dAAA岩土工程-地基处理-强夯和强夯置换课件.ppt
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1、3 3 强夯和强夯置换强夯和强夯置换深层密实深层密实是指采用爆破、夯击、挤压和振动是指采用爆破、夯击、挤压和振动等方法,对松软地基土进行振密和挤密。等方法,对松软地基土进行振密和挤密。与浅层加固方法的不同点在于:施工机具不与浅层加固方法的不同点在于:施工机具不同,深度范围不同。同,深度范围不同。强夯技术Dynamic Compaction3.1 概概 述述 强夯法在国际上称动力压实法或动力强夯法在国际上称动力压实法或动力固结法。固结法。强夯是法国强夯是法国MenardMenard技术公司于技术公司于19691969年年首创的一种地基加固方法,首创的一种地基加固方法,它通过一般它通过一般830t
2、830t的重锤的重锤(最重可达最重可达200t)200t)和和820m820m的落距的落距(最高可达最高可达40m)40m),对地基土施加很,对地基土施加很大的冲击能,一般能量为大的冲击能,一般能量为5008000kN.m5008000kN.m。在地基土中所出现的在地基土中所出现的冲击波和动应力,冲击波和动应力,可提高地基土的强度、降低土的压缩性、可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时,夯击能还可提高土的湿陷性等。同时,夯击能还可提高土层的均匀程度,减少将来可能出现的土层的均匀程度,减少将来可能出现的差异沉降。
3、差异沉降。强夯置换强夯置换(或动力置换、强夯挤淤)(或动力置换、强夯挤淤)强夯法具有以下特点:强夯法具有以下特点:1)适用各类土层)适用各类土层 适用于处理碎石土、砂土、适用于处理碎石土、砂土、低饱和度低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。黄土、素填土和杂填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软-流塑的黏性土等地基流塑的黏性土等地基土对变形控制不严的工程。土对变形控制不严的工程。2)应用范围广泛)应用范围广泛 工程范围极为广泛,有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、工程范围极为广泛,有工业与民用建筑、仓库、油罐、储
4、仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。3)经济效果明显)经济效果明显4)有效加固深度大)有效加固深度大5)施工机具简单,且施工快捷)施工机具简单,且施工快捷6)工程造价低)工程造价低3.2 3.2 加固机理加固机理 国内外还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法。国内外还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法。宏观机理和微观机理宏观机理和微观机理波的传播波的传播目前,强夯法加固地基有三种不同的加固机理:动力密目前,强夯法加固地基有三种不同的加固机理:动力密实、动力固结和动力置换。取决于地基土的类别和强夯施实、动力固结和动力置换。取决于地基土的类别和强夯施工
5、工艺。工工艺。加加 固固 机机 理理一、一、动力密实动力密实 采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力采用强夯加固多孔隙、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,使土体中的孔隙减小,密实的机理,即用冲击型动力荷载,使土体中的孔隙减小,土体变得密实,从而提高地基土强度。土体变得密实,从而提高地基土强度。Dynamic compaction 非饱和土的夯实过程,就是土中的气相非饱和土的夯实过程,就是土中的气相(空气空气)被挤出被挤出的过程,其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。的过程,其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。非饱和土的夯实过程,就是土中的气相非饱和土的
6、夯实过程,就是土中的气相(空气空气)被挤出被挤出的过程,其夯实变形主要是由于的过程,其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起土颗粒的相对位移引起。a a 前数击加固区正扩大前数击加固区正扩大b b 加固区形成加固区形成c c 加固区形成后,等速下沉,加固区下移加固区形成后,等速下沉,加固区下移 在夯击动应力的作用下,不同位置的土体处于不在夯击动应力的作用下,不同位置的土体处于不同的状态,大致可分为四个区域:同的状态,大致可分为四个区域:A A区为主压实区;区为主压实区;B B区为次压实区;区为次压实区;C C区为隆起区;区为隆起区;D D区为未加固区区为未加固区夯坑夯坑 在冲击动能作用在冲击动
7、能作用下,地面会立即产下,地面会立即产生沉降,一般夯击生沉降,一般夯击一遍后,其夯坑深一遍后,其夯坑深度可达度可达0.61.0m0.61.0m,夯坑底部形成一层夯坑底部形成一层超压密超压密硬壳层硬壳层,承,承载力可比夯前提高载力可比夯前提高2323倍。倍。Abu Dhabi Corniche(United Arab Emirates)动力密实的应用范围动力密实的应用范围动力密实的应用范围动力密实的应用范围肇庆肇庆花都花都博罗输变电工程花都站土石方强夯施工博罗输变电工程花都站土石方强夯施工动力密实的应用动力密实的应用动力密实的应用动力密实的应用水下地基加固水下地基加固动应力等值线动应力等值线 干
8、密度等值线干密度等值线强夯挤密过程中地基土中强夯挤密过程中地基土中动应力及干密度动应力及干密度随着深度和水随着深度和水平距离的增加而减小,且具有明显的向水平向扩展的趋平距离的增加而减小,且具有明显的向水平向扩展的趋势,侧向挤密作用非常明显。势,侧向挤密作用非常明显。夯坑沉降和周围地面隆起夯坑沉降和周围地面隆起 强夯过程中,随着夯击次数的增加,夯坑深度加大,强夯过程中,随着夯击次数的增加,夯坑深度加大,夯坑周围底面产生不同程度的隆起。当平均隆起量小于夯坑周围底面产生不同程度的隆起。当平均隆起量小于沉降量时,存在动力挤密作用。沉降量时,存在动力挤密作用。最佳夯击能:沉降量与隆起量相当时,动力挤密作
9、用不最佳夯击能:沉降量与隆起量相当时,动力挤密作用不明显,此时对应的夯击能量。明显,此时对应的夯击能量。二、二、动力固结动力固结 用强夯法处理用强夯法处理细颗粒饱和土细颗粒饱和土时,则是借助于动力固时,则是借助于动力固结的理论,即结的理论,即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波,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破坏了土体原有的结构,使土体局部发生液化并产生许,使土体局部发生液化并产生许多裂隙,多裂隙,增加了排水通道增加了排水通道,使孔隙水顺利逸出,待超孔,使孔隙水顺利逸出,待超孔隙水压力消散后,土体固结。由于软土的触变性,强度隙水压力消散后,土体固结。由于软土的触变性
10、,强度得到提高得到提高。Dynamic consolidation1 1)饱和土的压缩性;)饱和土的压缩性;2 2)产生液化;)产生液化;3 3)渗透性变化;)渗透性变化;4 4)触变恢复)触变恢复Menard认为:认为:饱和土是可压缩的新机理饱和土是可压缩的新机理。强夯时动力固结主要表现四点:强夯时动力固结主要表现四点:1)1)饱和土的压缩性饱和土的压缩性MenardMenard教授认为,由于土中有机物的分解,第教授认为,由于土中有机物的分解,第四纪土中大多数都含有以四纪土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体微气泡形式出现的气体,其含气量大约在,其含气量大约在1%1%4%4%范围内,进行强夯
11、时,范围内,进行强夯时,气体体积压缩,气体体积压缩,孔隙水压力增大孔隙水压力增大,随,随后气体有所膨胀,孔隙水排出的同时,孔隙水压力就减少。这样每夯后气体有所膨胀,孔隙水排出的同时,孔隙水压力就减少。这样每夯击一遍,液相气体和气相气体都有所减少。根据实验,每夯击一遍,击一遍,液相气体和气相气体都有所减少。根据实验,每夯击一遍,气体体积可减少气体体积可减少40%40%。2)2)局部产生液化局部产生液化在重复夯击作用下,施加在土体的夯击能量,使在重复夯击作用下,施加在土体的夯击能量,使气体逐渐受到压缩气体逐渐受到压缩。因此,土体的沉降量与夯击能成正比。因此,土体的沉降量与夯击能成正比。当气体按当气
12、体按体积百分比接近零时体积百分比接近零时,土体便变成不可压缩的土体便变成不可压缩的。相应于孔隙水压力上相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级升到覆盖压力相等的能量级,土体即产生液化土体即产生液化。孔隙水压力与液化压。孔隙水压力与液化压力之比称为力之比称为液化度液化度,而液化压力即为覆盖压力。当液化度为,而液化压力即为覆盖压力。当液化度为100%100%时,时,亦即为土体产生液化的临界状态,而该能量级称为亦即为土体产生液化的临界状态,而该能量级称为“饱和能饱和能”。此时,。此时,吸附水变成自由水,土的强度下降到最小值。一旦达到吸附水变成自由水,土的强度下降到最小值。一旦达到“饱和能饱和能”而
13、而继续施加能量时,除了继续施加能量时,除了使土起重塑的破坏作用使土起重塑的破坏作用外,能量纯属是浪费。外,能量纯属是浪费。3)3)渗透性变化渗透性变化在很大夯击能作用下,地基土体中出现冲击波和在很大夯击能作用下,地基土体中出现冲击波和动应力。当所出现的动应力。当所出现的超孔隙水压力大于颗粒间的侧向压力时超孔隙水压力大于颗粒间的侧向压力时,致,致使土颗粒间使土颗粒间出现裂隙出现裂隙,形成排水通道。此时,土的渗透系数骤增,形成排水通道。此时,土的渗透系数骤增,孔隙水得以顺利排出。在有规则网格布置夯点的现场,通过积聚孔隙水得以顺利排出。在有规则网格布置夯点的现场,通过积聚的夯击能量,在夯坑四周会形成
14、有规则的的夯击能量,在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝垂直裂缝,夯坑附近出,夯坑附近出现涌水现象。现涌水现象。当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时,当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时,裂隙即自行裂隙即自行闭合闭合,土中水的运动重新又恢复常态。国外资料报道,夯击时出,土中水的运动重新又恢复常态。国外资料报道,夯击时出现的冲击波,将土颗粒间吸附水转化成为自由水,因而促进了毛现的冲击波,将土颗粒间吸附水转化成为自由水,因而促进了毛细管通道横断面的增大。细管通道横断面的增大。4)4)触变恢复触变恢复在重复夯击作用下,土体的强度逐渐减低,当土体在重复夯击作用下,土体的强度逐渐减低,当土体出现液化
15、或接近液化时,使土的强度达到最低值。此时土体产生出现液化或接近液化时,使土的强度达到最低值。此时土体产生裂隙,而土中吸附水部分变成自由水,裂隙,而土中吸附水部分变成自由水,随着孔隙水压力的消散随着孔隙水压力的消散,土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。这时土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。这时自由水重新自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水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。,这也是具有触变性土的特性。产生液化产生液化夯击一遍的情况夯击一遍的情况 孔隙水压力与液化压力之比称孔隙水压力与液化压力之比称为为液化度液化度,而液化压力即为覆,而液化压力即为覆盖压力。当液
16、化度为盖压力。当液化度为100%100%时,时,亦即为土体产生液化的临界状亦即为土体产生液化的临界状态,而该能量级称为态,而该能量级称为“饱和饱和能能”。此时,。此时,吸附水变成自由吸附水变成自由水,土的强度下降到最小值。水,土的强度下降到最小值。一旦达到一旦达到“饱和能饱和能”而继续施而继续施加能量时,除了加能量时,除了使土起重塑的使土起重塑的破坏作用破坏作用外,能量纯属是浪费。外,能量纯属是浪费。产生液化产生液化夯击一遍的情况夯击一遍的情况 夯击三遍的情况夯击三遍的情况 夯击三遍的情况。每夯击一遍,体积变化有所减少,而地夯击三遍的情况。每夯击一遍,体积变化有所减少,而地基承载力有所增长,但
17、体积变化和承载力的提高,并不是遵基承载力有所增长,但体积变化和承载力的提高,并不是遵照夯击能的线性增加的。照夯击能的线性增加的。由于土体产生由于土体产生裂隙裂隙或趋于液化,引起渗透性增大。或趋于液化,引起渗透性增大。渗透性变化渗透性变化在夯坑四周会形在夯坑四周会形成有规则的成有规则的垂直垂直裂缝裂缝,夯坑附近,夯坑附近出现涌水现象出现涌水现象静力固结理论与动力固结理论的模型比较静力固结理论与动力固结理论的模型比较a a)静力固结理论模型;)静力固结理论模型;b b)动力固结理论的模型)动力固结理论的模型 MenardMenard根据强夯法的实践,首次对传统的固结理论提出了不根据强夯法的实践,首
18、次对传统的固结理论提出了不同看法,同看法,认为饱和土是可压缩的新机理认为饱和土是可压缩的新机理。弹簧活塞模型弹簧活塞模型静力固结和动力固结理论对比表静力固结和动力固结理论对比表 静力固结理论静力固结理论 动力固结理论动力固结理论 不可压缩的液体不可压缩的液体固结时液体排出所通过的固结时液体排出所通过的小孔,其孔径是不变的小孔,其孔径是不变的弹簧刚度是常数弹簧刚度是常数活塞无摩阻力活塞无摩阻力 含有少量气泡的可压缩液体含有少量气泡的可压缩液体固结时液体排出所通过的小固结时液体排出所通过的小孔,其孔径是变化的孔,其孔径是变化的弹簧刚度为变数弹簧刚度为变数活塞有摩阻力活塞有摩阻力 青岛港青岛港8 8
19、号码头强夯工程号码头强夯工程青岛港8号码头强夯工程动力置换类型动力置换类型 整式置换 桩式置换三、动力置换三、动力置换 Dynamic replacement 动力置换可分为整式置换和桩式置换。动力置换可分为整式置换和桩式置换。整式置换整式置换是采用强夯将碎石是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中,其作用机理类似于换土垫层。整体挤入淤泥中,其作用机理类似于换土垫层。桩式置换桩式置换是通过强夯将是通过强夯将碎石填筑土体中,部分碎石桩碎石填筑土体中,部分碎石桩(或墩或墩)间隔地夯入软土中,形成桩式间隔地夯入软土中,形成桩式(或或墩式墩式)的碎石墩的碎石墩(或桩或桩)。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩,
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