強(qiáng)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(qiáng)夯法的由來(lái)、施工優(yōu)點(diǎn)

強(qiáng)夯法處理地基是上世紀(jì)60年代末由法國(guó)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(dòng)，從而達(dá)到提高地基土的強(qiáng)度并降低其壓縮性，還能改善其抗振動(dòng)液化的能力和消除土的濕陷性。

強(qiáng)夯施工方法具有施工機(jī)具簡(jiǎn)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(jià)等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)夯法在開始時(shí)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(jìn)施工方法和改善地基土的排水條件，強(qiáng)夯法逐漸適用于加固從礫石到粘性土的各類地基。在我國(guó)強(qiáng)夯法用來(lái)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(jiān)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(qiáng)夯處理施工方法，在約300多萬(wàn)平方米的強(qiáng)夯法加固地基施工實(shí)踐中，創(chuàng)造出省、市級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)目，同時(shí)也開創(chuàng)了在華東軟土地區(qū)強(qiáng)夯法加固地基施工的先例。

由于具備以上的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)夯法處理地基常被用于堆料場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、車間、油罐、儲(chǔ)倉(cāng)、公路和鐵路路基、機(jī)場(chǎng)跑道及碼頭、填海造地等工業(yè)與民用建筑項(xiàng)目中，而且其加固的工程項(xiàng)目范圍逐步呈日益廣泛的趨勢(shì)。

2、強(qiáng)夯法加固地基機(jī)理

關(guān)于強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理，目前有關(guān)專家學(xué)者意見還不很一致，但對(duì)于地基處理中經(jīng)常遇到的幾種類型的土，一般的觀點(diǎn)認(rèn)為：強(qiáng)夯法是在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)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(shí)約幾十毫秒，對(duì)含水量較大的土層，加荷時(shí)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(dá)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(shí)的孔隙水匯集，因而使地基土的抗剪強(qiáng)度大為降低，據(jù)理論計(jì)算這種波以振動(dòng)能量的7%傳播出去，緊隨壓縮波之后的是剪切波，以振動(dòng)能量26%傳播出去，剪切波會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞。此外的瑞利波（面波）以振動(dòng)能量的67%傳出，在夯點(diǎn)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(shí)，強(qiáng)度提高。

    根據(jù)上述觀點(diǎn)，地基土經(jīng)強(qiáng)夯法加固后，其強(qiáng)度提高過程大致可分為四個(gè)階段：夯擊能量轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨強(qiáng)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(qiáng)度降低或抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度繼續(xù)提高）。 

3、強(qiáng)夯法加固地基設(shè)計(jì)

3.1強(qiáng)夯設(shè)計(jì)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(biāo)高及基礎(chǔ)埋深，場(chǎng)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(chǎng)地工程地質(zhì)勘察資料，若不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)作必要的補(bǔ)充勘察工作；

3.1.3強(qiáng)夯加固后的地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)地穩(wěn)定性及均勻性等技術(shù)指標(biāo)；

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

3.2強(qiáng)夯參數(shù)的選擇

3.2.1強(qiáng)夯參數(shù)選擇程序

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

3.2.2強(qiáng)夯參數(shù)的選擇

1）單擊夯能確定

根據(jù)強(qiáng)夯有效加固深度經(jīng)驗(yàn)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(biāo)高至夯后能滿足設(shè)計(jì)要求的土層的垂直深度。

2）平均夯擊能（ē值）確定

強(qiáng)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?！稄?qiáng)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(chǎng)地平均夯擊能不包括滿夯能量。

3）最佳夯擊數(shù)確定：

單點(diǎn)夯擊能確定后，在試驗(yàn)區(qū)選有代表性點(diǎn)作單點(diǎn)夯擊能試驗(yàn)（單點(diǎn)夯擊能試驗(yàn)中的夯擊次數(shù)以使夯坑周圍累計(jì)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(jì)夯沉量占總夯沉量85%所對(duì)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(qiáng)夯作業(yè)每夯坑的停錘標(biāo)準(zhǔn)，既每坑夯擊次數(shù)及最終兩擊平均夯沉量。

5）夯點(diǎn)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(diǎn)的數(shù)量，并依據(jù)附表取夯點(diǎn)間距來(lái)校核。

附表：夯點(diǎn)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(xì)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(diǎn)布置形式：夯點(diǎn)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(shí)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(duì)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(duì)于粘性土、粉土、粉砂、細(xì)砂等地層，當(dāng)考慮到超孔隙水壓力對(duì)夯擊效果有影響時(shí)（華東軟土地區(qū)因富含地下水，施工時(shí)孔隙水壓力對(duì)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(shí)間為2～4周，含水量偏高時(shí)，夯遍間隙時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

8）強(qiáng)夯加固范圍應(yīng)符合；一般建構(gòu)筑物，加固區(qū)外邊緣擴(kuò)延1/2~2/3倍的有效加固深度值；對(duì)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(tái)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(qiáng)（KPa）

30～35

35～40

40～45

3.2.3強(qiáng)夯各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)初步選定后，宜相互校核驗(yàn)證，其結(jié)果不應(yīng)出現(xiàn)重大出入。

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

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

4、強(qiáng)夯法加固地基施工

4.1強(qiáng)夯機(jī)械設(shè)備選用：

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

推平機(jī)械宜選用發(fā)動(dòng)機(jī)功率不低于100KW的履帶式推土機(jī)，同時(shí)應(yīng)配備16噸以上振動(dòng)式壓路機(jī)作為最終振動(dòng)碾壓機(jī)械。

4.2施工程序：

4.2.1平整場(chǎng)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(jìn)行地基加固強(qiáng)夯試驗(yàn)

1）根據(jù)設(shè)計(jì)單擊夯能預(yù)估值，進(jìn)行最佳夯能試驗(yàn)；

2）實(shí)施單擊夯擊能試驗(yàn)，對(duì)選定的單擊夯擊能試驗(yàn)坑，測(cè)定每次夯擊所對(duì)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(shí)系數(shù)β值β=（V0-V1）/V0，通過夯擊能量與土體有效夯實(shí)系數(shù)的關(guān)系繪成曲線來(lái)確定最佳夯擊能；

3）依據(jù)初步選定的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)施工，期間同時(shí)測(cè)量試驗(yàn)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(qiáng)夯的影響深度和土體在強(qiáng)夯作業(yè)時(shí)的固結(jié)過程，研究確定土層最佳夯擊能及施工間歇時(shí)間，避免出現(xiàn)橡皮土；

4）進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)地基檢測(cè)，測(cè)試強(qiáng)夯加固地基的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)；

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

4.2.3 進(jìn)行大面積地基加固施工；

4.2.4 強(qiáng)夯加固地基檢測(cè)，辦理交工驗(yàn)收手續(xù)。

4.3 強(qiáng)夯施工工藝

4.3.1點(diǎn)夯施工

1）準(zhǔn)確測(cè)放第一遍夯點(diǎn)位置；

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

    3）強(qiáng)夯機(jī)就位，使夯錘對(duì)準(zhǔn)夯點(diǎn)位置；

    4）測(cè)量夯前錘頂標(biāo)高及場(chǎng)地標(biāo)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(cè)量夯錘頂標(biāo)高，計(jì)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(jì)要求的夯擊擊數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)完成一個(gè)夯坑的點(diǎn)夯施工；

7）重復(fù)步驟3）~6），完成所有點(diǎn)夯作業(yè)（分遍施工時(shí)必須嚴(yán)格按照試夯確定的時(shí)間進(jìn)行間歇，防止因孔隙水來(lái)不及擴(kuò)散而形成彈軟土）。

4.3.2 滿夯施工

1）點(diǎn)夯施工完成，等孔隙水消散到設(shè)計(jì)要求以后，進(jìn)行滿夯施工；

2）滿夯施工主要加固點(diǎn)夯夯坑底標(biāo)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(diǎn)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(dòng)碾壓

一般的強(qiáng)夯地基處理設(shè)計(jì)最后都要求采用振動(dòng)碾壓，滿夯結(jié)束后進(jìn)行場(chǎng)地整平并測(cè)量其標(biāo)高（整平時(shí)考慮相應(yīng)的沉降量），最后用振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓，測(cè)量最終場(chǎng)地高程作為交工驗(yàn)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(shí)是工程項(xiàng)目質(zhì)量保證的首要措施。

5.2 “水”對(duì)強(qiáng)夯法處理地基工程質(zhì)量有著舉足輕重的關(guān)系，施工時(shí)必須對(duì)此有足夠的認(rèn)識(shí)，采取切實(shí)有效地措施控制地基土含水量在合理的范圍內(nèi)施工。對(duì)我國(guó)南方地下水位較高、多降雨地區(qū)，認(rèn)真重視施工排水工作，盡量降低地基土的含水量；對(duì)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(shí)可考慮向夯坑中加注適量水分（蘭州中川機(jī)場(chǎng)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(qiáng)夯法處理地基施工機(jī)械中的夯錘對(duì)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(shí)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(jì)要求。

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

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

5.6 嚴(yán)格按照試夯確定的時(shí)間間隙控制每遍夯擊時(shí)間。

5.7 夯擊施工過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)應(yīng)及時(shí)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理聯(lián)系，共同商討處理，嚴(yán)禁擅自改變施工參數(shù)。

5.8 施工記錄應(yīng)詳實(shí)齊全，以備日后查閱。

6 強(qiáng)夯震動(dòng)對(duì)周圍建筑物的危害

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

為了減小強(qiáng)夯施工對(duì)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(chǎng)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(shí)應(yīng)在全場(chǎng)設(shè)孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)孔隙水壓力變化情況。試驗(yàn)證明強(qiáng)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(qiáng)夯引起的地基土振動(dòng)加速度可減少一倍。

7 結(jié)束語(yǔ)

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