強(qiáng)夯法的加固機(jī)理探討

孫述彬

摘 要：強(qiáng)夯法是一種較好的地基處理方法之一，強(qiáng)夯法目前已發(fā)展到地基土的大面積加固，深度可達(dá)30 m。在飽和無(wú)粘性土的情況下，可能會(huì)產(chǎn)生液化，在夯擊過程中，土體的瞬時(shí)沉降可達(dá)幾十厘米，土中產(chǎn)生液化后使土的結(jié)構(gòu)破壞，土的強(qiáng)度下降到最小值，隨后在夯擊點(diǎn)周圍出現(xiàn)徑向裂隙，成為加速孔隙水壓力消散的主要通道，因粘性土具有觸變的特性，使降低的強(qiáng)度得到恢復(fù)和增強(qiáng)。另外，強(qiáng)夯后所導(dǎo)致砂性土的液化，能夠降低地基在未來(lái)地震作用下的液化勢(shì)。雖然地基土的密度增加不多，但卻能減少在未來(lái)地震作用下發(fā)生液化的可能性。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)夯法 超孔隙水壓力 排水通道 觸變 液化

中圖分類號(hào)：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（b）-0036-01

強(qiáng)夯法在實(shí)踐中已被證實(shí)是一種較好的地基處理方法之一，該方法的首次提出是在第十屆國(guó)際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程會(huì)議上。具體說明了強(qiáng)夯法的發(fā)展程度，該法可適用于深度30 m范圍內(nèi)的大面積地基土的加固。如果操作環(huán)境為非飽和土，則壓密可達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的擊實(shí)試驗(yàn)效果。如果操作環(huán)境為飽和無(wú)粘性土，反應(yīng)過程中可能有液化效應(yīng)，其效果亦有相關(guān)報(bào)道和試驗(yàn)佐證。同爆破法或者是振動(dòng)法的反映過程類似。在對(duì)雜填土的過程中運(yùn)用強(qiáng)夯法是非常有效的，尤其是需要破壞土質(zhì)的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造因孔隙水壓而誕生的排水通道時(shí)，效果尤其顯著。

1 強(qiáng)夯法的工作機(jī)理

1.1 飽和土的壓縮性

在具體的工程施工當(dāng)中，不管是怎樣的復(fù)雜土質(zhì)，一旦施加夯擊，必定造成地基的劇烈反應(yīng)以至沉降，這種現(xiàn)象在粒性土質(zhì)下，尤為明顯。國(guó)際上認(rèn)為，滲透性極小的飽和細(xì)粒土質(zhì)，在評(píng)估其沉降范圍時(shí)務(wù)必要考慮其孔隙水的排出能力。傳統(tǒng)意義的固結(jié)理論中，我們把這當(dāng)作是必要充分條件。因飽和細(xì)粒土質(zhì)自身滲透性低的特質(zhì)，決定了孔隙水無(wú)法及時(shí)排出，在瞬間荷載作用時(shí)，未必能立即引起巨大沉降效果。

有關(guān)數(shù)據(jù)表明，土壤中的有機(jī)物分解反應(yīng)，造成微氣泡增加，據(jù)實(shí)際測(cè)算，第四紀(jì)土的含氣量約在1%～4%之間，在實(shí)行強(qiáng)夯法的過程中，氣體體積減小，孔隙壓力下降，每次總體積可下降40%。

1.2 產(chǎn)生液化

強(qiáng)夯法實(shí)行過程中，土體的受壓不斷增加，因此氣體的體積不斷收縮。從數(shù)據(jù)上看，土面的沉降度與夯擊的力度是成正比的。知道氣體的體積下降能力接近于零時(shí)，土面沉降基本不會(huì)再有所變化，此時(shí)孔隙水在受壓的情況下，水壓與液化壓達(dá)到一定比例，此時(shí)液化壓力轉(zhuǎn)化為覆蓋壓力，最終這個(gè)數(shù)值達(dá)到100%，土面介于正常和液化的臨界點(diǎn)。這時(shí)的能量值，學(xué)術(shù)上則稱之為飽和能量值。原本的吸附水轉(zhuǎn)化為自由水，伴隨著土面強(qiáng)度的不斷下降，最終達(dá)到飽和，破壞土起的重塑能力。

值得注意的是，天然形態(tài)下的土，其液化過程是經(jīng)年累月的漸變過程。大部分的沉積物以層狀和結(jié)構(gòu)的方式展現(xiàn)。部分砂質(zhì)或者是粉末性質(zhì)的圖層相對(duì)更容易進(jìn)入液化。不過強(qiáng)夯法下的液化，是強(qiáng)制的局部液化。

1.3 滲透性變化

夯擊造成巨大的作用力，這在土體深處形成沖擊波和動(dòng)應(yīng)力。這種力直接給孔隙水增壓，導(dǎo)致其正面壓力大于側(cè)向壓力。此時(shí)，土體內(nèi)部的顆粒微塵出現(xiàn)縫隙，也就出現(xiàn)了排水通道，孔隙水中吸附水轉(zhuǎn)化自由水，經(jīng)由孔隙通道順利排除。在實(shí)際操作過程但中，施工人員可以有規(guī)則的網(wǎng)格化布置夯點(diǎn)。這樣有利于夯擊力量的集中，在土體上垂直施力，形成規(guī)則的排水通道。操作得當(dāng)，可見大量涌水現(xiàn)象。但如果不經(jīng)規(guī)劃，盲目夯擊，導(dǎo)致受力不均勻，部分水就無(wú)法順利排除，連續(xù)性就受到了影響。同時(shí)也說明，實(shí)際夯擊試驗(yàn)中測(cè)量的滲透系數(shù)，不能完全說明夯擊后孔隙水壓的特性?？紫吨械乃詣?dòng)遭到閉合，恢復(fù)到常態(tài)的條件是孔隙水受到的壓力消散或者低于土內(nèi)顆粒微塵側(cè)向的壓力。當(dāng)夯擊帶來(lái)沖擊波，土內(nèi)吸附水會(huì)直接轉(zhuǎn)化成自由水，此時(shí)毛細(xì)管的橫斷面也會(huì)擴(kuò)大。

1.4 觸變恢復(fù)

相關(guān)著作和試驗(yàn)已經(jīng)證明，重復(fù)夯擊的情況下，會(huì)破壞土體的強(qiáng)度，隨之而來(lái)的就是液化或者是接近液化的狀態(tài)。此后土體的強(qiáng)度弱化到一個(gè)臨界點(diǎn)，土體內(nèi)部產(chǎn)生縫隙，原本吸附水轉(zhuǎn)化為自由水，經(jīng)過孔隙壓力的作用，而散發(fā)出來(lái)。土粒之間的緊密程度增加，新吸附水的層面逐漸固定，這一過程增加了土體的抗剪度和變性度。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，土體的變形沉降不再明顯，數(shù)值不足千分之一。由此可知，在強(qiáng)夯法實(shí)行過程中，體積會(huì)發(fā)生變化，承載力隨之提高，但是這一現(xiàn)象尚未有算術(shù)級(jí)規(guī)律來(lái)界定。自由水在被土粒再吸收重新恢復(fù)為吸附水，該現(xiàn)象尚無(wú)法用傳統(tǒng)的固結(jié)理論來(lái)說明。

在實(shí)行強(qiáng)夯法后，具有觸變性的飽和粘性土，其土質(zhì)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生劇烈變化，強(qiáng)度幾乎降為零，隨時(shí)間的推移，強(qiáng)度又逐漸恢復(fù)。因此，強(qiáng)夯后的質(zhì)量檢驗(yàn)的勘探工作或測(cè)試工作，至少宜在強(qiáng)夯施工后一個(gè)月再進(jìn)行，不然得出的指標(biāo)會(huì)偏小。

靈敏度較高的粘土存在觸變效應(yīng)，實(shí)際上所有細(xì)顆粒土均存在這一現(xiàn)象。經(jīng)強(qiáng)夯后土在振動(dòng)恢復(fù)過程中，對(duì)振動(dòng)是十分敏感的，進(jìn)行勘探測(cè)試工作時(shí)應(yīng)特別注意。

學(xué)術(shù)界可從四個(gè)方面來(lái)解釋動(dòng)力固結(jié)下的理論模型。（1）由于有機(jī)物的作用，土壤中存在大量微氣泡，存在于氣泡中的水被認(rèn)為可以壓縮，故稱孔隙水具有壓縮性。（2）實(shí)行強(qiáng)夯法前后滲透性的變化過程，可在實(shí)驗(yàn)室中利用孔徑靈活的排水孔來(lái)模擬。（3）在模擬試驗(yàn)中，我們不再把彈簧的剛度定義為常數(shù)，而是土體的壓縮模量，是一個(gè)變量。因?yàn)樵趯?shí)際操作強(qiáng)夯法的過程中，因?yàn)槲剿年P(guān)系，這個(gè)量在反復(fù)荷載的過程中會(huì)發(fā)送巨大變化。（4）加載后傳遞力的活塞或氣缸間存在摩阻力。因此，液體中壓力減少，不能自動(dòng)導(dǎo)致活塞的位移和彈簧的變化。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的地集中，?？捎^察到孔隙水壓力的減少并沒有相應(yīng)的引起沉降。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)際夯擊操作時(shí)，土體的瞬間沉降范圍在1～10 cm之間。液化后的土體也破壞了土體原先的結(jié)構(gòu)，隨之減弱土體的強(qiáng)度，使之下降到最低點(diǎn)。圍繞夯擊點(diǎn)散發(fā)性出現(xiàn)裂縫，孔隙水的壓力也經(jīng)由這些裂縫迅速消散。在粘性土中，陰氣觸變特點(diǎn)，恢復(fù)能力略高。

（2）在砂性土中，強(qiáng)夯帶來(lái)的液化效果有所降低，因?yàn)樯靶酝镣临|(zhì)特點(diǎn)，地基土密度不會(huì)增加太多，故而減少了未來(lái)地震時(shí)液化的可能性。

參考文獻(xiàn)

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