浅析强夯法地基处理设计

[摘要]随着地基处理设计水平的提高、施工工艺的改进和施工设备的更新。我国地基处理技术发展很快。对于各种不良地基，经过地基处理后，一 般均能满足建造大型、重型或高层建筑的要求。由于地基处理的适用范围进一步扩大，地基处理项日的增多。用于地基处理的费用在工程建设投资中 所占比重的不断增大。因而，地基处理的设计和施工必须认真贯彻执行国家的技术经济政策，做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境。

[关键词] 地基处理；强夯法

引言：

在地基处理设计中有很多方法，有换填垫层法，强夯置换法，振冲法，高压喷射注浆法等等。已经发展的地基处理方法很多，新的方法还在不断涌现。本文主要讲述强夯法，它适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土 与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。强夯置换法适用于高饱 和度的粉土与软塑一流塑的粘性土等地基上对变形控制要求不严的工程， 强夯置换法在设计前必须通过现场试验确定其运用性和处理效果，对某些 场地在采用强夯和强夯置换施工时，应在施工前选择有代表性的地段上选 取一个或几个试验区，进行试夯或试验性施工。以确定选定工艺或夯击能 量的适用性。根据试验检测结果，确定工艺或夯击能量。

1.强夯法的加固机理

强夯法，又称动力固结法，是法国工程师 Menard于1969年提出的一种地基加固方法。它是 通过反复将80kN～300kN(最重可达2000k№的重锤 提升到8m屯0m(最高可达40m)的高度使其自由下 落产生巨大的冲击能量(通常为500kN・n--800kN・m)， 对地基进行强力夯实。强夯法适用于处理碎实土、砂 土、粉土、湿陷性黄土、盐渍土、杂填土等。对于 高饱和度的粘性土应慎重使用。应用此法可以提高 地基承载力、降低压缩性、改善抗液化能力和消除 湿陷性或溶陷性。 强夯法加固地基的机理对于不同的土体是不 同的。对于多孔隙、粗颗粒、非饱和的土，强夯的 作用就是动力密实，即强夯巨大的冲击能量使土体 中的孔隙减少，土体变的密实，从而提高了地基的 承载力。因此非饱和土的夯实过程就是土中气相被 挤出的过程，其夯实变形主要来源于土颗粒的相对 位移。对于细颗粒的饱和土，强夯的作用就是动力 固结，即强夯巨大的冲击能量使土体的结构破坏， 发生局部液化并产生许多裂隙，增加了土体的排水 通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后， 土体固结，强度得以提高。如果在强夯过程中，在 夯坑内回填粗颗粒材料，还可形成动力置换。

2. 强夯法的设计

2.1有效加固深度

强夯法的有效加固的经验计算公式如下：

H=K√Wh/10 （1）

H为强夯加固深度／m；K为强夯加固深度影 响系数，一般土取0．45―0.46，湿陷性黄土取0．35―0.5； W为锤重／KN；|h为落距／m。

影响强夯有效加固深度的因素很多，除了锤重 和落距外，土的性质、土层厚度和条件、地下水位 情况以及其他强夯设计参数对加固深度也有重要 影响。因此强夯的加固深度应根据现场试夯或当地 经验确定。缺少试验经验时，亦可查相关规范中的 表格预估。

2.2夯锤问题

夯锤的形状是否合理, 在一定程度上也 会影响夯击效果。目前国内常用的底面为正 方形夯锤, 具有制作简单的优点, 但在使用 时也存在一些缺点, 主要是起吊时由于夯锤 旋转, 不能保证前后几次夯击的夯坑重合, 故常出现锤角与夯坑侧壁相接触的现象, 因 而使一部分夯击能消耗在坑壁上, 影响了夯 击效果。根据工程实践, 圆形锤不存在此缺 点, 效果较好。另外, 目前有不少单位采用 锥形锤, 这种形状的夯锤, 在锤着地后由于 坑壁一部分土体塌落堆积于夯锤侧壁上, 增 加了夯锤起吊时的阻力, 从而影响起吊速度 和限制了夯击次数。所以夯锤形状以圆柱形 为佳。 为了提高夯击效果, 锤底必须留有足够 数量的排气孔, 以利于夯锤着地时坑底空气 迅速排出和起锤时减小坑底的吸力。排气孔 的直径应不小于! 厘米, 以免因土团堵塞而 失去作用。 此外, 夯锤与脱钩装置的连接, 目前有 些单位采用钢丝绳, 如图a 所示。为 提高夯击效果,可以对 此作一些改进，一方面缩短脱钩装置的长度, 另一方面在夯锤顶面中部安设横向螺栓, 从 而取消了连接钢丝绳, 起吊前将脱钩装置直 接钩住夯锤顶部的横向螺栓, 如图b所示，这样不仅挂钩方便, 而且提高了夯锤 的落距, 增加了夯击能。 为便于夯锤脱钩, 将系在脱钩装置手柄上的钢丝绳的另一端, 直接固定在起重机吊臂根部的横轴上, 当夯 锤起吊至预定高度时, 钢丝绳随即拉紧而使 脱钩装置开启, 这样既保证了每次夯击的落 距相同, 又做到自动脱钩, 提高了工效。

（b）

图2.1脱钩装置与脱钩连接

2.3锤重与落距

锤重与落距是影响强夯效果的主要因素。一般 来说，选择锤重和落距都大，单击夯击能量就大， 夯击击数就少，夯击遍数也少，加固效果和技术经 济较好。但是对于饱和粘性土不能一次施加的能量 过大，使土体产生侧向挤出，影响强夯效果。在设 计时根据有效加固深度初步确定夯击能，初选锤重 和落距，经试夯后最终确定合适的锤重、锤底面积 和落距。

2.4夯击点布置与间距

夯击点布置合理与否直接影响着夯击效果。一 般根据基底平面形状和加固要求正方形布置或等 边三角形布置，也要考虑土层条件和施工工艺。夯 点间距根据地基土性质和处理深度要求而定，第一 遍夯击点间距可取2．5倍--3．5倍的锤直径，第二遍 夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍间距可适 当减少。

2.5夯击击数和遍数

夯击击数是强夯设计中的一个重要参数。对于 不同的地基土而言，夯击击数应不同。夯击击数应 由现场试验确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周 围隆起量最小为确定的原则。一般由现场试夯得到 的夯击击数与夯沉量关系曲线确定，同时满足下列 条件：最后两击的夯沉量不宜大于：Wh6000kN．m时，为200mm；夯坑 周围地面应不出现过大的隆起：不因试坑过深而发 生提锤困难。 一般来说，由粗颗粒土组成的渗透性强的地基 夯击遍数可以少些，反之，由细颗粒土组成的渗透 性弱的地基夯击遍数应多些。工程经验表明，点夯 2遍~3遍，最后低拍满夯1遍~2遍，可取得较好的 夯击效果。

2.6间歇时间

各遍夯击间的间歇时间决定于加固土层的超 孔隙水压力的消散时间。对于渗透性强的砂土，孔 隙水压力消散时间很短，几乎可在夯击后的瞬间完 成，故可连续夯击。而对于渗透性弱的粘性土，孔 隙水压力消散较慢，必须间隔一定时间让孔隙水压 力部分或全部消散后，再进行下一遍的夯击，间歇 时间一般为3周~4周。 工程实践中，对于不同的地基条件应通过试夯 后，确定合理、经济的强夯方案。

2.7处理范围。

强夯处理范围应大于建(构)筑物的基础范围， 每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深 度的l／2～2／3，并不宜小于3m。 对于强夯置换，设计的重点是置换墩深度的选 择。该深度由土层条件决定，除厚层饱和粉土外， 应穿透软土层，到达较硬土层上，深度不宜超过7m。 墩体材料可采用级配良好的块石、碎石、矿渣、建 筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，粒径大于300mm的颗 粒含量不宜大于全重的30％。

2.8施工与检验

强夯正式施工前，在施工现场应选择有代表性 的场地进行试夯或试验性施工。通过测试，与夯前 测试数据对比，检验强夯效果，最终确定强夯参数。 强夯施工时除应严格执行施工步骤进行外，还 应做好施工过程中的监测工作：夯锤质量和落距， 确保单击夯击能符合设计要求；每一遍夯击前，对 夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，及时纠 正偏差或漏夯；检查每个夯点的夯击击数和每击的 夯沉量，对强夯置换应检查置换深度；详细记录施 工过程中各项参数及情况。 当强夯施工产生的振动对邻近建(构)筑物或设 备产生有害影响时应设置监测点，并采取隔振或防 振措施。 强夯施工结束后应间隔一定时间对地基加固 效果进行检验。对于碎石土、砂土地基间隔时间可 取1周～2周，对于粉土、粘性土地基间隔时间可取 2周~4周，强夯置换地基的间隔时间可取4周。地 基承载力应采用原位测试和室内土工试验。对于简 单场地上的一般建(构)筑物，每个建筑地基的载荷 试验检验点不应少于3点；对于复杂场地或重要建 筑地基应增加检验点数。强夯置换地基载荷试验检 验数量不应少于墩点数的1％，且不少于3点，同 时尚应对置换墩着底情况进行检验，检验方法可采 用动力触探法，检验数量同载荷试验要求。

3.冲击击波场及其对建筑物的影响

无论是强夯法还是强夯置换法，都是在极短的时间内 对地基土体施加一个巨大的冲击能量，加荷历时一般只有 几十ms(含水量较大者可达100 ms)，锤底动力最大可达2 ～9 MPa。这种突然释放出的巨大能量，将转化为波场传播 到地基中去，见图1。这种波场是由压缩波(P波)、剪切波 (s波)和瑞利波(R波)联合传播的。体波(包括压缩波和 剪切波)从波源沿着一个半球波阵面(图1中黑粗线)径向 地向外传播；而瑞利波(面波)则沿着一个圆柱波阵面径向 地向外传播。压缩波的质点运动属于平行于波阵面方向的 一种推拉运动；剪切波的质点运动属于和波阵面方向正交 的横向位移；而瑞利波的质点运动则是由水平和竖向两个 分量所组成的。

图3.1 强夯在地基土中产生的波场

这种高能量的波场可能对其影响范围内的建筑物产生 扰动与破坏作用，因此，当施工场地附近有建筑物时，应慎 用此加固方法。在本文中，采用了特殊的小底面积置换夯 锤，减小了施工中的横向冲击和挤压作用，将夯击能主要用 于填料的下沉和密实中，从而减少了夯击施工对已有建筑物的影响。

4.结束语：

地基处理设计时应考虑上部结构基础和地基的共同作用必要时应采取有效措施加强上部结构的刚度和强度以增 加建筑物对地基不均匀变形的适应能力.这样才能保证地基的稳固。

参考文献：

[1]龚晓南．地基处理新技术[M]．西安：陕西科学技术出版社。2007．

[2]吴世明．土动力学[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．250一267．

[3]张正文.建筑地基处理技术[M]．北京：中国建筑工业出版社。2002．

[4]林宗元．岩土工程治理手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。