強(qiáng)夯加固理論及研究綜述

葉國(guó)良，徐賓賓

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

強(qiáng)夯法又稱(chēng)動(dòng)力固結(jié)法，是上世紀(jì)60年代末由法國(guó)梅納德（Menard） 技術(shù)公司首先提出并開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于地基加固處理。強(qiáng)夯法利用起重設(shè)備將重錘提升到一定的高度，然后使其自由落下在地基中產(chǎn)生很大的沖擊能量，壓密地基，從而提高地基的強(qiáng)度。我國(guó)于1978年11月—1979年初首次由交通部一航局科研所（現(xiàn)中交天津港灣工程研究院有限公司）及其協(xié)作單位在天津新港三號(hào)公路進(jìn)行了強(qiáng)夯法試驗(yàn)研究。在初步掌握了這種方法的基礎(chǔ)上，于1979年8—9月又在秦皇島碼頭煤堆場(chǎng)細(xì)砂地基進(jìn)行了試驗(yàn)，效果顯著。之后該工法在我國(guó)迅速發(fā)展并逐步開(kāi)發(fā)出適應(yīng)粉土和黏性土地基的改良工法。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外強(qiáng)夯理論和技術(shù)的調(diào)研，總結(jié)了強(qiáng)夯法中地基加固機(jī)理、有效加固深度、強(qiáng)夯影響范圍以及強(qiáng)夯聯(lián)合其他地基處理技術(shù)等，并提出強(qiáng)夯研究的發(fā)展方向，可供工程技術(shù)人員參考。

1 強(qiáng)夯加固機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理看法還不一致，強(qiáng)夯加固理論主要體現(xiàn)在強(qiáng)夯對(duì)地基土的作用機(jī)理。

從加固原理與作用來(lái)看，強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理可大致分為以下3種形式：動(dòng)力固結(jié)、振動(dòng)波壓密和動(dòng)力置換。動(dòng)力固結(jié)理論[1]是Menard基于飽和黏性土強(qiáng)夯瞬間產(chǎn)生數(shù)十厘米沉降的現(xiàn)象而提出的，原有的固結(jié)理論認(rèn)為飽和黏性土在瞬時(shí)荷載作用下，由于滲透性低，孔隙水無(wú)法在瞬間排出，因而被看作是不可壓縮體；而強(qiáng)夯由于巨大的沖擊能量使土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和壓力，導(dǎo)致土中孔隙壓縮，土體局部液化，夯擊點(diǎn)周?chē)a(chǎn)生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水迅速溢出，土體得以固結(jié)，從而減少沉降并提高承載力。

振動(dòng)波壓密理論認(rèn)為強(qiáng)夯法中夯錘的沖擊能量以振動(dòng)波的形式在地基中傳播，重錘自由下落的過(guò)程就是勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的過(guò)程，即隨著重錘的下落，勢(shì)能越來(lái)越小，動(dòng)能越來(lái)越大，在落地的瞬間，勢(shì)能的絕大部分都轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。振動(dòng)波以體波（壓縮波與剪切波）和面波（瑞利波與勒夫波）的形式從夯點(diǎn)向外傳播。Leon[2]考慮到強(qiáng)夯法加固地基的方式，指出強(qiáng)夯中存在加密作用、固結(jié)作用和預(yù)加變形作用。Gambin[3]認(rèn)為強(qiáng)夯過(guò)程中表層土直接受夯錘沖擊作用而深層土主要受波動(dòng)影響。坂口旭[4]將夯錘下土層分為松動(dòng)區(qū)、主壓實(shí)區(qū)、次壓實(shí)區(qū)和彈性影響區(qū)，符合彈性波動(dòng)理論計(jì)算結(jié)果。鄭穎人等[5]將強(qiáng)夯法分為4個(gè)階段：能量轉(zhuǎn)換與夯坑受沖剪階段、土體液化與破壞階段、固結(jié)壓密階段和觸變固化階段，并在此基礎(chǔ)上提出了適用于軟黏土地基的強(qiáng)夯工藝。

動(dòng)力置換法是在土中通過(guò)強(qiáng)夯形成相對(duì)獨(dú)立、完整和連續(xù)的置換體，形成復(fù)合地基，當(dāng)用于淤泥類(lèi)土中時(shí)稱(chēng)為強(qiáng)夯擠淤。置換深度通常與夯擊能、土性、夯擊條件等因素有關(guān)，加固機(jī)理包含置換、擠密、排水等多方面效果。

2 強(qiáng)夯有效加固深度

強(qiáng)夯有效加固深度是強(qiáng)夯設(shè)計(jì)與施工中最為重要的問(wèn)題之一，不僅是選擇上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式的重要依據(jù)，而且是選擇強(qiáng)夯能級(jí)和確定施工工藝的最主要指標(biāo)。影響強(qiáng)夯有效加固深度的因素很多，包括與施工工藝有關(guān)的如落距、錘重、夯點(diǎn)布置、夯擊順序、夯擊遍數(shù)等因素，還包括與場(chǎng)地類(lèi)型有關(guān)的如粒徑分布、相對(duì)密度、飽和度、地下水位、地層構(gòu)成等因素。Menard[1]從單夯擊能的角度提出了以下公式來(lái)估算有效加固深度H：

式中：M為錘重；h為落距。但該公式量綱不統(tǒng)一，只能進(jìn)行夯錘重量與落距的初步設(shè)計(jì)，另外大量工程實(shí)踐表明，此公式計(jì)算結(jié)果偏差較大[6]。許多學(xué)者經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提出了修正的有效深度預(yù)測(cè)公式：

式中：α為修正系數(shù)，據(jù)不同的土質(zhì)和施工工藝而定。由于影響修正系數(shù)的因素較多，JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中建議α取值范圍大致為0.34～0.80，根據(jù)不同土類(lèi)選用不同修正系數(shù)。

另外大量學(xué)者通過(guò)研究也給出了α取值范圍。Leonard等[7]針對(duì)印第安納州砂土地基強(qiáng)夯試驗(yàn)，提出α值為0.5，并認(rèn)為其與能級(jí)、夯擊順序、擊數(shù)、土層構(gòu)造有關(guān)。Lukas[8]總結(jié)了低能級(jí)強(qiáng)夯加固碎石回填土和天然軟弱地基土的加固深度，建議α取0.65～0.8之間，隨土體類(lèi)型和飽和度變化。Charles等[9]通過(guò)對(duì)5個(gè)軟黏土和人工回填黏土強(qiáng)夯工程進(jìn)行檢測(cè)，提出α取0.35～0.4。Mayne等[10]總結(jié)分析了124項(xiàng)強(qiáng)夯工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了包括吹填土、回填黏土、雜填土、天然砂土等在內(nèi)的各種地基場(chǎng)地，結(jié)果表明有效加固深度、地面振動(dòng)和夯坑深度隨夯擊能的增加而增加，并發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)工程中α值在0.3～0.8之間，與JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》建議相同。范維垣[11]分析了近百個(gè)工程實(shí)例得到α的取值在0.5～0.8之間，軟土取0.5，黃土取0.34～0.5。

除了Menard的能量開(kāi)方公式，學(xué)者們也試圖建立夯擊能與有效加固深度的線性或指數(shù)關(guān)系，并利用量綱分析法引入夯擊遍數(shù)和含水量的影響。Slocombe[12]認(rèn)為有效加固深度與夯擊能存在非線性關(guān)系，給出了考慮夯擊能的經(jīng)驗(yàn)公式：

Luongo[13]結(jié)合30多項(xiàng)工程實(shí)測(cè)資料，總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：k1為深度系數(shù)，通常取2.0～10.1；k2為能量系數(shù)，取 0.009～0.016。

Poran等[14]在干砂模型上進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量夯后砂土密度得到了沿深度方向半橢球面分布的密度等值線，并以此擬合出有效加固范圍的經(jīng)驗(yàn)公式。

王成華[15]根據(jù)強(qiáng)夯時(shí)土體塑性變形對(duì)加固地基有效的事實(shí)，按塑性能量守恒，采用等效擬靜力法估算加固深度，并提出如下有效加固深度計(jì)算公式：

式中：dw為地下水位埋深；γ和γ′分別為土的天然重度和有效重度；a和b為錘形常數(shù)；D為夯錘邊長(zhǎng)或直徑。該公式考慮了夯擊能量、機(jī)具效率、夯錘尺寸及形狀、地下水位和地基土性等多方面的影響，易于工程應(yīng)用。等效擬靜力pe為：

式中：η為能量效率系數(shù)；Q為夯錘重量；H為落距；k為模量系數(shù)；E0為變形模量；μ為泊松比；ω為沉降系數(shù)。

張平倉(cāng)等[16]根據(jù)量綱統(tǒng)一的原則建立了有效加固深度公式：

式中：A為夯錘底面積；γd為加固土的干重度；ω為含水率。

費(fèi)香澤等[17]對(duì)黃土進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了夯錘重量、落距、夯點(diǎn)間距、擊數(shù)等對(duì)有效加固深度的影響，得到了如下計(jì)算公式：

式中：N為夯擊數(shù)；d為夯點(diǎn)間距；γd為加固土的干重度；ω為含水率。

石亮等[18]分析了4種低能級(jí)強(qiáng)夯作用下單擊能、錘重、夯錘直徑以及干重度對(duì)有效加固深度的影響，并提出了有效加固深度的擬合方程。另外，除上述方法外，還有學(xué)者通過(guò)量綱分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、最小二乘法、相似理論法、能量守恒等方法[19-20]對(duì)強(qiáng)夯有效加固深度進(jìn)行了研究，取得了豐碩的科研成果。

3 強(qiáng)夯振動(dòng)影響范圍

強(qiáng)夯法加固地基時(shí)，夯坑周?chē)馏w會(huì)在巨大的夯擊能作用下產(chǎn)生隆起，夯擊能以波動(dòng)的形式向夯點(diǎn)四周傳播，對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生不利的振動(dòng)影響。與地震相比，強(qiáng)夯引起的振動(dòng)是一種低頻（＜50 Hz）的瞬態(tài)振動(dòng)，且隨著距離的增大而減小。目前國(guó)內(nèi)外多采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度或振動(dòng)加速度值來(lái)評(píng)價(jià)建筑物的振動(dòng)安全，但對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)危害的判定仍存在不同意見(jiàn)，工程界一般采用GB 6722—2011《爆破安全規(guī)程》。

Mayne等[10]根據(jù)120個(gè)強(qiáng)夯實(shí)測(cè)資料得到了強(qiáng)夯沖擊能與質(zhì)點(diǎn)最大速度之間的關(guān)系：

式中：s為測(cè)點(diǎn)與夯點(diǎn)間距離。Rollins等[21]提出了相似的公式，并認(rèn)為當(dāng)建筑物旁邊為塌陷性土?xí)r可直接進(jìn)行強(qiáng)夯加固。Lukas[22]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了不同土性下測(cè)點(diǎn)最大速度與夯擊能的關(guān)系。由上可知，盡管強(qiáng)夯振動(dòng)影響距離的公式很多，但大都是經(jīng)驗(yàn)公式并未考慮土性參數(shù)，因此利用理論和數(shù)值計(jì)算確定不同土性參數(shù)對(duì)強(qiáng)夯影響距離十分有必要。

方磊等[23]根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》認(rèn)為，當(dāng)某點(diǎn)地震加速度值小于0.1 g時(shí)，可將該點(diǎn)至夯點(diǎn)中心的距離視為振動(dòng)影響的安全距離。秦小勇等[24]利用LS-DYNA軟件對(duì)強(qiáng)夯過(guò)程中土體變形瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到的速度時(shí)程數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，同時(shí)利用量綱分析法，擬合得到質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、距離和錘重的關(guān)系。蔣鵬等[25]利用大變形有限元模型，對(duì)強(qiáng)夯振動(dòng)特性、強(qiáng)夯振動(dòng)對(duì)建筑物的影響進(jìn)行了定量分析，總結(jié)出有關(guān)強(qiáng)夯振動(dòng)的規(guī)律。

4 強(qiáng)夯應(yīng)用拓展

強(qiáng)夯與真空降水聯(lián)合法。強(qiáng)夯法與真空降水法是兩種常用的地基處理法，但兩者的加固機(jī)理完全不同。強(qiáng)夯法的加固機(jī)理在本文中已有總結(jié)，但不適用于透水性較差的黏土地基，真空降水法則是通過(guò)抽真空設(shè)備在地基中形成壓力差，能有效地加快飽和黏土地基的排水固結(jié)。強(qiáng)夯聯(lián)合真空降水法是基于飽和黏土的動(dòng)力特性和動(dòng)力固結(jié)機(jī)理，將強(qiáng)夯技術(shù)和真空井點(diǎn)降水技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新的動(dòng)力排水固結(jié)法。在聯(lián)合處理軟基過(guò)程中，真空降水主要是通過(guò)設(shè)置排水通道，利用真空產(chǎn)生的負(fù)壓主動(dòng)進(jìn)行排水，同時(shí)作為強(qiáng)夯的排水通道，加速?gòu)?qiáng)夯產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散和孔隙水排出，加速固結(jié)沉降。

快速?zèng)_擊夯實(shí)法。傳統(tǒng)的強(qiáng)夯技術(shù)使用履帶吊車(chē)施工，夯擊頻率為2～3min/擊，且夯錘較重，對(duì)周?chē)h(huán)境影響大?？焖?zèng)_擊夯實(shí)法使用強(qiáng)夯技術(shù)原理，將重7～9 t的錘體安放在液壓馬達(dá)上，錘體落高為1.2 m，可夯擊40～60次/min，對(duì)地面夯擊能量最高可達(dá)108 kN·m。夯擊能量通過(guò)直接放在地面的1.5 m直徑的鋼錘腳傳遞給地基，不僅可以減少能量傳遞的損失，還可以保證鄰近建筑物和設(shè)備的安全?？焖?zèng)_擊夯實(shí)法可加固各種非黏性土，尤其是碎石和砂土，也可用于人工填土。

5 強(qiáng)夯研究存在問(wèn)題及展望

強(qiáng)夯作為一種經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方法在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，但強(qiáng)夯加固機(jī)理復(fù)雜，影響因素較多，很難在一個(gè)統(tǒng)一的理論框架內(nèi)進(jìn)行分析，因此需要理論研究、室內(nèi)/現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合，為實(shí)際工程提供合理的指導(dǎo)。具體應(yīng)在以下幾點(diǎn)展開(kāi)研究：

1）從土體微觀角度出發(fā)研究強(qiáng)夯加固前后土體微觀結(jié)構(gòu)變化，借助離散元等軟件探明強(qiáng)夯加固機(jī)理及加固效果。

2）對(duì)層狀地基進(jìn)行強(qiáng)夯處理時(shí)，強(qiáng)夯能量在地層交界處的能量耗散（反射、折射）研究較少，需要進(jìn)一步研究存在飽和軟弱下臥層時(shí)能量的傳播特性。

3）對(duì)夯點(diǎn)間距、重疊夯點(diǎn)及相鄰夯點(diǎn)的研究有待進(jìn)一步探索，在數(shù)值計(jì)算中考慮群夯效應(yīng)能更加符合現(xiàn)場(chǎng)工程，為強(qiáng)夯設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。

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