建筑工程地基处理中强夯法的运用与分析
时间：2023-03-23 17:50:04 来源：千叶帆 本文已影响人
胡亚华
（大理州设计院有限公司，云南 大理 671000）
由于强夯施工简单，加固效果好，使用经济，在加固工业、民用建筑、仓库、油罐、仓库、公路、铁路、机场跑道、港口码头等地基中的砂土、低饱和度粉土、湿陷性黄土、杂填土、素填土等。
1.1 基本概念
强夯法是利用起重机械将大吨位夯锤提升至6～30m，然后自由落下，对地基进行强烈的冲击能，使土体产生冲击波，并造成较大的冲击应力，造成土体的孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点附近形成一个很好的排水渠道，使孔隙水和气体泄漏，使土体重新排列，经过时效压实，达到固结目的，从而提高基础承载力，减小压缩度。强夯法的技术优势如下：采用现场常用的简易机械，施工技术简便，适用于广泛的土壤；
可获得高承载力，一般基础强度可增加2～5 倍，在较低的变形沉降量下，可使压缩系数减小2～10 倍，加固效果可达到6～10m；
效率高，施工速度快，比换土回填、桩基础缩短一半的工期；
节省了资金，比回填节省了60%的成本。与采用预制桩基础加固相比可以节约50%～70%的资金，相对于砂桩可以节约40%～50%的投资。
1.2 加固机制分析
1.2.1 动力夯实
在非饱和土壤，尤其是孔隙多、颗粒粗大的土壤中，强夯击能引起的冲击波和动应力通过土壤中的扩散，引起颗粒的破裂或瞬时的相对移动，使得孔隙中的气泡快速地被排出或压缩，孔隙体积变小，形成致密的结构[1-2]。
1.2.2 动力固结
强夯对饱和黏性土进行强夯处理时，由于其强烈的冲击力会引起土体内部的大量应力波，从而导致土体局部液化，形成大量的裂缝，从而增大了排水渠道，从而使得孔隙水能够顺利地渗出，当超孔压消失后，土体固结。由于软黏土的触变性，可以增强其强度，即动态固结。
1.2.3 机制分析
对于渗水较弱的饱和软土，强夯可以造成结构的破坏，但很难将其快速消解，而在土体四周凸出时，其体积并未显著减少，这是由于其强夯作用不大，有时还会产生橡胶土，故不主张使用。在饱和软土中，对强夯的作用有很大的影响，如点击能量的大小、土壤的渗透程度。有的学者提出，可以在土壤中设置袋式沙井，以提高土壤的渗透性，再进行强夯。在这种情况下，其加固机制与动态固结相似，或可采用动力置换。动力置换可分为整型和桩型两种。前者是通过强夯法对碎石进行整体挤压，其作用机制与换土垫层相似；
后者是利用强夯法将碎石填埋在土层中，形成桩基（或墩型），其工作原理与碎石桩相似，主要依靠砂砾内部的摩擦力和墩间土层的侧限来保持桩身的平衡，并与桩间土壤发生相互作用。
1.2.4 动力置换
整式置换与换土垫层类似，其将砂砾压缩到泥沙中，以提高基础质量，而桩式置换法替换原理与振动法等其他方法的原理相同，其作用原理是通过桩间土壤的边限和内部磨耗角度来维持桩的稳定，并与桩间土壤共同构成复合基础，将部分砂砾打入软黏土中，从而使其成为碎石桩。
1.3 基本特点
首先，强夯法施工工艺和设备相对简单，通常仅需一台吊装设备和一件重型锤子，通过吊装设备进行吊装，再将其自由下落，施工过程简单。其次，强夯法可以适用于各种不同的地基，适用于各种软弱地基，尤其是对于砂砾类的厚填筑地基，具有较好的处理效果。再次，对于山区未压实高填方素填土区域强夯法加固效果更佳，性价比更高，通过夯击法加固后，地基的强度得到明显提高，可以有效地减少土体的压缩和固结沉降，另外强夯法还可以有效地防止地震地区的砂土液化，减少或消除大孔隙土体的湿陷度。此外，强夯法施工速度快，施工效率高。有数据表明，单台套设备设施每月可以处理5000～10000m2的地基，远高于桩基施工速度。最后，强夯法的经济性高，能够大大减少地基处理过程中对于水泥、钢材、木材等建筑材料的使用，相较于采用桩基方式进行地基处理的方式，整体加固成本较低。
2.1 工程介绍
云南省大理白族自治州建筑设计院，创建于1958年，是云南省大理州地区的主要技术力量。现持有国家建筑工程乙级资质、工程地质勘查乙级资质、城市规划丙级资质、市政公用行业（给水、排水、道路、环卫）设计丙级资质、工程咨询乙级资质、工程监理丙级资质。多年来，大理州建筑设计院先后向社会递交了许多具有较大影响力、较好的工程项目，其作品中出现了一大批具有时代特征、民族风格和地域特征的建筑作品，深受广大市民的好评，对大理州和滇西地区的勘测设计市场的发展和稳定做出了重要的贡献。多年来大理州建筑设计院处理了多处巨厚填方区，取得了一定的工程经验，由于大理州山区较多，可建设平地非常有限，很多建筑场地处于山区，由于地形的原因，经过深挖和填平，地形变得很平整。但由于建筑工地周边存在大量的填充物，使得建筑物的稳固性很难得到保护，因此，为了保证建筑结构的稳定性和安全性及经济合理，有些场地非常适合采取强夯法进行加固。
2.2 强夯法地基处理技术工艺原理及工艺流程
2.2.1 强夯法地基处理技术工艺原理
根据基础应力扩散原理，强夯处理范围加固范围要比地基的加固范围大，而加固的具体范围可以依据建筑物的种类、重要程度等因素来确定。
2.2.2 强夯法地基处理工艺流程
强夯法的施工过程主要由下列9 个部分组成[3]：①对施工场地进行清理、平整。②在第一次施工时，把所有夯点的位置标出来，并测量现场的高程。③吊装装置在适当的位置，把锤子对准对应的夯点位。④在夯击之前，测量锤顶高度[4]。⑤将重锤提升到规定的高度，当重锤自由下落时，将吊钩放下，重新测量锤头的高程，如发现重锤有倾斜，应立即进行调整或整平。⑥依据工程设计中确定的夯击数和场地管理规范，进行夯击点的夯击。⑦反复进行上述工序，直至所有的夯击都已打完为止。⑧利用推土机对夯坑进行填筑，并随后对现场高度进行测量。⑨在一定的时间之后，按照上述流程，依次进行所有的夯击次数，并以低能量充填法对场地表面进行松实，并对处理完毕的场地进行测量。
3.1 强夯参数的确定
根据现场的土壤条件及工程质量的特点，设计了强夯的设计方案，包括有效加固深度、单位夯击能、夯点布置及间距、单击数、夯击遍数等。
（1）有效加固深度。有效加固的有效加固深度是反映强夯加固的有效措施，也是地基加固方案的主要依据。结合工程的设计和施工现场的具体条件，选择了点击能3000kN·m，有效加固6～8m。
（2）单位夯击能。夯锤M（kN）与下落距h（m）对夯击能及加固深度有较大的影响。因此，在进行夯锤时应将其作为单一夯能。单位夯击能计算如式（1）所示。
式中：E——锤击能量，kN·m；
W——击打重量，kN；
h——击打距离，m。依据该项目的地质特点，采用3000kN·m的夯击力，采用15m 的夯击落点。
（3）夯点的布置及间距。将首次打夯地点标记在平整好的工地上，并测量现场的高度。用红胶带标示夯点处，以6m（两夯中间间隔）为正方性排列，然后在第一次打夯处间隔处设置二次夯击点。
3.2 夯击次数
采用现场试验法，确定了夯锤的夯击数。在夯土堆附近，如果没有明显的凸起，则可以通过增大夯击次数来降低击穿次数。
3.3 夯实厚度
通常情况下，每侧超过基础外侧边缘的宽度应为设计处理深度的1/3～1/2，不得少于3m。对可能存在的液化情况，各侧超过地基外侧的宽度不得低于处理深度。
3.4 有效加固深度
有效加固深度是指在经过强夯处理后，地基强度增加，压缩模量增加，其加固效果明显。自强夯法发明近30 年来，已有很多学者从不同的角度提出了多种方法，但是由于强夯作用的深度比较复杂，目前尚无一种计算方法能准确地求出不同情况下的加固深度。有效加固深度可由式（2）计算。
当前的有效加固深度与点击能相关。但实际情况是，不同土层的不同厚度、埋藏顺序、地下水位等因素会影响到强夯的有效加固深度，故必须根据现场试验或当地的经验来确定[5]。
4.1 强夯法地基处理应用环境
强夯施工技术已被广泛用于湿陷性黄土、碎石土、沙土等基础上，特别适用于煤矿、公路、机场、建筑等领域的地基处理。对强夯法施工工艺进行深入的探讨，有利于规范运用和推广强夯法施工工艺。
4.2 强夯法地基处理应用案例
本文结合一项基础加固工程实例，探讨了强夯法施工技术在工程中的运用，以期对施工单位在该领域中的运用有所裨益。本项目所处的土壤类型为素填土、粉质黏土、黏土和粗沙12 个单元，其岩性较为复杂，土质均匀度较差，计算结果不能满足施工需要。
根据Menard 修正公式，对不同类型的土体进行加固，采用修正因子获得了精确的有效深度，从而确定了强夯法施工中的吊车的起重能力，并据此求出了不同夯能下的吊车的加固深度。按施工准备、测量、放线、点夯、平整、全夯、平整、质量检验等程序实施强夯施工。在工程建设中，要明确强夯法施工工艺要求，加强强夯施工排水处理，做好强夯施工质量检测，确保强夯法施工规范有序进行，切实发挥强夯法优势。
4.3 强夯法地基处理应用效果
在工程建设中，施工单位采用强夯法处理地基，必须对施工现场的施工状况进行检验。对工人的工作品质有了一定的保障。在施工单位运用强夯基础施工技术的时候，可以充分注意操作指标、机械设备的选取等工作，使施工质量达到预期的效果，使其最终的施工质量达到建筑标准，从而为强夯施工和施工工作的质量提供了更多的保证。
4.4 施工注意事项
在强夯法的施工中，必须注意下列问题。①要把打桩次数控制在一个合理的区间，以提高打实效果。一般情况下，必须依据现场的土质、土层特性、土壤质地等因素来决定打桩次数。压实次数一般为2～3 次，最后采用低能量全夯。而夯实次数的选取与回填土的结构有一定的关系，而在不同的土层中，夯实的次数也会随之发生变化。在充填区，如果土体是粗粒土，渗透力大，则要适当降低打桩次数。在充填区，如果土壤中有大量细小的微粒，渗透性能不佳，就需要适当地加大打桩次数。②对夯击能进行适当的控制，使夯击的数量保持在合理的水平。这并不是因为打桩的次数多了，就会有更好的效果。在工程建设中，必须根据现场的具体条件，确定夯击的数量和能量，特别是要把地基的特性考虑在内。一般说来，夯击次数一般为2～3 次，每次夯击数必须达到最后两次击打时的平均夯沉量。点击力低于4000kg/m2，夯沉量低于50mm；
点击能在4000～6000kN/m2的情况下，击沉量不超过100mm。通过对夯锤和夯锤的正确控制，可以使建筑物基础的稳固性得到较好的保障，同时也能保证回填区的稳定。③强夯工作是建设项目后续建设的重要保证，同时也是保证结构稳定、安全达到社会规范的重要保证。在工程建设和工程完工后，必须加强监督和验收，特别是在工程竣工后，要加强监督，以保证工程的质量和质量。④监督人员对建筑工人的安全监督也要纳入监督管理。强夯施工风险大，必须定期或不定期地对工人进行操作，保证其安全防护用品的正常使用，并正确穿戴。
4.5 强夯地基的检验
在完成了强夯加固后的基础上，进行了承载力的检测。在完成强夯置换后的基础上，除了进行荷载测试之外，还应该采取动态触探等多种方法来确定其着底状态和承载力和密度随深度的变化。在强夯处理后，完成地基的承载力检查，应在工程完成后，每隔一段时间进行，而砾石、沙质地基宜为7～14d，粉土及黏性土壤基宜为14～28d。强夯法置换后的基础间隔为28d。工程完工后的承载力检查，要视工程的复杂性及工程的重要性而定。在复杂的场地和重要的建筑物基础上，要增加检测点。在强夯置换基础加载试验中，对置换墩进行着底检查的次数，不得低于桩脚总数的1%。
随着强夯法工艺水平的发展，地基加固处理工艺效果显著，经济效益明显，能够更好地适应建筑工程地基处理要求，推动建筑工程整体建设水平的提升。
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