建筑工程特殊地基處理應(yīng)用強(qiáng)夯法施工技術(shù)解析

白倫升 賈海鵬

（北京城建七建設(shè)工程有限公司，北京 100000）

某開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)基地位于西北地區(qū)，占地面積49850m2，主體為框架核心筒結(jié)構(gòu)，采用混凝土整體式現(xiàn)澆。該區(qū)地基處理深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)自上而下為0.8m 厚的雜填土+6.2m 厚的濕陷性黃土（自重濕陷性黃土，等級(jí)為Ⅱ級(jí)）+2m 粉質(zhì)黏土，采用強(qiáng)夯法消除地基中黃土的濕陷性[1]。

1 強(qiáng)夯法的發(fā)展歷程

強(qiáng)夯法是應(yīng)用古人智慧從夯土版筑法發(fā)展而來(lái)的一種地基處理工藝，將兩側(cè)用木板封堵，通過(guò)勞動(dòng)力將木質(zhì)或石質(zhì)夯錘提升產(chǎn)生夯擊能，而后下落逐層夯實(shí)，強(qiáng)夯法只是將夯錘重量增大，提升高度更高，產(chǎn)生的夯擊能更大。首次應(yīng)用強(qiáng)夯施工工藝是法國(guó)的梅納（LMendard）公司在20世紀(jì)60年代末的建筑工程地基處理，該公司于1974年在英國(guó)組織召開的地基處理會(huì)議中正式提出了強(qiáng)夯法的概念，詳細(xì)介紹強(qiáng)夯法的施工工藝，并在全世界進(jìn)行了推廣應(yīng)用。我國(guó)在1978年的山西省濕陷性黃土地基處理上首次應(yīng)用了強(qiáng)夯法，隨后在國(guó)內(nèi)開展了大規(guī)模的施工。發(fā)展至今，隨著工藝的改進(jìn)和技術(shù)的成熟，強(qiáng)夯法施工產(chǎn)生的夯擊能也在逐步提升，地基處理的深度也隨之增大[2]。

2 強(qiáng)夯法施工的加固機(jī)理

強(qiáng)夯法又稱為動(dòng)力固結(jié)法，利用大型履帶吊裝設(shè)備通過(guò)自動(dòng)脫鉤裝置將夯錘連接在一起，提升到一定高度后，將自動(dòng)脫鉤裝置與夯錘分離，夯錘在重力作用下形成自由落體，接觸地面的瞬間將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為夯擊能，破壞土體的結(jié)構(gòu)，被處理的地基達(dá)到加固效果。強(qiáng)夯法施工適用于多種復(fù)雜的地基處理，因土體的理化性質(zhì)不同其加固機(jī)理也略有不同，但是從理論方面分析，可分為兩種，分別是動(dòng)力固結(jié)理論和振動(dòng)波壓密理論。

（1）動(dòng)力固結(jié)理論。梅納公司認(rèn)為地基是由懸浮結(jié)構(gòu)組成的物質(zhì)，分別是固態(tài)反應(yīng)物（土體中的各種巖石碎屑、礦物顆粒）、液態(tài)反應(yīng)物（土體中的水分、溶液）、氣態(tài)反應(yīng)物（土體中的空隙部分）。強(qiáng)夯施工過(guò)程中，夯錘接觸到地基后瞬間變形，在夯錘的作用下土體被剪切開裂，形成固結(jié)。地基中的液態(tài)、氣態(tài)反應(yīng)物順著剪切的縫隙排出，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，在夯擊能的作用下重新組合，使地基在一定深度范圍內(nèi)承載力滿足建設(shè)要求。

（2）振動(dòng)波壓密理論?，F(xiàn)代學(xué)者提出了強(qiáng)夯的振動(dòng)波壓密理論。夯錘接觸到地基會(huì)產(chǎn)生了3種震動(dòng)波，即壓縮波（P 波）、剪切波（S 波）、面波（R 波），夯錘接觸到地面后P波首先對(duì)地基原狀土的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，形成夯坑使地基趨于密實(shí)狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度增加；隨后在S波的作用下地基產(chǎn)生細(xì)微裂縫，水和氣體通過(guò)細(xì)微裂縫排出，使土顆粒重新排列組合形成密實(shí)狀態(tài)；面波的作用是夯錘接觸地基后振動(dòng)波向四周傳遞，夯坑四周的地基發(fā)放隆起，與周邊土體相互擠壓使地基密實(shí)。

目前，強(qiáng)夯施工技術(shù)在地基處理的領(lǐng)域有一定的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)也相對(duì)成熟，但是受到處理地基土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響，施工前均需進(jìn)行試夯試驗(yàn)，確定機(jī)械型號(hào)、夯擊能量、夯擊遍數(shù)、夯沉量、加固深度等，獲得大量的試驗(yàn)參數(shù)后方可組織開展大面積施工。

3 強(qiáng)夯法施工試驗(yàn)段參數(shù)確定

3.1 試驗(yàn)段施工準(zhǔn)備

（1）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備。做好試驗(yàn)段施工現(xiàn)場(chǎng)的三通一平工作，將施工現(xiàn)場(chǎng)表土進(jìn)行清理，并詳細(xì)查看地下情況和周邊環(huán)境。

（2）技術(shù)準(zhǔn)備。夯擊前采用全站儀對(duì)夯點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放樣，放出中心位置后采用白灰進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)中心樁號(hào)撒出夯點(diǎn)外輪廓線，并在示意圖上標(biāo)記強(qiáng)夯順序。對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行交底教育和風(fēng)險(xiǎn)告知，重點(diǎn)對(duì)技術(shù)措施、質(zhì)量隱患、安全隱患進(jìn)行教育培訓(xùn)。

（3）資源準(zhǔn)備。實(shí)行機(jī)械準(zhǔn)入制度，組織強(qiáng)夯機(jī)進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)后對(duì)機(jī)械進(jìn)行全面檢查，重點(diǎn)檢查起重設(shè)備的鋼絲繩、門架穩(wěn)定性、自動(dòng)脫鉤裝置是否安全可靠。

（4）夯擊選型及安裝。強(qiáng)夯施工采用宇通重裝FWXH8000 履帶式起重機(jī)，最大提升高度為28m，夯錘重量為40t，夯錘直徑為2m，設(shè)置4 個(gè)上下貫通的排氣孔。施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備就緒后，履帶式起重設(shè)備駛?cè)胧┕がF(xiàn)場(chǎng)，安裝夯錘、門架，安裝完成后檢測(cè)整機(jī)的傾斜度，滿足規(guī)范要求后方可投入使用。

3.2 試驗(yàn)段施工

3.2.1 選定試驗(yàn)段

為了準(zhǔn)確獲得適用于本工程強(qiáng)夯的相關(guān)數(shù)據(jù)，在場(chǎng)地內(nèi)選取了3塊具有代表性的強(qiáng)夯試驗(yàn)場(chǎng)地，每塊試驗(yàn)場(chǎng)地的面積為400m2，采用不同夯擊能進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)。

試驗(yàn)段1：主夯3遍，單擊夯擊能3000kN·m，夯錘提升高度為7.5m；副夯1遍，單擊夯擊能2000kN·m，夯錘提升高度為5m；滿夯1遍，單擊夯擊能為1000kN·m，夯錘提升高度為2.5m，夯點(diǎn)按照等邊三角形布設(shè)，間距為4m。

試驗(yàn)段2：主夯3 遍，單擊夯擊能4000kN·m，夯錘提升高度為10m；副夯1 遍，單擊夯擊能2500kN·m，夯錘提升高度為6.2m；滿夯1 遍，單擊夯擊能為1000kN·m，夯錘提升高度為2.5m，夯點(diǎn)按照等邊三角形布設(shè)，間距為5m。

試驗(yàn)段3：主夯2 遍，單擊夯擊能5000kN·m，夯錘提升高度為12.5m；副夯2 遍，單擊夯擊能2500kN·m，夯錘提升高度為6.2m；滿夯1 遍，單擊夯擊能為1000kN·m，夯錘提升高度為2.5m，夯點(diǎn)按照正方形布設(shè)，間距為5m[3]。

3.2.2 按照選定的強(qiáng)夯試驗(yàn)段參數(shù)組織施工

施工準(zhǔn)備工作就緒后，按照擬定的參數(shù)組織現(xiàn)場(chǎng)開展強(qiáng)夯施工，將夯錘起吊至預(yù)定高度后，開啟自動(dòng)脫鉤裝置，夯錘脫離起重設(shè)備自由下落，形成夯坑后記錄夯沉量，夯坑回填后重復(fù)上述操作。不同夯擊能作用下夯沉量見(jiàn)表1，夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線圖

表1 不同夯擊能作用下夯沉量統(tǒng)計(jì)

3.2.3 夯擊次數(shù)與夯沉量數(shù)據(jù)分析

查閱相關(guān)規(guī)范，單擊夯擊能在4000kN·m 以下時(shí)，最后兩擊的平均夯沉量應(yīng)小于50mm；單擊夯擊能在4000kN·m～6000kN·m范圍內(nèi)時(shí)，最后兩擊平均夯沉量應(yīng)小于100mm，夯坑四周未發(fā)生大的隆起、提錘容易等情況，則認(rèn)為強(qiáng)夯施工質(zhì)量合格。根據(jù)單擊夯沉量數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)段1主夯單擊夯擊能3000kN·m，副夯單擊夯擊能2000kN·m，滿夯單擊夯擊能1000kN·m，最后兩擊平均夯沉量為58mm，夯擊組合參數(shù)不滿足規(guī)范要求；試驗(yàn)段2主夯單擊夯擊能4000kN·m，副夯單擊夯擊能2500kN·m，滿夯單擊夯擊能1000kN·m，最后兩擊平均夯沉量為70mm，夯擊組合參數(shù)滿足規(guī)范要求；試驗(yàn)段3 主夯單擊夯擊能5000kN·m，副夯單擊夯擊能2500kN·m，滿夯單擊夯擊能1000kN·m，最后兩擊平均夯沉量為65mm，夯擊組合參數(shù)滿足規(guī)范要求[4]。

3.3 強(qiáng)夯加固效果分析

試驗(yàn)段強(qiáng)夯施工結(jié)束后，對(duì)地基進(jìn)行加固效果綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)探坑取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，檢測(cè)夯擊前后的干密度、孔隙比、壓縮模量、濕陷等級(jí)等，評(píng)定濕陷性黃土地基處理效果；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，評(píng)定地基處理的有效加固深度。

3.3.1 土工試驗(yàn)對(duì)比

強(qiáng)夯施工前及結(jié)束后的第5d，對(duì)試驗(yàn)段地基進(jìn)行了土工試驗(yàn)，采用人工配合機(jī)械開挖探坑，每個(gè)探坑深度控制在7m，間隔1m 進(jìn)行取樣，測(cè)定土的物理力學(xué)性質(zhì)，相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 強(qiáng)夯前后地基土力學(xué)性質(zhì)變化

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，相比較原狀土，強(qiáng)夯處理后地基土的物理力學(xué)性質(zhì)有了明顯的改變，干密度、壓縮模量隨著夯擊能的增大而增加，孔隙比、濕陷系數(shù)隨著夯擊能的增大而減小。3000kN·m 夯擊能處理時(shí)有效深度范圍內(nèi)的濕陷系數(shù)為0.016～0.021（超過(guò)規(guī)范小于0.015的要求），有效加固深度范圍內(nèi)黃土的濕陷性不能完全消除。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

強(qiáng)夯結(jié)束后的第14d，對(duì)試驗(yàn)段地基進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測(cè)試深度為8m，間隔2m 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)不同夯擊能下強(qiáng)夯的處理深度,見(jiàn)表3。

表3 不同夯擊能下強(qiáng)夯處理深度

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，相比較原狀土，強(qiáng)夯處理后地基土的加固深度隨著夯擊能的增大而增大。3000kN·m 夯擊能處理地基時(shí)有效加固深度為5m～6m，不滿足設(shè)計(jì)要求的加固深度；4000kN·m 和5000kN·m 夯擊能處理地基時(shí)的有效加固深度均超過(guò)8m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 強(qiáng)夯參數(shù)選擇

通過(guò)不同夯擊能作用下的夯沉量得知，試驗(yàn)段1最后兩擊的夯沉量不滿足規(guī)范要求，該試驗(yàn)段參數(shù)不能指導(dǎo)大面積施工；通過(guò)強(qiáng)夯前后土工試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)得知，試驗(yàn)段2、3均能消除有效處理深度范圍內(nèi)黃土的濕陷性，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)有效加固深度，但從經(jīng)濟(jì)及施工組織角度方面考慮，試驗(yàn)段3 存在夯擊能過(guò)大，造成資源、成本的浪費(fèi)。根據(jù)上述內(nèi)容綜合分析，本工程強(qiáng)夯參數(shù)為主夯單擊夯擊能4000kN·m，副夯單擊夯擊能2500kN·m，滿夯單擊夯擊能為1000kN·m。

4 強(qiáng)夯施工注意事項(xiàng)

（1）強(qiáng)夯施工前應(yīng)細(xì)致排查周邊環(huán)境，檢查影響深度范圍內(nèi)是否存在管道、光纜、通信線路等，周邊結(jié)構(gòu)物的距離應(yīng)不小于65m，履帶式起重設(shè)備范圍內(nèi)無(wú)高壓線塔，周邊環(huán)境滿足要求后方可組織施工。若周邊存在建筑物無(wú)法遷改時(shí)，應(yīng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)定期檢測(cè)，并采取開挖隔振溝（深度不宜小于2m）的措施降低對(duì)周邊建筑物的破壞。

（2）查閱圖紙中地基含水率及地下水分布范圍，強(qiáng)夯處理地基的含水率應(yīng)控制在8%～24%之間。當(dāng)含水率低于8%時(shí)，可通過(guò)打孔注水濕潤(rùn)場(chǎng)地；當(dāng)?shù)鼗蚀笥?4%時(shí)，可通過(guò)開挖晾曬或降水措施，將含水率控制在最佳含水率范圍內(nèi)再組織施工。

（3）夯錘在滿足質(zhì)量的前提下應(yīng)設(shè)置4 個(gè)排氣孔，排氣孔上下貫通且對(duì)稱布設(shè)，直徑為400mm，主要是為了防止夯錘接觸地面后，壓縮地基空氣排出緩慢，夯坑壁緊密地將夯錘吸附，無(wú)法提錘。

（4）強(qiáng)夯施工遵循“由內(nèi)向外、隔行跳打”的原則組織施工，施工前應(yīng)按照確定的高度在門架上用醒目裝置標(biāo)記，使夯錘的下落高度滿足設(shè)計(jì)要求，從而保證每一次的單擊夯擊能。夯擊前，應(yīng)對(duì)所有夯點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放樣，夯擊結(jié)束后立即進(jìn)行檢測(cè)，詳細(xì)記錄夯擊遍數(shù)、夯沉量、最后兩擊的平均夯沉量、間隔時(shí)間等，繪制夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線圖，對(duì)夯坑進(jìn)行回填，最終進(jìn)行強(qiáng)夯施工質(zhì)量評(píng)定[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

在建筑工程中特殊地基處理上采用強(qiáng)夯施工工藝，除了要根據(jù)地質(zhì)情況選定合適的夯錘、起吊設(shè)備，進(jìn)行試夯試驗(yàn)，確定施工參數(shù)，還要掌握強(qiáng)夯施工的核心技術(shù)，才能快速高效地解決地基承載不足的問(wèn)題。

（1）在整個(gè)強(qiáng)夯過(guò)程中詳細(xì)記錄了每一遍的夯沉量，地基地質(zhì)條件基本一致的情況下，前期的夯沉量隨著夯擊次數(shù)的增加而增大，后期隨著夯擊次數(shù)的增加，夯沉量基本逐漸趨于穩(wěn)定，但是各夯點(diǎn)的夯沉量存在差異，主要原因是地質(zhì)情況略有不同，導(dǎo)致夯沉量不同。

（2）根據(jù)夯擊次數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線圖得知，隨著夯擊次數(shù)增加，單擊的夯沉量呈現(xiàn)由大到小的趨勢(shì)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析第一遍夯沉量在400mm 左右，第二遍迅速增加至600mm，第三到六遍夯沉量穩(wěn)步提升。通過(guò)分析地基中較大的顆粒骨架結(jié)構(gòu)，支撐強(qiáng)度較高，當(dāng)夯擊到第二遍時(shí)骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，強(qiáng)度降低，到第五遍以后地基被壓實(shí)，夯沉量也趨于穩(wěn)定。