強夯法在南水北調中線工程中消除黃土濕陷性的應用

賈淑敏 梁素偉

（1.河北省水利科學研究院 河北石家莊 050057；2.河北省南水北調工程建設管理局河北石家莊 050035）

強夯法處理松軟地基是 1969年法國人L.Menard(梅納)首先提出的。通常以80～300kN的重錘和落距8～20m 的夯擊能量對地基進行堅固處理。一般的夯擊能量在500～8000kN·m 之間。強夯法最初用于加固處理松散沙土和碎石土，后逐漸擴大到雜填土、黏性土和濕陷性黃土等的地基加固處理。工程實踐表明，強夯法不僅能提高地基的強度，降低土的壓縮性，而且還能改善土體的抗液化能力及消除黃土的濕陷性。

1 強夯法加固機理

強夯法是在極短時間內對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，這種突然釋放的巨大能量將使土體發(fā)生一系列的物理變化。如土體結構破壞或液化，排水固結壓密、觸變恢復等。其作用結果使一定范圍內地基強度提高，孔隙擠密，消除濕陷性。強夯過程影響地基土狀態(tài)如圖1 所示。強度提高較明顯的區(qū)段是Ⅱ區(qū)，壓密區(qū)深度即是加固深度。

解釋強夯效應，目前有兩種理論，即Menard的動力固結理論和沖擊破壞壓縮理論。Menard根據(jù)飽和黏土受到強夯后的一系列物理現(xiàn)象提出了動力固結模型，用以解釋荷載和沉降關系的滯后效應、孔隙水的可壓縮性、土骨架的壓縮模量的改變和滲透系數(shù)的變化等現(xiàn)象。沖擊破壞壓縮理論是針對粗粒土地基而提出的，用以解釋強夯擊過程中地面大量沉陷，密實度及強度提高等現(xiàn)象。

圖1 強夯過程土體的狀態(tài)

強夯法雖然在工程實際中已被證實是地基處理有效方法之一，但目前還沒有一套成熟的理論和設計計算方法，所以還有待進一步提高。

2 強夯法加固地基效果的理論分析

現(xiàn)場試驗與測試表明，強夯過程和靜置時間、夯擊能、土體變形、孔隙水壓力以及強夯特征等隨時間的變化存在一定關系。地基土強度增長與土中孔隙水壓力消散有關。夯擊初始階段，由于土體發(fā)生液化或結構破壞，土的強度降低到很小，其后，隨著孔隙水壓力逐漸消散，土的強度也相應增長，最后階段為土觸變恢復階段。另外，還觀察到；夯擊時，夯擊坑周圍產(chǎn)生豎向裂隙，夯坑出現(xiàn)冒氣冒水現(xiàn)象，隨著孔隙水壓力逐漸消散，土顆粒重新組合，裂隙閉合，地基土的強度也逐漸增長。

3 強夯法施工參數(shù)的選擇

3.1 夯擊能選擇的一般規(guī)定

強夯法是一種深層改變土體結構的動力固結方法。單位夯擊能應根據(jù)黃土地層的特征和厚度以及要求消除黃土濕陷性的有效深度等因素確定。必須選擇合適的強夯參數(shù)，才能取得理想的加固效果。強夯錘重W和落距h的選擇，取決于要加固土層的有效厚度H，三者之間的關系可以用下面的公式估算。

式中：H為加固土層的厚度(m)；W為錘重(kN)；h為落距(m)；α為小于1.0 的經(jīng)驗系數(shù)，可根據(jù)不同的土質條件來取值。對黏性土可取0.5；對砂性土可取0.7；對黃土可取0.35～0.5。一般情況下，錘重可用40～200kN，落距8～25m。錘底面積宜按土的性質確定，錘底靜接地壓力值可取25～60kPa，對于細顆粒土可取小值。單擊夯擊能相同的情況下，粗粒土的有效加固深度大于細顆粒土。消除黃土濕陷性施工中，夯擊能一般可取1000～4000kN·m，夯錘接地面宜為圓形，錘的底面宜對稱設置若干個與其頂面貫通的排氣孔，以利于夯錘著地時坑底空氣迅速排出和起錘時減小坑底的吸力，孔徑可取250～300mm。

3.2 夯擊點位的布置

夯點間距和布置形式歸納起來有以下幾種布點形式：正方形布點，矩形布點，正三角形布點，等腰三角形布點，正方形布點中間加一點即所謂梅花形布點，按條基礎形式布點，按獨立基礎形式布點等等。JGJ79—2002《建筑地基處理技術規(guī)范》第6.2.5 條，對于強夯法的夯點間距及布置形式作了如下規(guī)定：“夯擊點位置可根據(jù)基底平面形狀，采用等邊三角形、等腰三角形或正三角形布置。第一遍夯擊點可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，第二遍夯擊點位于第一遍夯擊點之間，以后各遍夯擊點間距可適當減小。對于處理深度較深，或者夯擊能較大的工程，第一遍夯擊點間距宜適當增大”。

3.3 夯擊次數(shù)的確定

夯點的夯擊次數(shù)，應按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關系曲線確定，并同時滿足下列條件：（1）最后兩擊的平均夯沉量不宜大于下列數(shù)值。當單擊夯擊能小于4000kN·m 時，為50mm；當單擊夯擊能為4000～6000kN·m 時為100mm；當單擊夯擊能大于6000kN·m 時為200mm。（2）夯坑周圍地面不發(fā)生過大隆起。（3）不應夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

3.4 夯擊遍數(shù)及間隔時間的確定

夯擊遍數(shù)應根據(jù)地基土的性質確定，一般情況下，可采用點夯2～3 遍，最后再以低能量滿夯兩遍。對于滲透性較差的細顆粒土，必要時夯擊遍數(shù)可適當增加。兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔，時間間隔取決于土體中超靜孔隙水壓力的消散時間，應不少于3～4 周，土體的滲透性大，間隔時間可以適當縮短，土體的滲透性小，則間隔時間可以適當延長。

4 工程實例

4.1 工程地質條件簡述

南水北調中線干線工程漳古段SG3 標，非自重濕陷性黃土處理長度 2400m，采用強夯法對濕陷性黃土渠段進行處理，分布有3 段比較典型的濕陷性黃土。

4.1.1 樁號74+245～74+500 段

4.1.2 樁號75+055～75+670 段

Q4 壤土（局部夾黏土）、砂壤土，地表至深度 4.3～9.5m 具有濕陷性，自重濕陷系數(shù)0～0.05，濕陷系數(shù) 0～0.108，無—強濕陷性。渠道中部挖除后，該段場地自重濕陷量0～48mm，濕陷量51～635mm。屬于Ⅰ（輕微）級—Ⅱ（中等）級非自重濕陷性場地，濕陷性土主要分布于地表至深度4.5～6.5m。

4.1.3 樁號75+670～75+905 段

Q4 壤土（局部夾黏土、砂壤土），地表至深度5.3～11.2m 具有濕陷性，自重濕陷系數(shù)001～0.062，濕陷系數(shù)0.001～0.119，無—強濕陷性。渠道中部挖除后，該段場地自重濕陷量 27～170mm，濕陷量46～669mm，屬于Ⅰ（輕微）級非自重濕陷性場地—Ⅱ（中等）級自重濕陷性場地，濕陷性土主要分布于地表至深度 5.3～8.5m。

4.2 試驗區(qū)選擇

根據(jù)強夯區(qū)的工程地質條件，結合施工現(xiàn)場的實際情況，共選擇了 4 個試夯區(qū)。2 個1000kN·m 的夯擊能試驗區(qū)，在75+754～75+905段渠底和 75+326～75+630 段右堤；1 個2000kN·m 的夯擊能試驗區(qū)，在75+326～75+651段渠底；1 個 3000kN·m 的夯擊能試驗區(qū)，在75+268～75+630 段左堤。

4.3 試驗方案

實驗區(qū)夯點布置。主夯點間距5m×5m，正方形布置，夯擊能1000kN·m和2000kN·m 試驗區(qū)，選用1 號錘，錘重18t，落距分別不少于5.6m和11.2m，單點擊數(shù)7～10 擊。夯擊能3000kN·m試驗區(qū)，選用 2 號錘，錘重 28t，落距不小于10.8m，單點擊數(shù)7～12 擊。依次逐點夯擊完成主夯點，然后推平夯坑，待間隔規(guī)定時間后，進行次夯施工。次夯點布置在主夯點正方形中間，以同樣的方式和施工參數(shù)完成次夯點的施工。推平夯坑后用夯擊能1000kN·m 滿夯，滿夯選用1號錘，錘重18t，落距不少于5.6m，壓1/3 夯錘的滿夯一遍，該試驗區(qū)完成。

依據(jù)勘查資料，土體平均含水量9.2%～17%。結合施工經(jīng)驗，各夯擊遍數(shù)之間的間隔時間暫取3～4 周。設計處理深度為6m。

5 強夯效果檢測分析

試驗結束14 天以后，采用機械洛陽鏟挖探坑取樣，從夯擊中止時的夯面起至其下7m 深度內每隔1m 取樣進行室內土工試驗。檢測項目有：土的含水量、密度、比重、飽和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、抗剪強度、濕陷系數(shù)，對和黃土濕陷性關系密切的指標包括干密度、孔隙比、壓縮模量、濕陷系數(shù)進行分析。

根據(jù)勘察階段對本渠段 310 個土樣的實驗結果的分析，其中177 個樣本具有濕陷性，平均干重度14.56g/cm3，平均孔隙比0.821，平均壓縮模量4.12MPa，平均濕陷系數(shù)0.0373。

強夯后的土樣實驗結果顯示：1000kN·m 夯擊能試驗區(qū)，土樣平均干重度15.3g/cm3，平均濕陷系數(shù)0.024，其中11 個土樣的濕陷系數(shù)大于判定標準0.015，最大濕陷系數(shù)為0.051。依據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)的建筑規(guī)范》有關規(guī)定，仍判定為濕陷性黃土，說明選擇的夯擊能偏小，應加大夯擊能進行施工。

2000kN·m和3000kN·m 夯擊能試驗區(qū)，土樣平均干重度分別為16.8、17.1g/cm3，平均濕陷系數(shù)均為0.003，并且每個土樣的濕陷系數(shù)都小于判定標準0.015。對比夯前夯后資料，夯后處理深度范圍內，土體的干密度變大，濕陷系數(shù)變小，強夯后4～8.5m 的深度范圍內濕陷性黃土濕陷系數(shù)為0.001～0.014，均小于0.015 的界限值，依據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)的建筑規(guī)范》有關規(guī)定，判定該土層已不具濕陷性。施工過程中監(jiān)測到地面的沉降量為0.63～1.68m。

6 結束語

（1）強夯法是消除黃土狀壤土濕陷性、提高地基承載力的常用方法，它具有設備簡單、施工速度快、易操作、工程造價低等特點。

（2）強夯過程，改變了土體結構和基本特性，尤其是土體顆粒進行了重新排列，減小了土體的孔隙比，可以有效的消除黃土濕陷性，提高了地基承載力。

（3）關于強夯法施工過程中的質量控制，應及時監(jiān)測最后兩擊的平均夯沉量和總沉降量，對強夯效果及時進行評估。

（4）質量控制的最終依據(jù)是土體的濕陷系數(shù)必須小于0.015。

（5）處理后的土體干密度隨著夯擊能的提高而相應提高。