強(qiáng)夯法在地基處理中的應(yīng)用

張營(yíng)營(yíng)，溫國(guó)利

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法， 是20 世紀(jì)60 年代后期法國(guó)梅那爾公司在重錘夯實(shí)基礎(chǔ)上創(chuàng)造的一種動(dòng)力加固地基的方法。 它使用吊升設(shè)備將很重的錘(—般為8~40 t)起吊至較大高度(一般為8~40 m)后，使其自由落下，產(chǎn)生巨大的沖擊能量(—般為1100~4 000 kJ，最大可達(dá)8 000 kJ)作用于地基，給地基以沖擊和振動(dòng)，從而在一定范圍內(nèi)使地基的強(qiáng)度提高，壓縮性降低，改善地基的受力性能[1]。 經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用，證明該方法適用性強(qiáng)，加固效果顯著。本文試對(duì)強(qiáng)夯法的施工工序和施工參數(shù)進(jìn)行探討。

1 強(qiáng)夯法的加固機(jī)理和施工工序

強(qiáng)夯法適用于加固從礫石到黏性土的各類地基土。 我國(guó)工程技術(shù)人常用來(lái)處理碎石土、沙土、低飽和度的粉土、黏性土、雜填土、素填土、濕陷性黃土等各類地基。

1.1 強(qiáng)夯法的加固機(jī)理

強(qiáng)夯法是應(yīng)用功能轉(zhuǎn)換的原理達(dá)到加固地基的目的[2]。 地基土在強(qiáng)大的沖擊能的作用下，土體強(qiáng)制壓縮或振密，局部液化，夯點(diǎn)周圍產(chǎn)生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水逸出，經(jīng)時(shí)效壓密，使土體重新固結(jié)，從而提高了土的承載力，降低了其壓縮性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外近解10 年來(lái)的研究成果，強(qiáng)夯的作用機(jī)理按土體類型可歸為以下幾類[2]。

（1）非飽和類土。 以直觀的加密使土體強(qiáng)度增加為主（如黃土和一般的黏性土，最典型的是濕陷性黃土）。 通過(guò)夯擊，使土顆粒重新排列成致密結(jié)構(gòu)體，消除其濕陷性。

（2）粉土和粉細(xì)沙類土。 夯擊作用使土體加密和預(yù)液化，從而提高地基土的承載力和抗液化能力。

（3）飽和土。 強(qiáng)夯使空隙水壓力瞬時(shí)升高，隨著水壓力的消散，土中自由水和部分弱結(jié)合水排出，土體變得緊密。 隨著時(shí)間的延續(xù)，觸變后的土體結(jié)構(gòu)得以恢復(fù)，使地基土得到加固。 對(duì)于飽和淤泥質(zhì)土和黏性土，可通過(guò)加填料(石塊、鋼渣等)夯擊，增加土體骨架和排水通道。

1.2 強(qiáng)夯法的施工工序

強(qiáng)夯法的施工工序如圖1 所示。

圖1 強(qiáng)夯法的施工工序圖Fig.1 Dynamic consolidation construction procedure

2 強(qiáng)夯施工參數(shù)的選擇

強(qiáng)夯施工參數(shù)包括夯擊能、夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、夯點(diǎn)間距、夯點(diǎn)布置、加固范圍和間歇時(shí)間。它們可通過(guò)試夯確定。

2.1 夯擊能選擇

夯擊能可以根據(jù)Menard 修正公式或《地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79~91）中強(qiáng)夯法的有效加固深度進(jìn)行確定。 Menard 修正公式為

式中：H 為加固深度，m；W 為錘重，t；h 為落距，m；α 為修正系數(shù)，取0.5。

強(qiáng)夯法的有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試夯或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。 在缺少試驗(yàn)資料或經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按表1估計(jì)[1]。

表1 夯擊不同土質(zhì)地基的有效加固深度Table 1 Effective reinforcement depth oftamping different soil foundation

2.2 夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)

夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)是取得最好加固效果的一個(gè)重要因素。 夯點(diǎn)擊數(shù)小，達(dá)不到壓密加固效果，擊數(shù)過(guò)大，不僅費(fèi)用高，有時(shí)還會(huì)降低地基土承載力。 夯擊次數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試夯得到的夯擊次數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線確定。 通常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為確定夯擊次數(shù)的原則。 另外，還應(yīng)滿足下列條件：（1） 最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm。（2）夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的隆起。 （3）不因夯坑過(guò)深而發(fā)生起錘困難。

2.3 夯擊遍數(shù)

夯點(diǎn)需要有一定的間距，使夯擊時(shí)夯坑產(chǎn)生沖剪，從而在夯坑底形成一個(gè)擠壓加固區(qū)。 為使所產(chǎn)生的擠壓力受周圍土約束，側(cè)面應(yīng)有一定間距的不擾動(dòng)土。 為了加固未擠密土，需增加夯擊遍數(shù)。 這種分遍夯擊， 實(shí)際上就是夯點(diǎn)分批夯擊。 一般情況下，對(duì)碎石、沙礫、沙質(zhì)土或垃圾土，夯擊遍數(shù)為2～3遍；黏性土為3～8 遍，泥炭為3～5 遍。

2.4 夯點(diǎn)間距

夯點(diǎn)間距的選據(jù)宜根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型、加固土層厚度及土質(zhì)條件，通過(guò)試夯確定。 對(duì)細(xì)顆粒土來(lái)說(shuō)，為便于超靜孔隙水壓力的消散，夯擊點(diǎn)間距不易過(guò)小。 當(dāng)加固深度要求較大時(shí)，第一遍的夯點(diǎn)間距更不宜過(guò)小，以免夯擊時(shí)在淺層形成密實(shí)層面，影響夯擊能往下傳遞。 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，第一遍夯擊點(diǎn)間距宜選5～9 m（對(duì)土層較薄的沙土或回填土，取較大值），以后各遍夯擊點(diǎn)間距可與第一遍相同，也可適當(dāng)減小。 對(duì)加固深度要求大的工程或單點(diǎn)夯擊能較大的工程，第一道夯擊點(diǎn)的間距應(yīng)適當(dāng)增大。

2.5 夯點(diǎn)布置

布點(diǎn)形式和間距依地質(zhì)情況、能級(jí)和夯錘面積等確定。為了更好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求，多數(shù)情況需試夯確定。 工程中常用的夯點(diǎn)布置主要有以下兩種：

（1）單點(diǎn)間距一般為1.5D～2.5D(D 為錘底直徑)，呈一批方格布置(如圖2-a)、二批梅花形布置(如圖2-b)。

（2）滿夯為挨點(diǎn)錯(cuò)位相切，二批方格布置(如圖2-c)。

圖2 夯點(diǎn)布置Fig.2 Tamping points layout

2.6 加固范圍

由于建筑物基礎(chǔ)的應(yīng)力擴(kuò)散作用，強(qiáng)夯處理的范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍，具體擴(kuò)大范圍可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型和重要性等因素綜合考慮確定。 —般情況下，每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為設(shè)計(jì)處理深度的1/2～2/3，且不宜小于3 m。

2.7 間歇時(shí)間

兩遍夯擊之間，應(yīng)有一定的間歇時(shí)間，以利于強(qiáng)夯時(shí)上中超靜孔隙水壓力的消散。 間歇時(shí)間取決于超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間。 土中超靜孔隙水壓力的消散速率與土的類別、夯點(diǎn)間距等因素有關(guān)。沙性土地基滲透系數(shù)大，一般在數(shù)分鐘和2～3h 即可消散完，但滲透性差的黏性土地基，一般需要數(shù)周才能消散完。 夯點(diǎn)間距對(duì)孔壓消散速率也有很大的影響，夯點(diǎn)間距小，孔壓消散得慢，反之，夯點(diǎn)間距大時(shí)，孔壓消散得快。

3 強(qiáng)夯施工的技術(shù)探討

3.1 施工機(jī)具的設(shè)備選擇

強(qiáng)夯施工的主要機(jī)具及設(shè)備有： 起重設(shè)備，門架，脫鉤裝置，夯錘，推土機(jī)等。 （1）起重設(shè)備為強(qiáng)夯的主要機(jī)械，應(yīng)根據(jù)工程所采用的夯錘和起重高度來(lái)選用起重機(jī)的型號(hào)，可單機(jī)作業(yè)，也可主、副機(jī)聯(lián)合作業(yè)。一般額定起重能力為夯錘重量的1.5～3 倍。（2）門架由橫梁和2 個(gè)支腿組成，支腿的結(jié)構(gòu)形式有格構(gòu)式或管式。 門架上部橫梁中心鉸接于吊桿頂部。 （3）脫鉤裝置由帶拉桿的吊鉤和滑輪組成，配上牽引鋼絲繩，當(dāng)夯錘起到規(guī)定高度時(shí)能自動(dòng)脫鉤落錘。 （4）夯錘的選擇是根據(jù)土質(zhì)條件、設(shè)計(jì)要求和強(qiáng)夯能級(jí)決定的。 夯錘重一般為80～400 kN，材質(zhì)有鑄鋼、鑄鐵或鋼殼包混凝土等幾種，錘底多為圓形，錘底面又有平底、鍋底、球形等，地面投影面積一般為4～8 m2。另外，夯錘還應(yīng)設(shè)數(shù)個(gè)上下貫通的通氣孔。（5）推土機(jī)是強(qiáng)夯必不可少的輔助機(jī)械， 作場(chǎng)地整平壓實(shí)之用。

3.2 施工步驟

強(qiáng)夯施工可按下列步驟進(jìn)行：（1）清理并平整施工場(chǎng)地。 （2）標(biāo)出第一遍夯點(diǎn)位置，并測(cè)量場(chǎng)地高程。（3）起重機(jī)就位，使夯錘對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)位置。（4）測(cè)量夯前錘頂高程。 （5）將夯錘起吊到預(yù)定高度，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測(cè)量錘頂高程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時(shí)，應(yīng)及時(shí)將坑底整平。 （6）按設(shè)計(jì)規(guī)定的夯擊次數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個(gè)夯點(diǎn)的夯擊。 （7）重復(fù)第三至第六步驟，完成第一遍全部夯點(diǎn)的夯擊。 （8）用推土機(jī)將夯坑填平，并測(cè)量場(chǎng)地高程。 （9）在規(guī)定的時(shí)間間隔后，按上述步驟逐次完成全部夯擊遍數(shù)，最后用低能量滿夯，將場(chǎng)地表層松土夯實(shí)，并測(cè)量夯后場(chǎng)地高程。

3.3 施工安全注意事項(xiàng)

強(qiáng)夯施工應(yīng)注意的事項(xiàng)為：（1）強(qiáng)夯施工產(chǎn)生的振動(dòng)較大，當(dāng)距離邊坡較近施工時(shí)，應(yīng)挖1m×1.5m的減振溝。（2）強(qiáng)夯施工尤其是滿夯時(shí)，如表土過(guò)干，應(yīng)采取加水措施，增加土的含水量，以防石水四濺、塵土飛揚(yáng)。（3）夯錘上應(yīng)設(shè)通氣孔，如遇堵塞，應(yīng)立即清理。 （4）現(xiàn)場(chǎng)人員必須戴安全帽，超重臂下嚴(yán)禁站人。（5）在強(qiáng)夯施工過(guò)程中，應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)夯加固地基的施工工藝比較簡(jiǎn)單， 操作方便，加固效果良好，影響深度可達(dá)10 m 以上，可有效地提高地基的承載能力， 并且適用于從礫石到黏性土的各類地基土，應(yīng)用比較廣泛。但是該方法加固地基的機(jī)理比較復(fù)雜，其理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，還有待于進(jìn)一步深入研究。

[1] 龔曉楠. 地基處理手冊(cè)[M]. 3 版. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：128-135.

[2] 張慶國(guó). 強(qiáng)夯法的加固機(jī)理和應(yīng)用[M]. 山東：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2003：55-80.

[3] 殷宗澤. 地基處理工程實(shí)例[M]. 北京：水利電力出版社，2007：195-220.