强夯法的加固机理探讨

摘 要：强夯法是一种较好的地基处理方法之一，强夯法目前已发展到地基土的大面积加固，深度可达30 m。在饱和无粘性土的情况下，可能会产生液化，在夯击过程中，土体的瞬时沉降可达几十厘米，土中产生液化后使土的结构破坏，土的强度下降到最小值，随后在夯击点周围出现径向裂隙，成为加速孔隙水压力消散的主要通道，因粘性土具有触变的特性，使降低的强度得到恢复和增强。另外，强夯后所导致砂性土的液化，能够降低地基在未来地震作用下的液化势。虽然地基土的密度增加不多，但却能减少在未来地震作用下发生液化的可能性。

关键词：强夯法 超孔隙水压力 排水通道 触变 液化

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0036-01

强夯法在实践中已被证实是一种较好的地基处理方法之一，该方法的首次提出是在第十届国际土力学和基础工程会议上。具体说明了强夯法的发展程度，该法可适用于深度30 m范围内的大面积地基土的加固。如果操作环境为非饱和土，则压密可达到实验室的击实试验效果。如果操作环境为饱和无粘性土，反应过程中可能有液化效应，其效果亦有相关报道和试验佐证。同爆破法或者是振动法的反映过程类似。在对杂填土的过程中运用强夯法是非常有效的，尤其是需要破坏土质的结构，构造因孔隙水压而诞生的排水通道时，效果尤其显著。

1 强夯法的工作机理

1.1 饱和土的压缩性

在具体的工程施工当中，不管是怎样的复杂土质，一旦施加夯击，必定造成地基的剧烈反应以至沉降，这种现象在粒性土质下，尤为明显。国际上认为，渗透性极小的饱和细粒土质，在评估其沉降范围时务必要考虑其孔隙水的排出能力。传统意义的固结理论中，我们把这当作是必要充分条件。因饱和细粒土质自身渗透性低的特质，决定了孔隙水无法及时排出，在瞬间荷载作用时，未必能立即引起巨大沉降效果。

有关数据表明，土壤中的有机物分解反应，造成微气泡增加，据实际测算，第四纪土的含气量约在1%～4%之间，在实行强夯法的过程中，气体体积减小，孔隙压力下降，每次总体积可下降40%。

1.2 产生液化

强夯法实行过程中，土体的受压不断增加，因此气体的体积不断收缩。从数据上看，土面的沉降度与夯击的力度是成正比的。知道气体的体积下降能力接近于零时，土面沉降基本不会再有所变化，此时孔隙水在受压的情况下，水压与液化压达到一定比例，此时液化压力转化为覆盖压力，最终这个数值达到100%，土面介于正常和液化的临界点。这时的能量值，学术上则称之为饱和能量值。原本的吸附水转化为自由水，伴随着土面强度的不断下降，最终达到饱和，破坏土起的重塑能力。

值得注意的是，天然形态下的土，其液化过程是经年累月的渐变过程。大部分的沉积物以层状和结构的方式展现。部分砂质或者是粉末性质的图层相对更容易进入液化。不过强夯法下的液化，是强制的局部液化。

1.3 渗透性变化

夯击造成巨大的作用力，这在土体深处形成冲击波和动应力。这种力直接给孔隙水增压，导致其正面压力大于侧向压力。此时，土体内部的颗粒微尘出现缝隙，也就出现了排水通道，孔隙水中吸附水转化自由水，经由孔隙通道顺利排除。在实际操作过程但中，施工人员可以有规则的网格化布置夯点。这样有利于夯击力量的集中，在土体上垂直施力，形成规则的排水通道。操作得当，可见大量涌水现象。但如果不经规划，盲目夯击，导致受力不均匀，部分水就无法顺利排除，连续性就受到了影响。同时也说明，实际夯击试验中测量的渗透系数，不能完全说明夯击后孔隙水压的特性。孔隙中的水自动遭到闭合，恢复到常态的条件是孔隙水受到的压力消散或者低于土内颗粒微尘侧向的压力。当夯击带来冲击波，土内吸附水会直接转化成自由水，此时毛细管的横断面也会扩大。

1.4 触变恢复

相关著作和试验已经证明，重复夯击的情况下，会破坏土体的强度，随之而来的就是液化或者是接近液化的状态。此后土体的强度弱化到一个临界点，土体内部产生缝隙，原本吸附水转化为自由水，经过孔隙压力的作用，而散发出来。土粒之间的紧密程度增加，新吸附水的层面逐渐固定，这一过程增加了土体的抗剪度和变性度。在相当长的时间里，土体的变形沉降不再明显，数值不足千分之一。由此可知，在强夯法实行过程中，体积会发生变化，承载力随之提高，但是这一现象尚未有算术级规律来界定。自由水在被土粒再吸收重新恢复为吸附水，该现象尚无法用传统的固结理论来说明。

在实行强夯法后，具有触变性的饱和粘性土，其土质结构将产生剧烈变化，强度几乎降为零，随时间的推移，强度又逐渐恢复。因此，强夯后的质量检验的勘探工作或测试工作，至少宜在强夯施工后一个月再进行，不然得出的指标会偏小。

灵敏度较高的粘土存在触变效应，实际上所有细颗粒土均存在这一现象。经强夯后土在振动恢复过程中，对振动是十分敏感的，进行勘探测试工作时应特别注意。

学术界可从四个方面来解释动力固结下的理论模型。（1）由于有机物的作用，土壤中存在大量微气泡，存在于气泡中的水被认为可以压缩，故称孔隙水具有压缩性。（2）实行强夯法前后渗透性的变化过程，可在实验室中利用孔径灵活的排水孔来模拟。（3）在模拟试验中，我们不再把弹簧的刚度定义为常数，而是土体的压缩模量，是一个变量。因为在实际操作强夯法的过程中，因为吸附水的关系，这个量在反复荷载的过程中会发送巨大变化。（4）加载后传递力的活塞或气缸间存在摩阻力。因此，液体中压力减少，不能自动导致活塞的位移和弹簧的变化。在实际现场的地集中，常可观察到孔隙水压力的减少并没有相应的引起沉降。

2 结语

（1）实际夯击操作时，土体的瞬间沉降范围在1～10 cm之间。液化后的土体也破坏了土体原先的结构，随之减弱土体的强度，使之下降到最低点。围绕夯击点散发性出现裂缝，孔隙水的压力也经由这些裂缝迅速消散。在粘性土中，阴气触变特点，恢复能力略高。

（2）在砂性土中，强夯带来的液化效果有所降低，因为砂性土土质特点，地基土密度不会增加太多，故而减少了未来地震时液化的可能性。

参考文献

[1] 左名麒，朱树森.强夯法加固地基[M].北京：中国铁道出版社，1990.

[2] 邹仁华，奚家米.强夯法地基加固机理分析与应用[J].西安矿业学院学报，199，19（增刊）.