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地基处理施工中强夯法介绍

395 2021-02-03 10:53:34


一、强夯法的起源

强夯法的基本思想源于古代的夯实地基法,万里长城、唐长安大明宫等主要建筑基础均为夯筑,在近代,南斯拉夫、丹麦、苏联等国都试验过较重的锤,从较大的高度落下,以期达到在更大的深度内获得良好的加固效果。特别是罗马尼亚,从20世纪六十年代开始,应用夯锤重5t~7t,落距5m~9m,加固深度可以达到2m~4m的重级落锤夯实法。这也可以认为是强夯法的起源。 


二、强夯法的兴起与发展现状 

强夯法,是1969年首先由L.Menard在法国发展起来的。该法首次应用于法国戛纳(Cannes)附近纳普尔(Napoule)海滨采石场废土石围海造成的场地上,在该场地上建造20幢8层公寓建筑。该场地表层4m~8m为采石场弃土,以下为15m~20m含高压缩性淤泥夹层的砂质粉土,再下为泥炭岩。若采用桩基,则桩承担的新填土引起的负摩擦力将占桩基承载力的60%~70%,十分不经济。后用堆载预压,堆土5m,在约100kPa压力下,历时3个月,沉降平均仅下沉20cm承载力仅提高30%,加固效果不明显。后由法国工程师L.Menard提出用锤重80kn,落距10m,每击冲击能800kn⋅m,总能量1200kn⋅m/m2夯击一遍,地面沉降达50cm,连以前的预压总沉降70cm,经旁压仪检验,夯实土平均性能改善200%。8层建筑采用基底压力300kPa,竣工后沉降仅1.3cm,取得良好效果,此后该法推广应用于饱和粗颗粒土的压密。 

到1973年底,已有12个国家在150余项地基工程中应用强夯法。1974年英国工程师协会召开深基础会议,Menard本人对强夯法作了详细介绍,并出了专册,该法即很快在欧洲国家推广应用。在我国,从1975年起就在技术

刊物上介绍此法,当时称为重级落锤夯实法。1978年12月,

中国建筑科学研究院建筑情报研究所在《建筑结构》上系统介绍该法,并定名为强力夯实法(强夯法),引起工程界的广泛关注,并迅速在全国推广。 


三、强夯法的发展 

1、应用范围的发展 

最初强夯法主要用于处理碎石土、杂填土、砂类土、非饱和粘性土等,但随着经验的丰富以及施工方法的科学化、现代化,尤其是排水条件的改善,用强夯法处理的土类不断增加,淤泥和淤泥质土、泥炭土、软塑至流塑的一般粘土、饱和砂土、膨胀土、黄土及湿陷性黄土、高填土等地基上都尝试和应用。强夯法处理大块石高填方地基也被建设部列为推广使用技术。 

当前应用强夯法处理地基的工程范围极广,已付诸实践的有工业与民用建筑、机场、防洪工程、公路和铁路路基、港口、核电站、石化工程等。甚至对海底、水下的软弱土层也尝试通过特殊工艺进行强夯处理。近几年,随着社会发展,环境问题日益严重,强夯法也用于垃圾和固体废弃物的处理并取得了成功。强夯法的局限是施工时较大的噪声和振动,因而不宜在人口密集的城市内使用。 图片


2、夯击能的发展 

在加固能量上,目前最大的为法国Menard公司加固法国尼斯机场工程,该工程为保证沉降符合要求,要求有效加固深度达30m~40m,为此Menard公司在实际施工中用了自重为1,700kn的钢板叠合锤,落距23m,单点夯击能40MJ,加固后回填土强度提高4倍,下部粉土提高约1倍。 

我国自引入强夯法以来,在1981年6月,化工部第二化工建设公司及其协作单位在山西潞城建设的山西化肥厂场地首次使用能级为6,250kn⋅m的强夯,用以加固II级自重湿陷性黄土地基。2004年,我国首次采用夯击能10,000kn⋅m对沿海碎石土回填地基进行加固,王铁宏、水伟厚等对该项目的实施进行了全程的施工监测及加固后的效果检验,表明加固效果显著。2007年,年廷凯等对15,000kn⋅m夯击能处理滨海型下卧软弱夹层且存在地下水的碎石回填地基进行了效果测试,其有效加固深度达11.5m。北京时间2016年5月18日8点30分,由中化岩土工程股份有限公司自主开发研制并获得多项国家专利的CGE-1800B型强夯专用机械,在延安打下了20000kN·m超高能级强夯试验的第一锤,这次20000kN·m强夯处理试验是为了评价超高能级强夯处理方案的效果,获得有效加固深度、地基承载力、变形模量、夯沉量、地面整体沉降量、压实度等关键性技术指标,为解决新型城镇化建设中发展空间拓展提供相应的依据。


3、施工机具的发展 

强夯施工机具较简单,主要由夯锤、强夯机及脱钩装置组成。强夯法施工和强夯机是紧密联系在一起的,随着强夯技术的发展,强夯机具也同步发展。 

夯锤一般有填入式、组合拼装式和现浇整体式,其外形主要有方形、梨形和圆形,方形夯锤由于在连续夯击时对位困难,基本已被淘汰。为减小夯锤底面的真空吸附力,锤中留有孔道,作为上下面的通气孔;为解决土的飞溅问题,有把夯锤作成羊角锤;还有为减小多次夯击时夯锤起吊困难,将夯锤底面做成凹形。 

强夯机作业性能的好坏和施工能力的高低,直接影响着强夯工程的进度、安全、效益以及强夯工艺的发展。国外强夯机主要有三大类,分别为三角形固定桁架臂架式、三角井字架式和大吨位安装用起重机。1975年,法国梅纳公司为完成法国尼斯机场一条经填海形成的填土厚8m~18m,原海底为松软的粉土,厚50m~80m,要求加固深度达40m,研究开发了起重量为2,000kn,提升高度为25m,自重5,500kn,具有186个轮胎的三角形固定桁架臂强夯机,这是迄今为止世界上最大的强夯施工机械。但由于自重和外形尺寸过大,186个轮胎的均载和转弯协调不易很好实现,加上对施工场地要求过高等原因,使该设备再未应用于其它强夯工程。图片

目前强夯机现在已呈现二极发展趋势:即高能力,大夯击能量和低能量、小能级;强夯机的多用途发展也将是一种新的趋势。同时以微电子为重要标志的电子化和信息化互动将应用于强夯施工设备上,从而可实现远距离控制,提高施工作业的安全性和防患人为误动作。实现强夯和打桩自动下沉量测量、判定,真正体现强夯的信息化施工能力;节能和环保是工程机械的发展要求和总趋势,因此,新型强夯机以降低发动机排放,提高液压系统效率,减少钢丝绳消耗为目标,使强夯机技术发展方向完全达到低排放,低消耗,高效率作业。 图片


4、复合强夯技术的发展 

随着强夯处理地基土范围的扩大,单纯依靠强夯作用难以达到最理想的效果,于是在强夯基础发展起来了强夯置换法,动力排水固结法,强夯+CFG桩,电渗强夯法,爆炸-强夯法,液压高速强夯法,旋转夯锤式强夯,地基夯实动力打桩法等。 

强夯置换法:对淤泥类土中强夯时,在形成的夯坑中回填块石、碎石等粗颗粒材料,然后用夯锤夯击,重复此过程连续施工,形成一个墩体,称为强夯置换墩,在粉土中形成的强夯置换墩可按与桩间土形成复合地基考虑。 

强夯置换的加固原理相当于强夯(加密)+碎石墩+特大直径排水井。 

动力排水固结法:是动力固结法和堆载预压法联合加固的方法,适用于对饱和软粘土、淤泥质粘土等高含水量、高孔隙比、低强度的土体加固。其原理是利用强夯冲击产生较高的孔隙水压力并在堆载预压静压力的作用下消散,使预压时间大大缩短,加固效果提高。 

强夯+CFG桩法:强夯+CFG桩联合加固即先用小能量强夯进行大面积超宽处理,以消除欠固结土,加速地基土固结过程。然后在建筑物范围内进行CFG桩处理,置换原土体,挤密桩间土,充分发挥CFG桩桩身压缩变形小、承载力高、控制沉降效果好的特点。 

SDDC(孔内深层超强夯法): 该工法用机具成孔,成孔方法可采用钻机钻孔或振冲法成孔,成孔后往孔内填料,用特制的橄榄形重力夯锤进行夯击,压实,挤密。此法由于在孔内进行夯实,夯击的效率高,成孔的效果好,该法既可以消除黄土湿陷性,又能提高地基承载力,特别适用于深厚湿陷性黄土的地基处理。


四、展望

(1)由于被加固土体的复杂多样性,以及强夯法加固地基的机理和设计目前没有统一的标准,故规范要求强夯施工前必须现场试验确定施工参数,如何用最简单的试验快速、准确的确定强夯的施工参数(夯击能、有效加固深度、有效加固宽度等)和检验强夯的加固效果具有实际意义,值得进行这方面的研究。 

(2)强夯法补强加固路基还应有更广阔的前景,高速公路、高速铁路、机场、油库等对工后沉降要求较高的工程部位均可通过强夯法提高地基的承载力,大大降低或基本消除工后沉降,这为上述工程的尽快投入使用创造了时间经济效益。 

(3)强夯冲击波作用下会导致砂土液化,能否利用这一特性对建设在砂土地基上的大型油库、粮仓等建筑物进行纠偏值得进行这方面的探讨。 

(4)强夯过程中普遍存在土石飞溅现象,威胁到强夯施工人员及的安全,能否通过在夯锤周边设置一刃口,来减少土石飞溅,确保施工安全,值得实践。同时设置刃口能否使冲击波传播更有利于加固土体,值得进行这方面的研究。


感谢供稿作者:

王乐、张仲道(强夯俱乐部)

本文仅供学术经验分享之用

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