强夯法加固地基在工业与民用建筑中的应用

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

1、强夯法的由来、施工优点

强夯法处理地基是上世纪60年代末由法国梅纳德（Ménard）技术公司首先创用的。该方法是籍重锤从高处自由落下给地基土施以冲击力和振动，从而达到提高地基土的强度并降低其压缩性，还能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性。

强夯施工方法具有施工机具简单，施工方便，加固地基效果显著，适用范围广泛，能缩短工期和降低工程造价等优点。强夯法在开始时仅用于加固砂性土和碎石土地基，经过几十年的应用与发展，通过改进施工方法和改善地基土的排水条件，强夯法逐渐适用于加固从砾石到粘性土的各类地基。在我国强夯法用来加固碎石土、砂土、粘性土、杂填土及湿陷性黄土等地基土。我公司在近些年的施工过程中，坚持积极开拓、大胆创新的思路，开发出具有创意性的强夯处理施工方法，在约300多万平方米的强夯法加固地基施工实践中，创造出省、市级科技进步奖项目，同时也开创了在华东软土地区强夯法加固地基施工的先例。

由于具备以上的优点，强夯法处理地基常被用于堆料场、仓库、车间、油罐、储仓、公路和铁路路基、机场跑道及码头、填海造地等工业与民用建筑项目中，而且其加固的工程项目范围逐步呈日益广泛的趋势。

2、强夯法加固地基机理

关于强夯法加固地基的机理，目前有关专家学者意见还不很一致，但对于地基处理中经常遇到的几种类型的土，一般的观点认为：强夯法是在极短的时间内对地基土体施加一巨大的冲击能量（一般而言此冲击能量不小于800kN-m），加荷历时约几十毫秒，对含水量较大的土层，加荷时间约100毫秒左右。这种突然释放的巨大能量，将转化为各种波型传到地下。首先到达某指定范围的波是压缩波，它使土体受压或受拉，能引起瞬时的孔隙水汇集，因而使地基土的抗剪强度大为降低，据理论计算这种波以振动能量的7%传播出去，紧随压缩波之后的是剪切波，以振动能量26%传播出去，剪切波会导致土体结构的破坏。此外的瑞利波（面波）以振动能量的67%传出，在夯点附近造成地面隆起。土体在这些波的综合作用下，土体颗粒重新排列相互靠拢，排出孔隙中的气体，使土体挤密压实，强度提高。

    根据上述观点，地基土经强夯法加固后，其强度提高过程大致可分为四个阶段：夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密（表现为土体中水及气体排出，孔隙水压力上升）；土体液化或土体结构破坏（表现为土体强度降低或抗剪强度丧失）；排水固结压密（表现为渗透性能改变，土体裂隙发展，土体强度提高）；触变恢复并伴随固结压密（包括部分自由水又变成薄膜水，土的强度继续提高）。 

3、强夯法加固地基设计

3.1强夯设计应具备以下资料：

3.1.1拟加固处理的建（构）筑物的使用用途，结构形式及上部荷载，整平后地面标高及基础埋深，场地建构筑物总平面布置图和基础平面图；

3.1.2拟建场地工程地质勘察资料，若不能满足设计要求时应作必要的补充勘察工作；

3.1.3强夯加固后的地基土承载力标准值fK、压缩模量ES值（或变形模量EO值）、有效加固深度值、消除黄土湿陷性与砂土液化、保持场地稳定性及均匀性等技术指标；

3.1.4拟建场地内地下管网、电网，地下构筑物以及强夯振害范围内已有的抗震性能较低、需保护的建（构）筑物位置等资料。

3.2强夯参数的选择

3.2.1强夯参数选择程序

根据强夯有效加固深度确定单点夯击能----根据地基土的岩性特征以及设计条件确定加固地基场地的平均夯击能----根据单点夯击能试验确定最佳夯击次数----确定夯点布置形式及间距----夯击遍数、夯遍之间间歇时间确定----确定强夯加固地基的范围----确定夯锤参数。

3.2.2强夯参数的选择

1）单击夯能确定

根据强夯有效加固深度经验公式

 

可推出E=（H/a）2 ，式中有效加固深度折减系数a可按以下选用:

湿陷性黄土:                   0.45～0.60

一般粘性土、粉土：            0.55～0.60

砂土：                        0.65～0.70

碎石土（不包括块石）、煤矸石： 0.60～0.75

块石、矿渣、矿山废石：        0.40～0.50

人工填土：                    0.55～0.75

注：有效加固深度系指自夯前地面整平标高至夯后能满足设计要求的土层的垂直深度。

2）平均夯击能（ē值）确定

强夯法加固地基土施加的平均夯击能，应取决于地基土的岩性特征、加固深度、建构筑物的荷载及安全类别等。《强夯地基技术规程》建议平均夯击能取值：一般粘性土、粉土：1500～2500KN-m/m2；砂土、碎石土（不包括块石）：800～ 1500KN-m/m2；人工填土、块石、矿渣、煤矿石、矿山废石、湿陷性黄土： 2000～3000KN-m/m2

注：场地平均夯击能不包括满夯能量。

3）最佳夯击数确定：

单点夯击能确定后，在试验区选有代表性点作单点夯击能试验（单点夯击能试验中的夯击次数以使夯坑周围累计隆起量或下沉量不大于夯坑总体积5%为原则），根据夯击次数--夯沉量关系曲线取累计夯沉量占总夯沉量85%所对应的夯击数为最佳夯击数。

4）通过试夯还应确定强夯作业每夯坑的停锤标准，既每坑夯击次数及最终两击平均夯沉量。

5）夯点间距确定

    根据公式

可推导出：

依此确定夯击单元夯击点的数量，并依据附表取夯点间距来校核。

附表：夯点间距（m）

土的名称

单击夯击能（kN.m）

500～1000

2000

4000

6000

中、粗砾砂

3.0～3.5

3.5～4.0

4.0～4.5

4.5～5.0

粉土、细砂、粉砂、湿陷性黄土

3.0～3.5

3.0～4.0

3.5～4.0

4.0～4.5

一般粘性土、碎石土、矿渣、煤矸石、矿山废石

3.5～4.0

4.0～4.5

4.5～5.0

4.5～5.0

6）夯点布置形式：夯点布置一般采用正方形，梅花形或等边三角形布置。

7）夯击遍数，夯遍之间间隙时间确定，应根据超孔隙水压力的消散情况而定（超孔隙水压力消散75%以上为宜）并应符合下列规定：对于矿渣、煤矸石、矿山废石、碎土石、中砂粗砂、湿陷性黄土等地层，可不考虑超孔隙水压力作用，连续夯击，夯击遍数为2～3遍；对于粘性土、粉土、粉砂、细砂等地层，当考虑到超孔隙水压力对夯击效果有影响时（华东软土地区因富含地下水，施工时孔隙水压力对夯击效果有显著影响），应采用跳打法，夯击遍数为3～5遍。夯遍间歇时间为2～4周，含水量偏高时，夯遍间隙时间应适当延长。

8）强夯加固范围应符合；一般建构筑物，加固区外边缘扩延1/2~2/3倍的有效加固深度值；对于重大建构筑物，边坡工程膨胀土及煤矸石地基，不应小于有效加固深度值。

9）夯锤宜选用圆柱形或圆台形，其锤底面积和静压力应符合附表：

    附表：锤底面积和静压力选用参考表

土的名称

湿陷性黄土

一般粘性土粉土

砂土、碎石土、人工填土煤矸石、矿渣、废石

锤底面积（m2）

4.0～6.0

3.0～4.0

2.0～4.0

锤底压强（KPa）

30～35

35～40

40～45

3.2.3强夯各项设计参数初步选定后，宜相互校核验证，其结果不应出现重大出入。

3.2.4针对具体工程对象或工程的不同部位宜选用不同的设计参数用于试夯，以确定最佳加固效果和取得最佳经济指标。 

3.3 强夯设计宜根据工程项目对象及地质条件，考虑采用其他地基处理工艺来辅助强夯法加固地基，往往能得到较为满意的加固效果。

4、强夯法加固地基施工

4.1强夯机械设备选用：

根据设计夯能选择起重设备作为强夯机，一般点夯选用起重量为25t~50t的履带式起重机；平夯选用起重量为15t~50t履带式起重机，采用自动脱钩装置；夯锤选用10t～20t，锤底面积３～5m2。

推平机械宜选用发动机功率不低于100KW的履带式推土机，同时应配备16吨以上振动式压路机作为最终振动碾压机械。

4.2施工程序：

4.2.1平整场地挖掘排水沟形成排水系统；

4.2.2 一般情况下应在大面积施工前进行地基加固强夯试验

1）根据设计单击夯能预估值，进行最佳夯能试验；

2）实施单击夯击能试验，对选定的单击夯击能试验坑，测定每次夯击所对应夯坑的体积V0m3和夯坑周围土体隆起或沉降的体积V1m3，求出有效夯实系数β值β=（V0-V1）/V0，通过夯击能量与土体有效夯实系数的关系绘成曲线来确定最佳夯击能；

3）依据初步选定的设计参数进行试验区施工，期间同时测量试验区孔隙水压力数据，分析总结其变化规律及其消散度，确定强夯的影响深度和土体在强夯作业时的固结过程，研究确定土层最佳夯击能及施工间歇时间，避免出现橡皮土；

4）进行试验区地基检测，测试强夯加固地基的各项物理力学指标；

5）根据试夯结果，应对试夯前选定的技术参数进行必要地分析、校正，以确定最终强夯施工技术参数指导大面积施工；

4.2.3 进行大面积地基加固施工；

4.2.4 强夯加固地基检测，办理交工验收手续。

4.3 强夯施工工艺

4.3.1点夯施工

1）准确测放第一遍夯点位置；

2）会同业主、监理根据设计单击夯能及锤重确定落锤的有效高度；

    3）强夯机就位，使夯锤对准夯点位置；

    4）测量夯前锤顶标高及场地标高，并做好记录；

    5）将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落，夯入地面后，再测量夯锤顶标高，计算出第一击夯沉量，并做好原始记录；

6）重复步骤5），按设计要求的夯击击数及控制标准完成一个夯坑的点夯施工；

7）重复步骤3）~6），完成所有点夯作业（分遍施工时必须严格按照试夯确定的时间进行间歇，防止因孔隙水来不及扩散而形成弹软土）。

4.3.2 满夯施工

1）点夯施工完成，等孔隙水消散到设计要求以后，进行满夯施工；

2）满夯施工主要加固点夯夯坑底标高以上部分的夯间土；

3）满夯施工一般采取1/4锤径双向搭接，夯击遍数、每点击数以及搭接均应保证，不得出现漏夯现象。

4.3.3 振动碾压

一般的强夯地基处理设计最后都要求采用振动碾压，满夯结束后进行场地整平并测量其标高（整平时考虑相应的沉降量），最后用振动压路机振动碾压，测量最终场地高程作为交工验收基础资料。

5施工质量保证措施

5.1建立健全高效的质量保证体系和施工人员树立高度的质量意识是工程项目质量保证的首要措施。

5.2 “水”对强夯法处理地基工程质量有着举足轻重的关系，施工时必须对此有足够的认识，采取切实有效地措施控制地基土含水量在合理的范围内施工。对我国南方地下水位较高、多降雨地区，认真重视施工排水工作，尽量降低地基土的含水量；对于北方地下水位偏低、少降雨地区，在地基土含水量偏低时可考虑向夯坑中加注适量水分（兰州中川机场既采取此法），保持地基土接近最佳含水量以取得理想的地基处理效果。

5.3 强夯法处理地基施工机械中的夯锤对工程质量的影响比较显著，施工中夯锤的有关参数应与试夯时选定夯锤参数相一致；技术人员在开夯前应检查夯锤参数、落距是否正确，以确保单位夯击能符合设计要求。

5.4测量人员必须精心测量记录每坑每击的夯沉量和每个夯点的夯击次数，发现夯锤倾斜时应将夯坑底部填平后继续夯击。测量应在仪器精平和水准塔尺垂直状态下进行，确保施工过程满足设计要求。

5.5 强夯定位放线偏差，控制点允许位移±20mm；夯点定位允许偏差为±50mm；夯击时，夯击点中心位移偏差应小于150mm。在每遍点夯施工过程中及结束后，质检人员进行严格认真地检查，及时发现并杜绝少击漏夯现象。

5.6 严格按照试夯确定的时间间隙控制每遍夯击时间。

5.7 夯击施工过程中，当发现异常情况时应及时与设计、监理联系，共同商讨处理，严禁擅自改变施工参数。

5.8 施工记录应详实齐全，以备日后查阅。

6 强夯震动对周围建筑物的危害

强夯施工引起的地面振动主要是垂直向加速度比较大，加速度随着与夯点距离的增加而迅速减少，因此理论上讲强夯施工与周围建构筑物距离越远越安全。

为了减小强夯施工对周边建构筑物的影响，一般采取在夯区周围设置一定深度的隔振沟（隔振沟具体的断面尺寸应参照单击夯能、场区地下水位等确定，原则上深度不小于3米）；高地下水位和高含水量时应在全场设孔隙水压力计监测孔隙水压力变化情况。试验证明强夯施工影响范围一般为10～15米（周边为精密仪器车间和有特殊要求的除外），设置隔振沟和不设隔振沟相比强夯引起的地基土振动加速度可减少一倍。

7 结束语

随着施工技术的发展，强夯法和辅以碎石桩、塑料排水板等方法的强夯法处理地基被广泛应用，同时还出现了原土强夯和动力置换强夯等工艺。