賈淑敏 梁素偉

（1.河北省水利科學(xué)研究院 河北石家莊 050057；2.河北省南水北調(diào)工程建設(shè)管理局河北石家莊 050035）

強(qiáng)夯法處理松軟地基是 1969年法國人L.Menard(梅納)首先提出的。通常以80～300kN的重錘和落距8～20m 的夯擊能量對(duì)地基進(jìn)行堅(jiān)固處理。一般的夯擊能量在500～8000kN·m 之間。強(qiáng)夯法最初用于加固處理松散沙土和碎石土，后逐漸擴(kuò)大到雜填土、黏性土和濕陷性黃土等的地基加固處理。工程實(shí)踐表明，強(qiáng)夯法不僅能提高地基的強(qiáng)度，降低土的壓縮性，而且還能改善土體的抗液化能力及消除黃土的濕陷性。

1 強(qiáng)夯法加固機(jī)理

強(qiáng)夯法是在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)地基土體施加一個(gè)巨大的沖擊能量，這種突然釋放的巨大能量將使土體發(fā)生一系列的物理變化。如土體結(jié)構(gòu)破壞或液化，排水固結(jié)壓密、觸變恢復(fù)等。其作用結(jié)果使一定范圍內(nèi)地基強(qiáng)度提高，孔隙擠密，消除濕陷性。強(qiáng)夯過程影響地基土狀態(tài)如圖1 所示。強(qiáng)度提高較明顯的區(qū)段是Ⅱ區(qū)，壓密區(qū)深度即是加固深度。

解釋強(qiáng)夯效應(yīng)，目前有兩種理論，即Menard的動(dòng)力固結(jié)理論和沖擊破壞壓縮理論。Menard根據(jù)飽和黏土受到強(qiáng)夯后的一系列物理現(xiàn)象提出了動(dòng)力固結(jié)模型，用以解釋荷載和沉降關(guān)系的滯后效應(yīng)、孔隙水的可壓縮性、土骨架的壓縮模量的改變和滲透系數(shù)的變化等現(xiàn)象。沖擊破壞壓縮理論是針對(duì)粗粒土地基而提出的，用以解釋強(qiáng)夯擊過程中地面大量沉陷，密實(shí)度及強(qiáng)度提高等現(xiàn)象。

圖1 強(qiáng)夯過程土體的狀態(tài)

強(qiáng)夯法雖然在工程實(shí)際中已被證實(shí)是地基處理有效方法之一，但目前還沒有一套成熟的理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法，所以還有待進(jìn)一步提高。

2 強(qiáng)夯法加固地基效果的理論分析

現(xiàn)場試驗(yàn)與測試表明，強(qiáng)夯過程和靜置時(shí)間、夯擊能、土體變形、孔隙水壓力以及強(qiáng)夯特征等隨時(shí)間的變化存在一定關(guān)系。地基土強(qiáng)度增長與土中孔隙水壓力消散有關(guān)。夯擊初始階段，由于土體發(fā)生液化或結(jié)構(gòu)破壞，土的強(qiáng)度降低到很小，其后，隨著孔隙水壓力逐漸消散，土的強(qiáng)度也相應(yīng)增長，最后階段為土觸變恢復(fù)階段。另外，還觀察到；夯擊時(shí)，夯擊坑周圍產(chǎn)生豎向裂隙，夯坑出現(xiàn)冒氣冒水現(xiàn)象，隨著孔隙水壓力逐漸消散，土顆粒重新組合，裂隙閉合，地基土的強(qiáng)度也逐漸增長。

3 強(qiáng)夯法施工參數(shù)的選擇

3.1 夯擊能選擇的一般規(guī)定

強(qiáng)夯法是一種深層改變土體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力固結(jié)方法。單位夯擊能應(yīng)根據(jù)黃土地層的特征和厚度以及要求消除黃土濕陷性的有效深度等因素確定。必須選擇合適的強(qiáng)夯參數(shù)，才能取得理想的加固效果。強(qiáng)夯錘重W和落距h的選擇，取決于要加固土層的有效厚度H，三者之間的關(guān)系可以用下面的公式估算。

式中：H為加固土層的厚度(m)；W為錘重(kN)；h為落距(m)；α為小于1.0 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)不同的土質(zhì)條件來取值。對(duì)黏性土可取0.5；對(duì)砂性土可取0.7；對(duì)黃土可取0.35～0.5。一般情況下，錘重可用40～200kN，落距8～25m。錘底面積宜按土的性質(zhì)確定，錘底靜接地壓力值可取25～60kPa，對(duì)于細(xì)顆粒土可取小值。單擊夯擊能相同的情況下，粗粒土的有效加固深度大于細(xì)顆粒土。消除黃土濕陷性施工中，夯擊能一般可取1000～4000kN·m，夯錘接地面宜為圓形，錘的底面宜對(duì)稱設(shè)置若干個(gè)與其頂面貫通的排氣孔，以利于夯錘著地時(shí)坑底空氣迅速排出和起錘時(shí)減小坑底的吸力，孔徑可取250～300mm。

3.2 夯擊點(diǎn)位的布置

夯點(diǎn)間距和布置形式歸納起來有以下幾種布點(diǎn)形式：正方形布點(diǎn)，矩形布點(diǎn)，正三角形布點(diǎn)，等腰三角形布點(diǎn)，正方形布點(diǎn)中間加一點(diǎn)即所謂梅花形布點(diǎn)，按條基礎(chǔ)形式布點(diǎn)，按獨(dú)立基礎(chǔ)形式布點(diǎn)等等。JGJ79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》第6.2.5 條，對(duì)于強(qiáng)夯法的夯點(diǎn)間距及布置形式作了如下規(guī)定：“夯擊點(diǎn)位置可根據(jù)基底平面形狀，采用等邊三角形、等腰三角形或正三角形布置。第一遍夯擊點(diǎn)可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間，以后各遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小。對(duì)于處理深度較深，或者夯擊能較大的工程，第一遍夯擊點(diǎn)間距宜適當(dāng)增大”。

3.3 夯擊次數(shù)的確定

夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)，應(yīng)按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，并同時(shí)滿足下列條件：（1）最后兩擊的平均夯沉量不宜大于下列數(shù)值。當(dāng)單擊夯擊能小于4000kN·m 時(shí)，為50mm；當(dāng)單擊夯擊能為4000～6000kN·m 時(shí)為100mm；當(dāng)單擊夯擊能大于6000kN·m 時(shí)為200mm。（2）夯坑周圍地面不發(fā)生過大隆起。（3）不應(yīng)夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

3.4 夯擊遍數(shù)及間隔時(shí)間的確定

夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定，一般情況下，可采用點(diǎn)夯2～3 遍，最后再以低能量滿夯兩遍。對(duì)于滲透性較差的細(xì)顆粒土，必要時(shí)夯擊遍數(shù)可適當(dāng)增加。兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時(shí)間間隔，時(shí)間間隔取決于土體中超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間，應(yīng)不少于3～4 周，土體的滲透性大，間隔時(shí)間可以適當(dāng)縮短，土體的滲透性小，則間隔時(shí)間可以適當(dāng)延長。

4 工程實(shí)例

4.1 工程地質(zhì)條件簡述

南水北調(diào)中線干線工程漳古段SG3 標(biāo)，非自重濕陷性黃土處理長度 2400m，采用強(qiáng)夯法對(duì)濕陷性黃土渠段進(jìn)行處理，分布有3 段比較典型的濕陷性黃土。

4.1.1 樁號(hào)74+245～74+500 段

4.1.2 樁號(hào)75+055～75+670 段

Q4 壤土（局部夾黏土）、砂壤土，地表至深度 4.3～9.5m 具有濕陷性，自重濕陷系數(shù)0～0.05，濕陷系數(shù) 0～0.108，無—強(qiáng)濕陷性。渠道中部挖除后，該段場地自重濕陷量0～48mm，濕陷量51～635mm。屬于Ⅰ（輕微）級(jí)—Ⅱ（中等）級(jí)非自重濕陷性場地，濕陷性土主要分布于地表至深度4.5～6.5m。

4.1.3 樁號(hào)75+670～75+905 段

Q4 壤土（局部夾黏土、砂壤土），地表至深度5.3～11.2m 具有濕陷性，自重濕陷系數(shù)001～0.062，濕陷系數(shù)0.001～0.119，無—強(qiáng)濕陷性。渠道中部挖除后，該段場地自重濕陷量 27～170mm，濕陷量46～669mm，屬于Ⅰ（輕微）級(jí)非自重濕陷性場地—Ⅱ（中等）級(jí)自重濕陷性場地，濕陷性土主要分布于地表至深度 5.3～8.5m。

4.2 試驗(yàn)區(qū)選擇

根據(jù)強(qiáng)夯區(qū)的工程地質(zhì)條件，結(jié)合施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，共選擇了 4 個(gè)試夯區(qū)。2 個(gè)1000kN·m 的夯擊能試驗(yàn)區(qū)，在75+754～75+905段渠底和 75+326～75+630 段右堤；1 個(gè)2000kN·m 的夯擊能試驗(yàn)區(qū)，在75+326～75+651段渠底；1 個(gè) 3000kN·m 的夯擊能試驗(yàn)區(qū)，在75+268～75+630 段左堤。

4.3 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)區(qū)夯點(diǎn)布置。主夯點(diǎn)間距5m×5m，正方形布置，夯擊能1000kN·m和2000kN·m 試驗(yàn)區(qū)，選用1 號(hào)錘，錘重18t，落距分別不少于5.6m和11.2m，單點(diǎn)擊數(shù)7～10 擊。夯擊能3000kN·m試驗(yàn)區(qū)，選用 2 號(hào)錘，錘重 28t，落距不小于10.8m，單點(diǎn)擊數(shù)7～12 擊。依次逐點(diǎn)夯擊完成主夯點(diǎn)，然后推平夯坑，待間隔規(guī)定時(shí)間后，進(jìn)行次夯施工。次夯點(diǎn)布置在主夯點(diǎn)正方形中間，以同樣的方式和施工參數(shù)完成次夯點(diǎn)的施工。推平夯坑后用夯擊能1000kN·m 滿夯，滿夯選用1號(hào)錘，錘重18t，落距不少于5.6m，壓1/3 夯錘的滿夯一遍，該試驗(yàn)區(qū)完成。

依據(jù)勘查資料，土體平均含水量9.2%～17%。結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，各夯擊遍數(shù)之間的間隔時(shí)間暫取3～4 周。設(shè)計(jì)處理深度為6m。

5 強(qiáng)夯效果檢測分析

試驗(yàn)結(jié)束14 天以后，采用機(jī)械洛陽鏟挖探坑取樣，從夯擊中止時(shí)的夯面起至其下7m 深度內(nèi)每隔1m 取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)。檢測項(xiàng)目有：土的含水量、密度、比重、飽和度、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度、濕陷系數(shù)，對(duì)和黃土濕陷性關(guān)系密切的指標(biāo)包括干密度、孔隙比、壓縮模量、濕陷系數(shù)進(jìn)行分析。

根據(jù)勘察階段對(duì)本渠段 310 個(gè)土樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，其中177 個(gè)樣本具有濕陷性，平均干重度14.56g/cm3，平均孔隙比0.821，平均壓縮模量4.12MPa，平均濕陷系數(shù)0.0373。

強(qiáng)夯后的土樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：1000kN·m 夯擊能試驗(yàn)區(qū)，土樣平均干重度15.3g/cm3，平均濕陷系數(shù)0.024，其中11 個(gè)土樣的濕陷系數(shù)大于判定標(biāo)準(zhǔn)0.015，最大濕陷系數(shù)為0.051。依據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)的建筑規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，仍判定為濕陷性黃土，說明選擇的夯擊能偏小，應(yīng)加大夯擊能進(jìn)行施工。

2000kN·m和3000kN·m 夯擊能試驗(yàn)區(qū)，土樣平均干重度分別為16.8、17.1g/cm3，平均濕陷系數(shù)均為0.003，并且每個(gè)土樣的濕陷系數(shù)都小于判定標(biāo)準(zhǔn)0.015。對(duì)比夯前夯后資料，夯后處理深度范圍內(nèi)，土體的干密度變大，濕陷系數(shù)變小，強(qiáng)夯后4～8.5m 的深度范圍內(nèi)濕陷性黃土濕陷系數(shù)為0.001～0.014，均小于0.015 的界限值，依據(jù)GB50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)的建筑規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，判定該土層已不具濕陷性。施工過程中監(jiān)測到地面的沉降量為0.63～1.68m。

6 結(jié)束語

（1）強(qiáng)夯法是消除黃土狀壤土濕陷性、提高地基承載力的常用方法，它具有設(shè)備簡單、施工速度快、易操作、工程造價(jià)低等特點(diǎn)。

（2）強(qiáng)夯過程，改變了土體結(jié)構(gòu)和基本特性，尤其是土體顆粒進(jìn)行了重新排列，減小了土體的孔隙比，可以有效的消除黃土濕陷性，提高了地基承載力。

（3）關(guān)于強(qiáng)夯法施工過程中的質(zhì)量控制，應(yīng)及時(shí)監(jiān)測最后兩擊的平均夯沉量和總沉降量，對(duì)強(qiáng)夯效果及時(shí)進(jìn)行評(píng)估。

（4）質(zhì)量控制的最終依據(jù)是土體的濕陷系數(shù)必須小于0.015。

（5）處理后的土體干密度隨著夯擊能的提高而相應(yīng)提高。