強夯法加固地基在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用

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1、強夯法的由來、施工優(yōu)點

強夯法處理地基是上世紀60年代末由法國梅納德（Ménard）技術(shù)公司首先創(chuàng)用的。該方法是籍重錘從高處自由落下給地基土施以沖擊力和振動，從而達到提高地基土的強度并降低其壓縮性，還能改善其抗振動液化的能力和消除土的濕陷性。

強夯施工方法具有施工機具簡單，施工方便，加固地基效果顯著，適用范圍廣泛，能縮短工期和降低工程造價等優(yōu)點。強夯法在開始時僅用于加固砂性土和碎石土地基，經(jīng)過幾十年的應(yīng)用與發(fā)展，通過改進施工方法和改善地基土的排水條件，強夯法逐漸適用于加固從礫石到粘性土的各類地基。在我國強夯法用來加固碎石土、砂土、粘性土、雜填土及濕陷性黃土等地基土。我公司在近些年的施工過程中，堅持積極開拓、大膽創(chuàng)新的思路，開發(fā)出具有創(chuàng)意性的強夯處理施工方法，在約300多萬平方米的強夯法加固地基施工實踐中，創(chuàng)造出省、市級科技進步獎項目，同時也開創(chuàng)了在華東軟土地區(qū)強夯法加固地基施工的先例。

由于具備以上的優(yōu)點，強夯法處理地基常被用于堆料場、倉庫、車間、油罐、儲倉、公路和鐵路路基、機場跑道及碼頭、填海造地等工業(yè)與民用建筑項目中，而且其加固的工程項目范圍逐步呈日益廣泛的趨勢。

2、強夯法加固地基機理

關(guān)于強夯法加固地基的機理，目前有關(guān)專家學者意見還不很一致，但對于地基處理中經(jīng)常遇到的幾種類型的土，一般的觀點認為：強夯法是在極短的時間內(nèi)對地基土體施加一巨大的沖擊能量（一般而言此沖擊能量不小于800kN-m），加荷歷時約幾十毫秒，對含水量較大的土層，加荷時間約100毫秒左右。這種突然釋放的巨大能量，將轉(zhuǎn)化為各種波型傳到地下。首先到達某指定范圍的波是壓縮波，它使土體受壓或受拉，能引起瞬時的孔隙水匯集，因而使地基土的抗剪強度大為降低，據(jù)理論計算這種波以振動能量的7%傳播出去，緊隨壓縮波之后的是剪切波，以振動能量26%傳播出去，剪切波會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞。此外的瑞利波（面波）以振動能量的67%傳出，在夯點附近造成地面隆起。土體在這些波的綜合作用下，土體顆粒重新排列相互靠攏，排出孔隙中的氣體，使土體擠密壓實，強度提高。

    根據(jù)上述觀點，地基土經(jīng)強夯法加固后，其強度提高過程大致可分為四個階段：夯擊能量轉(zhuǎn)化，同時伴隨強制壓縮或振密（表現(xiàn)為土體中水及氣體排出，孔隙水壓力上升）；土體液化或土體結(jié)構(gòu)破壞（表現(xiàn)為土體強度降低或抗剪強度喪失）；排水固結(jié)壓密（表現(xiàn)為滲透性能改變，土體裂隙發(fā)展，土體強度提高）；觸變恢復(fù)并伴隨固結(jié)壓密（包括部分自由水又變成薄膜水，土的強度繼續(xù)提高）。 

3、強夯法加固地基設(shè)計

3.1強夯設(shè)計應(yīng)具備以下資料：

3.1.1擬加固處理的建（構(gòu)）筑物的使用用途，結(jié)構(gòu)形式及上部荷載，整平后地面標高及基礎(chǔ)埋深，場地建構(gòu)筑物總平面布置圖和基礎(chǔ)平面圖；

3.1.2擬建場地工程地質(zhì)勘察資料，若不能滿足設(shè)計要求時應(yīng)作必要的補充勘察工作；

3.1.3強夯加固后的地基土承載力標準值fK、壓縮模量ES值（或變形模量EO值）、有效加固深度值、消除黃土濕陷性與砂土液化、保持場地穩(wěn)定性及均勻性等技術(shù)指標；

3.1.4擬建場地內(nèi)地下管網(wǎng)、電網(wǎng)，地下構(gòu)筑物以及強夯振害范圍內(nèi)已有的抗震性能較低、需保護的建（構(gòu)）筑物位置等資料。

3.2強夯參數(shù)的選擇

3.2.1強夯參數(shù)選擇程序

根據(jù)強夯有效加固深度確定單點夯擊能----根據(jù)地基土的巖性特征以及設(shè)計條件確定加固地基場地的平均夯擊能----根據(jù)單點夯擊能試驗確定最佳夯擊次數(shù)----確定夯點布置形式及間距----夯擊遍數(shù)、夯遍之間間歇時間確定----確定強夯加固地基的范圍----確定夯錘參數(shù)。

3.2.2強夯參數(shù)的選擇

1）單擊夯能確定

根據(jù)強夯有效加固深度經(jīng)驗公式

 

可推出E=（H/a）2 ，式中有效加固深度折減系數(shù)a可按以下選用:

濕陷性黃土:                   0.45～0.60

一般粘性土、粉土：            0.55～0.60

砂土：                        0.65～0.70

碎石土（不包括塊石）、煤矸石： 0.60～0.75

塊石、礦渣、礦山廢石：        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標高至夯后能滿足設(shè)計要求的土層的垂直深度。

2）平均夯擊能（ē值）確定

強夯法加固地基土施加的平均夯擊能，應(yīng)取決于地基土的巖性特征、加固深度、建構(gòu)筑物的荷載及安全類別等。《強夯地基技術(shù)規(guī)程》建議平均夯擊能取值：一般粘性土、粉土：1500～2500KN-m/m2；砂土、碎石土（不包括塊石）：800～ 1500KN-m/m2；人工填土、塊石、礦渣、煤礦石、礦山廢石、濕陷性黃土： 2000～3000KN-m/m2

注：場地平均夯擊能不包括滿夯能量。

3）最佳夯擊數(shù)確定：

單點夯擊能確定后，在試驗區(qū)選有代表性點作單點夯擊能試驗（單點夯擊能試驗中的夯擊次數(shù)以使夯坑周圍累計隆起量或下沉量不大于夯坑總體積5%為原則），根據(jù)夯擊次數(shù)--夯沉量關(guān)系曲線取累計夯沉量占總夯沉量85%所對應(yīng)的夯擊數(shù)為最佳夯擊數(shù)。

4）通過試夯還應(yīng)確定強夯作業(yè)每夯坑的停錘標準，既每坑夯擊次數(shù)及最終兩擊平均夯沉量。

5）夯點間距確定

    根據(jù)公式

可推導(dǎo)出：

依此確定夯擊單元夯擊點的數(shù)量，并依據(jù)附表取夯點間距來校核。

附表：夯點間距（m）

土的名稱

單擊夯擊能（kN.m）

500～1000

2000

4000

6000

中、粗礫砂

3.0～3.5

3.5～4.0

4.0～4.5

4.5～5.0

粉土、細砂、粉砂、濕陷性黃土

3.0～3.5

3.0～4.0

3.5～4.0

4.0～4.5

一般粘性土、碎石土、礦渣、煤矸石、礦山廢石

3.5～4.0

4.0～4.5

4.5～5.0

4.5～5.0

6）夯點布置形式：夯點布置一般采用正方形，梅花形或等邊三角形布置。

7）夯擊遍數(shù)，夯遍之間間隙時間確定，應(yīng)根據(jù)超孔隙水壓力的消散情況而定（超孔隙水壓力消散75%以上為宜）并應(yīng)符合下列規(guī)定：對于礦渣、煤矸石、礦山廢石、碎土石、中砂粗砂、濕陷性黃土等地層，可不考慮超孔隙水壓力作用，連續(xù)夯擊，夯擊遍數(shù)為2～3遍；對于粘性土、粉土、粉砂、細砂等地層，當考慮到超孔隙水壓力對夯擊效果有影響時（華東軟土地區(qū)因富含地下水，施工時孔隙水壓力對夯擊效果有顯著影響），應(yīng)采用跳打法，夯擊遍數(shù)為3～5遍。夯遍間歇時間為2～4周，含水量偏高時，夯遍間隙時間應(yīng)適當延長。

8）強夯加固范圍應(yīng)符合；一般建構(gòu)筑物，加固區(qū)外邊緣擴延1/2~2/3倍的有效加固深度值；對于重大建構(gòu)筑物，邊坡工程膨脹土及煤矸石地基，不應(yīng)小于有效加固深度值。

9）夯錘宜選用圓柱形或圓臺形，其錘底面積和靜壓力應(yīng)符合附表：

    附表：錘底面積和靜壓力選用參考表

土的名稱

濕陷性黃土

一般粘性土粉土

砂土、碎石土、人工填土煤矸石、礦渣、廢石

錘底面積（m2）

4.0～6.0

3.0～4.0

2.0～4.0

錘底壓強（KPa）

30～35

35～40

40～45

3.2.3強夯各項設(shè)計參數(shù)初步選定后，宜相互校核驗證，其結(jié)果不應(yīng)出現(xiàn)重大出入。

3.2.4針對具體工程對象或工程的不同部位宜選用不同的設(shè)計參數(shù)用于試夯，以確定最佳加固效果和取得最佳經(jīng)濟指標。 

3.3 強夯設(shè)計宜根據(jù)工程項目對象及地質(zhì)條件，考慮采用其他地基處理工藝來輔助強夯法加固地基，往往能得到較為滿意的加固效果。

4、強夯法加固地基施工

4.1強夯機械設(shè)備選用：

根據(jù)設(shè)計夯能選擇起重設(shè)備作為強夯機，一般點夯選用起重量為25t~50t的履帶式起重機；平夯選用起重量為15t~50t履帶式起重機，采用自動脫鉤裝置；夯錘選用10t～20t，錘底面積３～5m2。

推平機械宜選用發(fā)動機功率不低于100KW的履帶式推土機，同時應(yīng)配備16噸以上振動式壓路機作為最終振動碾壓機械。

4.2施工程序：

4.2.1平整場地挖掘排水溝形成排水系統(tǒng)；

4.2.2 一般情況下應(yīng)在大面積施工前進行地基加固強夯試驗

1）根據(jù)設(shè)計單擊夯能預(yù)估值，進行最佳夯能試驗；

2）實施單擊夯擊能試驗，對選定的單擊夯擊能試驗坑，測定每次夯擊所對應(yīng)夯坑的體積V0m3和夯坑周圍土體隆起或沉降的體積V1m3，求出有效夯實系數(shù)β值β=（V0-V1）/V0，通過夯擊能量與土體有效夯實系數(shù)的關(guān)系繪成曲線來確定最佳夯擊能；

3）依據(jù)初步選定的設(shè)計參數(shù)進行試驗區(qū)施工，期間同時測量試驗區(qū)孔隙水壓力數(shù)據(jù)，分析總結(jié)其變化規(guī)律及其消散度，確定強夯的影響深度和土體在強夯作業(yè)時的固結(jié)過程，研究確定土層最佳夯擊能及施工間歇時間，避免出現(xiàn)橡皮土；

4）進行試驗區(qū)地基檢測，測試強夯加固地基的各項物理力學指標；

5）根據(jù)試夯結(jié)果，應(yīng)對試夯前選定的技術(shù)參數(shù)進行必要地分析、校正，以確定最終強夯施工技術(shù)參數(shù)指導(dǎo)大面積施工；

4.2.3 進行大面積地基加固施工；

4.2.4 強夯加固地基檢測，辦理交工驗收手續(xù)。

4.3 強夯施工工藝

4.3.1點夯施工

1）準確測放第一遍夯點位置；

2）會同業(yè)主、監(jiān)理根據(jù)設(shè)計單擊夯能及錘重確定落錘的有效高度；

    3）強夯機就位，使夯錘對準夯點位置；

    4）測量夯前錘頂標高及場地標高，并做好記錄；

    5）將夯錘起吊到預(yù)定高度，待夯錘脫鉤自由下落，夯入地面后，再測量夯錘頂標高，計算出第一擊夯沉量，并做好原始記錄；

6）重復(fù)步驟5），按設(shè)計要求的夯擊擊數(shù)及控制標準完成一個夯坑的點夯施工；

7）重復(fù)步驟3）~6），完成所有點夯作業(yè)（分遍施工時必須嚴格按照試夯確定的時間進行間歇，防止因孔隙水來不及擴散而形成彈軟土）。

4.3.2 滿夯施工

1）點夯施工完成，等孔隙水消散到設(shè)計要求以后，進行滿夯施工；

2）滿夯施工主要加固點夯夯坑底標高以上部分的夯間土；

3）滿夯施工一般采取1/4錘徑雙向搭接，夯擊遍數(shù)、每點擊數(shù)以及搭接均應(yīng)保證，不得出現(xiàn)漏夯現(xiàn)象。

4.3.3 振動碾壓

一般的強夯地基處理設(shè)計最后都要求采用振動碾壓，滿夯結(jié)束后進行場地整平并測量其標高（整平時考慮相應(yīng)的沉降量），最后用振動壓路機振動碾壓，測量最終場地高程作為交工驗收基礎(chǔ)資料。

5施工質(zhì)量保證措施

5.1建立健全高效的質(zhì)量保證體系和施工人員樹立高度的質(zhì)量意識是工程項目質(zhì)量保證的首要措施。

5.2 “水”對強夯法處理地基工程質(zhì)量有著舉足輕重的關(guān)系，施工時必須對此有足夠的認識，采取切實有效地措施控制地基土含水量在合理的范圍內(nèi)施工。對我國南方地下水位較高、多降雨地區(qū)，認真重視施工排水工作，盡量降低地基土的含水量；對于北方地下水位偏低、少降雨地區(qū)，在地基土含水量偏低時可考慮向夯坑中加注適量水分（蘭州中川機場既采取此法），保持地基土接近最佳含水量以取得理想的地基處理效果。

5.3 強夯法處理地基施工機械中的夯錘對工程質(zhì)量的影響比較顯著，施工中夯錘的有關(guān)參數(shù)應(yīng)與試夯時選定夯錘參數(shù)相一致；技術(shù)人員在開夯前應(yīng)檢查夯錘參數(shù)、落距是否正確，以確保單位夯擊能符合設(shè)計要求。

5.4測量人員必須精心測量記錄每坑每擊的夯沉量和每個夯點的夯擊次數(shù)，發(fā)現(xiàn)夯錘傾斜時應(yīng)將夯坑底部填平后繼續(xù)夯擊。測量應(yīng)在儀器精平和水準塔尺垂直狀態(tài)下進行，確保施工過程滿足設(shè)計要求。

5.5 強夯定位放線偏差，控制點允許位移±20mm；夯點定位允許偏差為±50mm；夯擊時，夯擊點中心位移偏差應(yīng)小于150mm。在每遍點夯施工過程中及結(jié)束后，質(zhì)檢人員進行嚴格認真地檢查，及時發(fā)現(xiàn)并杜絕少擊漏夯現(xiàn)象。

5.6 嚴格按照試夯確定的時間間隙控制每遍夯擊時間。

5.7 夯擊施工過程中，當發(fā)現(xiàn)異常情況時應(yīng)及時與設(shè)計、監(jiān)理聯(lián)系，共同商討處理，嚴禁擅自改變施工參數(shù)。

5.8 施工記錄應(yīng)詳實齊全，以備日后查閱。

6 強夯震動對周圍建筑物的危害

強夯施工引起的地面振動主要是垂直向加速度比較大，加速度隨著與夯點距離的增加而迅速減少，因此理論上講強夯施工與周圍建構(gòu)筑物距離越遠越安全。

為了減小強夯施工對周邊建構(gòu)筑物的影響，一般采取在夯區(qū)周圍設(shè)置一定深度的隔振溝（隔振溝具體的斷面尺寸應(yīng)參照單擊夯能、場區(qū)地下水位等確定，原則上深度不小于3米）；高地下水位和高含水量時應(yīng)在全場設(shè)孔隙水壓力計監(jiān)測孔隙水壓力變化情況。試驗證明強夯施工影響范圍一般為10～15米（周邊為精密儀器車間和有特殊要求的除外），設(shè)置隔振溝和不設(shè)隔振溝相比強夯引起的地基土振動加速度可減少一倍。

7 結(jié)束語

隨著施工技術(shù)的發(fā)展，強夯法和輔以碎石樁、塑料排水板等方法的強夯法處理地基被廣泛應(yīng)用，同時還出現(xiàn)了原土強夯和動力置換強夯等工藝。