強(qiáng)夯法在我國的發(fā)展 及 應(yīng)用

張有春，魯建榮

（灤南交通運(yùn)輸局， 河北 灤南 063500）

目前，強(qiáng)夯法已較廣泛地應(yīng)用于房屋、倉庫、油罐、工業(yè)設(shè)備、公路、鐵路、橋梁、機(jī)場跑道、港口碼頭等工程的地基加固，適用于碎石土、砂土、低飽和度土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等。

強(qiáng)夯法就是利用起重設(shè)備將重錘提升到一定的高度，然后使重錘自由下落，以巨大的沖擊能量作用在地基上，使土中產(chǎn)生極大的沖擊波，以克服土顆粒間的各種阻力，使地基壓變以達(dá)到加固地基的一種地基處理技術(shù)。這種方法的顯著特點(diǎn)是夯擊能量大，因此影響深度大，同時(shí)具有工藝簡單、效果顯著、設(shè)備簡單、費(fèi)用低廉、質(zhì)量控制容易、適用土層范圍廣、施工周期短等突出優(yōu)點(diǎn)。

1 強(qiáng)夯法的發(fā)展歷史

強(qiáng)夯法的基本思想源于古代的夯實(shí)地基法，萬里長城、唐長安大明宮等主要建筑基礎(chǔ)均為夯筑。在近代，南斯拉夫、丹麥、蘇聯(lián)等國都試驗(yàn)過較重的錘，從較大的高度落下，以期達(dá)到在更大的深度內(nèi)獲得良好的加固效果。特別是羅馬尼亞，從20世紀(jì)60年代開始，應(yīng)用夯錘重5～7t，落距5～9m，加固深度可以達(dá)到2～4m的重級落錘夯實(shí)法。這也可以認(rèn)為是強(qiáng)夯法的起源。強(qiáng)夯法，是由法國的路易·梅那（L.Menard）于1970年首先創(chuàng)立的地基加固技術(shù)。在強(qiáng)夯法施工初期，僅對淺層素填土、碎石填土、砂土進(jìn)行加固，這時(shí)尚處于重錘夯實(shí)階段。隨著工程實(shí)踐的增加，并且對某些條件下的細(xì)粒土軟弱地基的處理也取得了一定的效果，于是就發(fā)展成為動力固結(jié)法。

2 強(qiáng)夯法發(fā)展現(xiàn)狀

我國于1978年9月引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)， 1979年初塘沽率先進(jìn)行強(qiáng)夯法加固黏土地基的試驗(yàn)研究。同年6月河北廊坊與山西陽泉又分別對軟黏土、粉細(xì)砂地基與黃土質(zhì)砂黏性土填方地基進(jìn)行了處理，這是我國采用強(qiáng)夯技術(shù)處理地基最早的兩個(gè)工程實(shí)例。隨后該技術(shù)迅速推廣， 北京、天津、西安等地的地基處理工程都采用了該項(xiàng)技術(shù)，并取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

我國強(qiáng)夯技術(shù)經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段。

第一階段，自引進(jìn)到20世紀(jì)80年代初，約8年，本階段工程應(yīng)用的強(qiáng)夯能級比較小，一般僅為1 000kN·m，處理深度5m左右，以處理淺層人工填土為主。

第二階段，20世紀(jì)80年代初到90年代初，約10年。在該階段，代表項(xiàng)目是國家重點(diǎn)工程山西化肥廠，在施工過程中為了消除黃土地基的濕陷性，國家化工部組織科研，開發(fā)了6 250kN·m強(qiáng)夯能級，使強(qiáng)夯的有效處理深度提高到了10m左右，強(qiáng)夯的應(yīng)用范圍也得到擴(kuò)展， 強(qiáng)夯技術(shù)日臻完善。

第三階段，20世紀(jì)90年代初到2002年，該階段以興建國家重點(diǎn)工程三門峽火力發(fā)電廠為代表，該項(xiàng)目成功使用了8 000kN·m強(qiáng)夯能級，使強(qiáng)夯消除黃土濕陷性的深度達(dá)到12m。此后， 高能級強(qiáng)夯技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，包括貴陽龍洞堡機(jī)場、上海浦東機(jī)場等工程在內(nèi)的許多國家重點(diǎn)工程都采用了強(qiáng)夯地基處理技術(shù)，取得了預(yù)期效果，為國家節(jié)省了大量投資。

第四階段，從2002年底至今，為了處理高填方地基，試驗(yàn)開發(fā)了10 000kN·m強(qiáng)夯能級，經(jīng)檢測，10 000kN·m能級強(qiáng)夯有效處理深度超過了15m，強(qiáng)夯技術(shù)取得了較大突破，縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距。為了更進(jìn)一步擴(kuò)大強(qiáng)夯的應(yīng)用范圍，在強(qiáng)夯技術(shù)的基礎(chǔ)上，還形成了強(qiáng)夯置換和柱錘沖擴(kuò)等新技術(shù)。強(qiáng)夯這種工藝于2007年首次投入到了客運(yùn)專線鐵路施工中，用于新建武廣鐵路客運(yùn)專線之中。

當(dāng)前應(yīng)用強(qiáng)夯法處理地基的工程范圍極廣，已付諸實(shí)踐的有工業(yè)與民用建筑、重型構(gòu)筑物、機(jī)場、堤壩、公路和鐵路路基、貯倉、飛機(jī)場跑道及碼頭、核電站、油庫、油罐和人工島等。近年來強(qiáng)夯法在工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)方面己發(fā)展應(yīng)用于垃圾填埋場、沙漠地基、核廢料場等的處理?？傊瑥?qiáng)夯法在某種程度上比其他機(jī)械的、化學(xué)的或力學(xué)的加固方法使用更為廣泛和有效。

3 強(qiáng)夯法研究方向

3.1 強(qiáng)夯加固地基的力學(xué)模型研究

國內(nèi)一些學(xué)者對強(qiáng)夯法的力學(xué)模型進(jìn)行了一些研究，陸新對軟粘土地基在靜力固結(jié)模型基礎(chǔ)上針對強(qiáng)夯特點(diǎn)提出了強(qiáng)夯動力排水固結(jié)模型。很多學(xué)者還通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)夯的作用機(jī)理，對其動力學(xué)特征進(jìn)行了開拓性研究。錢家歡等曾用自制的動力固結(jié)儀模擬強(qiáng)夯， 分別提出了飽和砂土及飽和粘土在沖擊荷載作用下壓縮模量、卸荷模量以及動孔隙水壓力的經(jīng)驗(yàn)公式。韓文喜等也獲得了飽和土在強(qiáng)夯作用下的動應(yīng)力、動位移、孔隙水壓力的變化規(guī)律及強(qiáng)夯的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征。詹金林等也提出了高能級強(qiáng)夯加固機(jī)理的數(shù)值模擬模型。

3.2 夯擊能的傳遞與作用機(jī)理

左名麒提出的振動波理論認(rèn)為夯擊所產(chǎn)生的巨大沖擊能將以波的形式向土介質(zhì)傳播。強(qiáng)夯主要是縱波和橫波起加固作用，而面波主要是R波，不但不起加密作用，反而對地基表面產(chǎn)生松動，是有害波。針對R波的作用，孔令偉等通過研究三個(gè)代表不同土質(zhì)條件的強(qiáng)夯實(shí)踐后認(rèn)為，瑞利波可穿透較深的土層，使得地基在R波作用下產(chǎn)生變形并使土顆粒更為緊密的排列，即認(rèn)為R波對地基加固起了不可忽視的作用。根據(jù)地基土的類別不同，強(qiáng)夯加固基本原理可分為動力夯實(shí)、動力固結(jié)兩種情況，其共同特點(diǎn)都是通過破壞土體的天然結(jié)構(gòu)并達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 強(qiáng)夯作用下的地基性狀

根據(jù)強(qiáng)夯后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)資料分析，郭見揚(yáng)提出了強(qiáng)夯地基的雙層構(gòu)造理論。他認(rèn)為對于強(qiáng)夯的加固效果，在某個(gè)深度以上夯后N值明顯增加，形成良好的持力層，而在這個(gè)深度以下N值增加和減小的可能性都存在。但即使強(qiáng)度有所降低，它的抗振動穩(wěn)定性將有所提高， 這充分肯定了強(qiáng)夯的加固效果。宋修廣等綜合考慮地基土的流固動力耦合和地基與夯錘接觸表面的動力耦合情況，給出了基于三維有限元法的計(jì)算方法和迭代格式，并對一具體算例進(jìn)行了耦合數(shù)值分析，總結(jié)了地基位移、應(yīng)力及接觸反力等在強(qiáng)夯作用時(shí)間內(nèi)的變化規(guī)律和在空間上的分布特征。

在強(qiáng)夯加固的微觀機(jī)理研究方面，則主要以試驗(yàn)為主。陳東佐曾通過X光衍射和掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，分析研究了陜西潞城濕陷性黃土的全礦物成分及其強(qiáng)夯前后主要物理力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)在加固效果最好的夯后土體中存在著旋渦狀的微結(jié)構(gòu)。

對于強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理，現(xiàn)在一般認(rèn)為，從加固原理與作用看分為動力夯實(shí)、動力固結(jié)、動力置換三種形式。對于非飽和土，很高的沖擊能使顆粒移動，從而孔隙中氣泡迅速排出或者壓縮，孔隙體積減小，形成較密實(shí)結(jié)構(gòu)，稱為動力夯實(shí)。飽和粘性土中，夯擊破壞了土體原有結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生裂隙，引起滲透性增大，孔隙水壓力消散后土體固結(jié)，稱為動力固結(jié)。而通過在夯擊過程中回填各種散體材料如塊石、碎石等并與周圍土體共同作用形成復(fù)合地基的方法稱為動力置換。

3.4 強(qiáng)夯孔隙水壓力的消散規(guī)律

強(qiáng)夯后孔隙水壓力的消散問題是工程界和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的一個(gè)問題，因?yàn)樗鼪Q定著強(qiáng)夯的夯間間隔時(shí)間和有效影響范圍。研究孔壓的產(chǎn)生、增長和消散規(guī)律可以防止孔壓的快速累積和加速孔壓消散，從而減少大面積液化和“橡皮土”的產(chǎn)生，對于提高地基土的加固效果和加快工期，以及強(qiáng)夯加固機(jī)理的研究都十分必要。

韓文喜利用土動三軸儀對強(qiáng)夯加固飽和砂土進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)，認(rèn)為飽和砂土在強(qiáng)夯作用下，顆粒在向下壓縮和向周圍擠壓的同時(shí)顆粒間的孔隙被壓縮，形成超靜孔隙水壓力，夯擊后超靜孔壓能夠迅速消散，沒有孔壓的疊加現(xiàn)象。

白冰將強(qiáng)夯荷載看作加荷和卸荷過程，并將其離散為若干等幅均布荷載，分析了飽和土層在強(qiáng)夯荷載下孔隙水壓力的分布特點(diǎn)，并給出了在加、卸荷階段土層內(nèi)部任一時(shí)刻的孔隙水壓力表達(dá)式。

現(xiàn)在，大量的工程實(shí)踐證明，對于不同類型土，其孔隙水壓力的產(chǎn)生、增長和消散規(guī)律是不同的。砂性土滲透系數(shù)大，孔壓消散快，一般可連續(xù)夯擊，而粘性土滲透性差，需要較長的夯間間隔時(shí)間以避免橡皮土的形成。

4 強(qiáng)夯法技術(shù)應(yīng)用展望

雖然強(qiáng)夯理論研究工作取得了一定的進(jìn)展， 但理論上仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了強(qiáng)夯的實(shí)際工程需要。目前還沒有一套很成熟、完善的設(shè)計(jì)計(jì)算方法， 仍然依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方法來確定。在現(xiàn)階段我國實(shí)施強(qiáng)夯法處理地基土仍存在很多問題沒有完全解決。這在一定程度上制約了這種方法的進(jìn)一步發(fā)展。對強(qiáng)夯地基土的研究，特別是高飽度土地基，前人主要集中在強(qiáng)夯機(jī)理的分析及影響范圍的計(jì)算，目前則注重于強(qiáng)夯工藝和強(qiáng)夯技術(shù)的研究和開發(fā)，對強(qiáng)夯后地基強(qiáng)度和變形的預(yù)測方面尚少見報(bào)道。對夯后地基特性的檢測常通過規(guī)范規(guī)定的方法，現(xiàn)階段主要是通過原位測試以及室內(nèi)土工試驗(yàn)來測定加固效果，評價(jià)夯后地基土體的承載力、變形和壓縮模量等指標(biāo)。大都通過載荷試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)或其他間接檢測方法對比試驗(yàn)結(jié)果，或查表格換算求得。但以往的工程實(shí)踐表明，強(qiáng)夯后某些土質(zhì)量檢測要在夯后一兩個(gè)月后進(jìn)行，即在超孔隙水壓力完全消散時(shí)方可檢驗(yàn)，但實(shí)際施工工期常不允許，若夯后立即進(jìn)行質(zhì)檢，其測得的指標(biāo)值又往往偏離真實(shí)的質(zhì)量狀況，甚至低于夯前指標(biāo)，不能滿足工程要求，如何利用夯后實(shí)測的參數(shù)指標(biāo)值來預(yù)測土的承載力和變形特性成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。

今后針對上述問題開展關(guān)于強(qiáng)夯法技術(shù)的相關(guān)研究顯得十分重要，從理論到實(shí)踐尋求棄土的解快方法，尋求有效減小砂土液化的方法。從而提高工程質(zhì)量，節(jié)約費(fèi)用和工期。

[1]左名麒，朱樹森.強(qiáng)夯法地基加固[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[2]胡乃財(cái).強(qiáng)夯法加固地基的設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[3]呂秀杰，龔曉南，李建國.強(qiáng)夯法施工參數(shù)的分析研究[J].巖土力學(xué)， 2006， 27（9）：1628-1632.