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阅读 3452 次 强夯法处理湿陷性黄土地基

摘要:本文回顾了强夯法处理地基的发展概况,阐述了其处理地基的技术特点,总结了强夯法加固湿陷性黄土地基的加固机理和适用范围,并就其设计难点强夯能级和夯沉量的估算进行了表述。以供同行们对强夯法处理湿陷性黄土地基进行总结、交流。...
  

强夯法处理湿陷性黄土地基

任会明

陕西省建筑科学研究院   西安  710082

    1 强夯法处理地基的发展概况及技术特点

    1.1强夯法处理地基的发展概况

    强夯法在国际上通常称为动力固结法(Dynamic Consolidation Method),是20世纪60年代末由法国梅纳(Menard)技术公司首创用于处理地基。这种方法一般是用重锤(一般为80400kN,最重的达2000kN),落距1040m,借夯锤自由下落的强大冲击能和碰撞产生的冲击波,反复夯击地基,使夯面下一定深度的地基土挤压密实,从而达到提高地基承载力,降低压缩性,改善地基土的工程性能。

    我国于1978年开始从国外资料引进强夯法处理地基技术,并在砂土和碎石为主的地基进行了强夯法试验研究和工程实践,取得了较好的加固效果。70年代末湿陷性黄土地基采用强夯法处理的研究与应用在国内也陆续开展,强夯法处理地基先后被纳入国标《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ2590)和行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-91),从而使强夯的设计、施工有章可循、有据可依,为强夯法的推广应用提供了质量保证,促进了强夯技术的进一步发展,从此以后,强夯法处理地基成为我国最常用的地基处理方法之一,尤其表现在新建地区大面积处理地基、路基和道基方面。

    1.2强夯法处理地基的技术特点

    强夯法能得以迅速发展及推广使用,归到底为其特点突出,原位处理,技术优势明显。主要有以下特点:

    ⑴速度快、工期短。采用强夯法处理地基挖、填方少,节省劳力,机械化程度高,施工速度快,尤其在中低能量(3000kN·m强夯能级以下)表现尤为突出。一台1000kN·m能级的强夯机械,平均每天能处理200300m2

    ⑵施工设备及工艺简单,施工质量容易保证。当强夯设计参数选定,按照夯点排布,保证每点的夯击击数、夯锤重量、夯锤高度及夯击遍数,即可保证施工质量,易于质量管理。

    ⑶费用经济。当强夯能级为1000kN·m2000kN·m时,其每平方米的处理费用仅为2030元,换算成每立方米地基加固费用为56元,远低于其他地基处理方法的费用。

    ⑷节约三材。强夯法处理地基采用原位处理的方法,不需用添加任何建筑材料,符合现行的国家政策及地基处理的发展方向。

    ⑸强夯振动及噪音对周围环境影响较大。一般用于远离居住人群的新建小区或大面积使用的机场、公路、铁路等地基处理工程。

    2 、强夯法处理湿陷性黄土地基的加固机理

我国的黄土广泛分布于北方地区,面积约为64万平方公里,占世界黄土分布总面积的4.9%。其中湿陷性黄土(一般指晚更新世和全更新世堆积的黄土)约为38万平方公里,约占黄土地区总面积的60%以上,主要分布在西北、华北和东北地区。

    湿陷性黄土的最大特点是大孔隙、欠压密,遇水后颗粒及团粒间的天然粘结强度急剧降低,引起原状结构破坏,土粒相互错位并重新排列,从而引起湿陷;在动荷下也能产生振陷。湿陷性黄土地区地基处理的目的主要为:⑴消除或降低地基土的湿陷性;⑵提高地基在浸水条件下的承载能力;⑶提高地基土在浸水条件下的变形模量或压缩模量,减小地基的总沉降量;⑷降低地基土层的透水性。针对以上地基处理的目的,结合湿陷性黄土的特点,我国湿陷性黄土地区建筑常用地基处理方案不外乎有三种:挖除换填法、机械加密法、化学加固法。由于化学加固法工程施工成本费用较高,但机械设备比较轻便,施工文明,其主要用于事后加固处理;挖除换填法土方量较大,且基坑稍深又需要支护,一般应用于地基处理深度1.03.0m的湿陷性黄土;机械加密法是利用机械的手段增加土的密实度,减少土中孔隙的体积,机械手段一般采用压、夯、挤、振、沉等几种方法,其中以原位夯、挤密机械法最为有效,即为强夯法和挤密桩法。挤密桩法一般处理深度为520m(包括夯扩挤密桩),强夯法一般处理深度为36m更能发挥其经济、快捷的特点(相比挤密桩法可节约造价30%以上)。

    强夯法处理湿陷性黄土地基在瞬间强夯冲击压缩波能量作用下,土颗粒之间的联结力及盐类薄膜力均遭到破坏,使土颗粒相互靠拢,颗粒间孔隙中的气体部分首先被排出,土颗粒重新排列,土孔隙大为减少。土颗粒在这种强大的外荷作用下达到新的稳定平衡状态,土体被压密,宏观表现为地基土整体被夯下去。根据湿陷性黄土强夯前后的微观分析表明,夯后地基土特大孔隙已基本消失,微孔隙显著增加,土体由松散变得密实,从而使地基土湿陷性消除,水稳性得以增加,满足工程需要。

    3 、强夯法处理湿陷性黄土地基的适用范围

    3.1  处理地基的深度范围

    强夯法处理湿陷性黄土地基,适用于地下水位以上,饱和度Sr60%的湿陷性黄土,处理深度为312m。工程中一般考虑到高能量强夯(强夯能级3000kN·m以上)施工相对缓慢、效率较低、费用较高,同等强夯能级下处理不同土类深度差异较大,使用的相对较少。现工程中大量推广使用的是10003000kN·m强夯能级,处理厚度3.56.5m,处理效果相对稳定,处理速度快捷、费用经济。对于处理湿陷性黄土层厚度大于6m时工程中可采用挤密法处理或挖除分层强夯法。

    3.2  处理地基的含水率范围

    强夯法处理湿陷性黄土地基一般是采用重量100400kN的夯锤先提至一定高度蓄势能再自由下落变动能反复冲击夯面地基土,将夯面以下一定深度的湿陷性黄土的孔隙体积减小,干密度增大,从而消除地基的湿陷性,提高地基承载力,降低地基的压缩变形。与其他压密地基处理方法一样,地基土的含水率是否适合直接影响着强夯施工处理效果的好坏。

    国内的相应标准对强夯法处理湿陷性黄土地基规定如下:

    ⑴国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB500252004)第6.3.4条规定:“采用强夯法处理湿陷性黄土地基,土的天然含水率宜低于塑限含水率1%~3%。在宜夯实的土层内,当土的天然含水率低于10%时,宜对其增湿至接近最优含水率;当土的天然含水率大于塑限含水率3%以上时,宜采用晾干或其他措施适当降低其含水率”。其最优含水率可通过击实试验求得,工程设计阶段估算时对于粉土和粉质粘土可分别取为15%和16.5%(约低于塑限含水率2%)。

    ⑵陕西省标准《强夯法处理湿陷性黄土地基规程》(DBJ61-9-2008)第3.1.5 条对于湿陷性黄土场地土层处理厚度内土的天然含水量,应按其适宜强夯的程度,依次划分为适宜较适宜可采用三类含水量范围。

    1适宜强夯的土层含水量范围:       

    2较适宜强夯的土层含水量范围:     

    3可采用强夯的土层含水量范围:      

    式中  ——土层处理厚度内,土的天然含水量(%),以拟建场地勘察资料为准,土层划分厚度及其值按开夯标高下每0.5m1.5m厚度计取。范围值中的高含水量土层,宜位于处理厚度的底层。

    土层处理厚度内,土的天然含水量的加权平均值

    土层处理厚度内,土的最优含水量op的加权平均值,宜按室内标准击实试验确定。当无试验资料时,可近似按(0.560.60取值。

    土层处理厚度内,土的液限含水量L的加权平均值

    以上是有关标准、规程对强夯法处理湿陷性黄土地基土层含水率适宜范围的有关规定,其中陕西省标准根据处理厚度内土层天然含水率的加权平均值与最优含水率的加权平均值差别大小及含水率的范围值依次划分含水率适宜强夯处理的程度,更切合实际、易于工程操作。其适宜的含水率范围能否进一步扩展还需大量的工程资料进一步验证。

    4、强夯法处理地基的设计难点

    强夯法处理湿陷性黄土地基的设计内容包括夯实厚度、强夯能级、处理平面范围及夯点排布、开夯标高、夯击遍数和夯点击数等参数。而强夯能级和开夯标高的确定是强夯设计参数的难点和关键。

    ⑴夯实厚度是由设计单位根据国家有关标准要求(对场地稳定性、湿陷性黄土处理厚度、地基压缩层、下卧层承载力及变形验算等要求),结合建(构)筑物对地基的物理力学指标要求(或地基处理目的)及岩土工程资料等综合因素确定。夯实厚度层顶一般即为基础底或垫层底面。

    ⑵强夯能级一般根据湿陷性黄土地层时代、夯实厚度、处理深度内地层含水率等因素综合确定。根据大量工程实例,强夯法处理湿陷性黄土地基的强夯能级与夯实厚度的关系,可用下列经验公式表示:

  式中 W—强夯能级(kN·m); D—设计的夯实厚度(m);

    土层含水量适宜系数,含水量类别为“适宜”、“较适宜”、“可采用”的值,可分别采用1.11.00.9

    坚硬土夹层影响系数,处理深度内无坚硬土夹层取1.0,下层有坚硬土夹层取0.9,中层有坚硬夹层取0.85,上层有坚硬夹层取0.80

    ⑶强夯法处理湿陷性黄土开夯标高应按所需夯实厚度顶面即终夯面标高加地基夯沉量确定。地基夯沉量宜通过试夯结果来确定。初步设计阶段可根据当地经验结合岩土工程勘察资料来确定。当无试夯资料时,可按下式估算   

    式中 d—强夯地基夯沉量(m);     D—设计的夯实厚度(m);

    地基夯实厚度D内,夯后土的估算平均干密度(g/cm3);

    土层处理厚度内夯前土的加权平均干密度(g/cm3)

    土层处理厚度底面处夯前土的干密度(g/cm3);

    开夯面以下1.0m深度内,夯后土的计算干密度(g/cm3);

     Gs1—开夯面以下1.0m深度内土的比重 ,粉质粘土Gs1=2.70~2.72,粉土Gs1=2.67~2.69 

     w1—开夯面以下1.0m深度内土的含水量,以小数计;

    水的密度,一般取1g/cm3

    5、结束语

    近几年来,随着西部大开发的深入发展和国家级新区在西部的设立,主要位于西部的湿陷性黄土地区建设工程越来越多,尤其是密集建筑群、机场、高速公路、削山填沟平整场地,这些地区大部属新建开阔地区,采用强夯法处理湿陷性黄土,避免人口密集、噪音污染、管线等,更能发挥强夯法处理湿陷性黄土地基快捷、经济、以土治土的优点。

    参考文献

    [1]龚晓南地基处理技术发展与展望,中国水利水电出版社,2004.

    [2]钱鸿缙、罗宇生等、湿陷性黄土地基,中国建筑工业出版社,1985.

    [3]刘祖典、谢定义、黄土的湿陷变形特性和机理,陕西机械学院水利水电学院,1989.

    [4]国家标准湿陷性黄土地区建筑规范,中国建筑工业出版社,2004.

    [5]陕西省标准、强夯法处理湿陷性黄土地基技术规程,省建筑标办出版,2008.

    [6]师管孝、姚建勇.强夯法处理湿陷性黄土地基的研究与应用,陕西省建筑科学研究设计院,1986.

    [7]任会明硕士论文、强夯法处理湿陷性黄土地基的应用研究,西安建筑科技大学,2008

    [8]任会明等、强强夯法处理湿陷性黄土地基夯沉量估算,陕西建筑,2010-12. 

 (本文来源:陕西省土木建筑学会     文径网络:刘军 吕琳琳 编辑  刘真 文径 审核

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