并与墩间软土形成碎石墩复合地基,以提高地基的承载力,减小地基的沉降.

(1)强夯法的加固机理.强夯法虽然在实践中已被证实是一种较好的地基处理方法,国内外学者也从不同的角度进行了大量的研究,但到目前为止,还没有形成一套成熟和完善的理论及设计计算方法.对强夯法加固机理的认识,应该区分为宏观机理和微观机理.宏观机理从加固区土体所受到的冲击力、应力波的传播、土体强度对土的密实影响方面加以解释;微观机理则是对在冲击力作用下,土的微观结构变化,如土颗粒的重新排列、连接作出解释.另外,还要区别饱和土和非饱和土,饱和土的固结是土中孔隙水的排出过程,而非饱和土则复杂得多.近代土力学对非饱和土进行了一系列的研究,也取得了不少研究成果.由于黏性土和非黏性土有力学性质的差异,因此,也应该区别对待.对一些特殊土,例如湿陷性黄土、淤泥等,其加固机理也有不同之处.目前,强夯法加固地基有三种不同的加固机理,即动力密实、动力固结和动力量换,各种加固机理的特性取决于地基土的类别和强夯施工工艺.

①动力密实.强夯法加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理,即用冲击型动力荷载,使土体中的孔隙体积减小,土体变得密实,从而提高地基土强度.非饱和土的夯实过程,就是土中的气相被挤出的过程,其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起的.实际工程表明,在冲击能作用下,地面会立即产生沉陷,一般夯击一遍后,其夯坑深度可达0．6~1．0m,夯坑底部形成一起压密硬壳层,承载力比夯前提高2~3倍.

②动力固结.强夯法处理细颗粒饱和土时,则是动力固结机理,即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波,破坏了土体原有的结构,使土体的局部发生液化,并产生了许多裂隙,增加了排水通道,使孔隙水顺利排出,待超孔隙水压力消散后,土体固结.再加上软土具有触变性,土的强度得以提高.Menard教授根据强夯法的实践,首次对传统的固结理论提出了不同的看法,阐述了“饱和土是可以压缩的”新的机理,即饱和土的加固机理.

a．饱和土的压缩性.在大量的工程实践中,不论土的性质如何,在强夯加固的夯击时,可以立即使地基土产生很大沉降.对渗透性很小的饱和细粒土而言,土中孔隙水的排出被认为是产生沉降的必要和充分条件,这是传统的固结理论的基本假定.可是,饱和细粒土的渗透性很小,在瞬时夯击荷载的作用下,孔隙水不可能迅速排出,因此,就难以解释饱和细粒土在夯击时产生很大沉降的机理.

Menard教授认为,由于土中存在有机物,有机物的分解会产生微气泡.第四纪土中大多数都含有以微气泡形式存在的气体,含气量为1％~4％.在进行强夯加固饱和细粒土时,土中的气体体积压缩,孔隙水压力增大,随后气体有所膨胀,孔隙水排出的同时,孔隙水压力在逐渐减小.这样如此反复,每夯击一遍,液相体积和气相体积都有所减少.根据试验结果可知,每夯击一遍,气体的体积可减少40％.

b．产生液化.在重复夯击作用下,施加在土体上的夯击能使气体逐渐受到压缩.因此,土体的夯沉量与夯击能量成正比.当土中的气体按体积百分比接近于0时,土体即变成不可压缩的了.相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级时,土体即产生液化.

液化度为孔隙水压力与液化压力之比,而液化压力即为覆盖压力.当液化度为100％时,即为土体产生液化的临界状态,对应的能量称为“饱和能”.此时,土中的部分弱结合水变成了自由水,土的强度下降到最小值.强夯的夯击能一旦达到“饱和能”,如果继续施加夯击能量,除对土体起重塑的破坏作用外,没有其他作用,纯属浪费能量.应当指出,强夯夯击能引起的天然土层的液化常常是逐渐发生的.地球上的绝大多数沉积物是层状的和结构性的.在动荷载作用下,一般是粉质土层和砂质土层比黏性土层先产生液化现象.另外,强夯时土层所产生的液化不同于地震时的液化,只能引起土体的局部液化.

c．渗透性变化.强夯施工中,在很大的夯击能量作用下,地基土体中出现了冲击波和动应力.当土体中出现的超孔隙水压力大于土颗粒间的侧向压力时,致使土颗粒之间出现裂隙,形成排水通道.此时,土的渗透系数骤增,使土中孔隙水顺利排出.在有规则的、网格状布置夯点的施工现场,由于夯击能量的积聚,在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝,并出现涌水现象.所以,应规划好强夯的施工顺序,如果不规则的乱夯,只会破坏这些天然排水通道的连续性.因此,在现场勘察得到的夯击前土工试验所量测的渗透系数,并不能说明夯击后孔隙水压力迅速消散这一特性,土层的渗透系数会有所改变.当土中的孔隙水压力消散到小于土颗粒之间的侧向压力时,原来产生的裂隙即自行闭合,土中水的运动重新恢复常态.

d．触变恢复.在重复夯击作用下,土体的强度逐渐减低.当土体出现液化或接近液化时,土的强度达到最小值.此时土体产生裂隙,而土体中的吸附水部分变成了自由水.随着土体中孔隙水压力的消散,土体的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长.土颗粒间紧密接触和新吸附水层逐渐固定是土体强度增大的原因,而吸附水逐渐固定的过程可能会延续几个月.在触变恢复期间,土体的变形是很小的,有资料介绍在0．1％以下.如果用传统的固结理论就无法解释这一现象,这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水,这也是具有触变性土的特性.

③动力置换.动力置换可分为整式置换和桩式置换.整式置换是采用强夯的能量将碎石、矿渣等物理力学性能较好的粗颗粒材料强制整体挤入淤泥中,主要通过置换作用来达到加固地基的作用,其作用机理类似于换土垫层.桩式置换是通过强夯将碎石填筑于土体中,部分碎石对土体挤压形成桩体,使土体密实的方法.

(2)强夯法的设计计算.

①有效加固深度.有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据,又是反映地基处理效果的重要参数.有效加固深度一般可以理解为:经强夯加固后,该土层强度提高,压缩模量增大,加固效果显著,土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围.可用下列公式估算有效加固深度:

式中 H——有效加固深度(m);

W——夯锤重(k N);

h——落距(m);

α——小于1．0的经验系数,视不同的土质条件来取值,对于黏性土可取0．5,对于砂性土可取0．7,对于黄土可取0．35~0．5.

由式(6-53)估算的有效加固深度比实测的有效加固深度偏大.因此,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,《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)规定了取值范围,见表6．11.

表6．11 强夯法的有效加固深度　m

【例6-2】 某湿陷性黄土地基采用强夯法处理,锤重169k N,落距10m,试计算强夯处理的有效加固深度.

【解】 H＝＝41．11(m)

②单击夯击能.在设计中,先根据需要加固的深度初步确定要采用的夯击能,之后再根据施工机具确定起重设备、夯锤大小和自动脱钓装置.夯锤重量M与落距h的乘积称为单击夯击能.整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能.强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑,并可以通过试验确定.一般情况下,粗粒土可取1000~3000k Nm/m2,细粒土可取1500~4000k Nm/m2.夯击时最好加大锤重和落距,则单击夯击能量大,夯击击数少,夯击遍数也相应减少.

a．起重设备.起重设备可以用履带式起重机、轮胎式起重机,也有轮胎式强夯机.当夯锤重量大于起重机的能力时,需要利用滑轮组,并借助自动脱钩装置来起落夯锤.

b．夯锤.国内的夯锤重量一般为10~260t,最大夯锤重量已达到200t.锤底面为圆形和方形,以圆形为好,并对称设置若干个贯通顶底面的排气孔,孔径可取250~300mm,这样可以降低起锤时的能量损失,减小起吊吸力等.锤底面积宜按土的性质确定.国内外资料报道,对砂性土一般锤底面积为3~4m2,对黏性土不宜小于6m2.同时,应该控制夯锤的高宽比,以防止夯锤产生倾斜.对细粒土在强夯时可能会产生较深的夯坑,应事先加大锤底面积.锤底静压力可取25~80k Pa,对细粒土宜取较小值.

国内外夯锤多采用钢板外壳,内灌注混凝土,也可以根据实际情况选用铸钢夯锤,确定夯锤规格后,根据要求的单击夯击能量,就可以确定夯锤的落距.国内通常采用8~25m的落距.对相同的夯击能量,应选用大落距的施工方案,这是因为增大落距可以获得较大的触地速度,能将大部分的能量有效地传递到地下深处,增加了深层夯实效果,减少了消耗在地表土层塑性变形上的能量.

③夯击点布置和间距.

a．夯击点布置.夯击点布置是否合理与夯击效果有直接的关系.夯击点位置可以根据建筑物结构类型布置.对基础面积较大的建(构)筑物,可以按等边三角形、等腰三角形或正方形布置,以便施工;对办公楼和住宅,可根据承重墙的位置布置,一般按等腰三角形布点.

强夯的处理范围应大于建筑物的基础范围,具体的超出范围,可以根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定.对一般建筑物而言,每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2~1/3,并且不宜小于3m.对可液化地基,基础边缘的处理宽度不宜小于5m.

b．夯点间距.夯点间距一般根据地基土性质和要求处理的深度而确定.第一遍夯点间距要大,一般为夯锤直径的2．5~3．5倍,以使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的放射向裂隙为基本原则.下一遍夯点常布置在上一遍夯点的中间.最后一遍以较低的夯击能进行夯击,彼此重叠搭接,以确保接近地表土层的均匀性和较高的密实度,俗称“普夯”(满夯).如果夯距太大,相邻夯点的加固效应将在浅处叠加面形成硬壳层,这样会影响夯击能量向深部的传递.而夯距太小,又可能使夯点周围的辐射向裂隙(黏性土常见)重新闭合.

④夯击次数和遍数.

a．夯击次数.每个夯点的夯击次数应按照现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系的曲线确定,而且应同时满足三个条件:第一,最后两击的平均夯沉量不大于下列数值:当单击夯击能小于4000k Nm时为50mm,当单击夯击能为4000~6000k Nm时为100mm,当单击夯击能大于6000~8000k Nm时为150mm,当单击夯击能大于8000~12000k Nm时为200mm;第二,夯坑周围的地面不应发生过大的隆起;第三,不因夯坑过深而产生起锤困难.

总之,各夯击点的夯击数,应使土体的竖向压缩最大,侧向位移最小,一般为4~10击.

b．夯击遍数.夯击遍数应该根据地基土的性质和平均夯击能确定.在整个强夯场地中,将同一编号的夯击点夯完后算作一遍.夯击遍数应根据地基土的性质确定.由粗粒土组成的地基,夯击遍数可少些;由细粒土组成的地基,夯击遍数可适当增加.一般情况下可采用1~8遍,最后再以低能量满夯一遍,以便将松动的表层土夯实.满夯的夯实效果好,可减小建筑物的沉降.

⑤铺设垫层.强夯前,往往在拟加固的场地内满铺一定厚度的砂石垫层,因为场地必须具有稍硬的表层,才能支撑起重设备,并使施工时产生的“夯击能”得到扩散;同时,也可以加大地下水位与地表面的距离.地下水位较高的饱和黏性土和易于液化流动的饱和砂土,均需铺设砂(砾)或碎石垫层才能进行强夯,否则土体会发生流动;对场地地下水位在1~2m深度以下的砂砾石土层,可以直接强夯而不需要铺设垫层.铺设的垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及其形状等条件而定.当场地土质条件好,夯锤质量小或夯锤的形状构造合理,起吊时吸力小时,也可以减少垫层的厚度.一般的垫层厚度为0．5~2．0m.铺设的垫层不能含有黏土.

⑥间歇时间.需要分两遍或多遍夯击的强夯工程,两遍夯击之间应该有一定的时间间隔.各遍间的间隔时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间.对砂性土来说,孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间,消散时间只有2~4min.所以,对渗透系数较大的砂性上,两遍夯击的间歇时间很短,可以连续夯击.对黏性土,由于孔隙水压力消散较慢,故当夯击能逐渐增加时,孔隙水压力亦相应叠加,其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况,一般为2~3周.但如果人为地在黏性上设置排水通道,如在黏性土地基中埋设了袋装砂井或塑料排水袋,则可以缩短间歇时间.

思考题

一、简答题

1．夯实法可适用于以下哪几种地基土?

2．排水堆载固结预压法适合于哪种地基?

3．对于饱和软黏土适用的处理方法有哪些?

4．对于松砂地基适用的处理方法有哪些?

5．对于液化地基适用的处理方法有哪些?

6．对于湿陷性黄土地基适用的处理方法有哪些?

二、计算题

1．某复合地基,桩截面面积为Ap,以边长为L的等边三角形布置,则置换率为多少?

2．某工程采用换填垫层法处理地基,基底宽度为10m,基底下铺厚度2．0m的灰土垫层,为了满足基础底面应力扩散要求,试求垫层底面宽度?

3．某饱和黏土,厚H＝6m,压缩模量Es＝1．5MPa,地下水位和地面相齐,上面铺设80cm砂垫层(γ＝18k N/m3)和设置塑料排水板,然后用80k Pa大面积真空预压3个月,固结度达85％,试求残余沉降(沉降修正系数取1．0,附加应力不随深度变化)?

4．某工程采用复合地基处理,处理后桩间土的承载力特征值fsk＝339k Pa,桩的承载力特征值fpk＝910k Pa,桩径为2m,桩中心距为3．6m,梅花形布置.桩、土共同工作时的强度发挥系数均为1,求处理后复合地基的承载力特征值fspk.