強夯法在我國的發展 及 應用

張有春，魯建榮

（灤南交通運輸局， 河北 灤南 063500）

目前，強夯法已較廣泛地應用于房屋、倉庫、油罐、工業設備、公路、鐵路、橋梁、機場跑道、港口碼頭等工程的地基加固，適用于碎石土、砂土、低飽和度土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等。

強夯法就是利用起重設備將重錘提升到一定的高度，然后使重錘自由下落，以巨大的沖擊能量作用在地基上，使土中產生極大的沖擊波，以克服土顆粒間的各種阻力，使地基壓變以達到加固地基的一種地基處理技術。這種方法的顯著特點是夯擊能量大，因此影響深度大，同時具有工藝簡單、效果顯著、設備簡單、費用低廉、質量控制容易、適用土層范圍廣、施工周期短等突出優點。

1 強夯法的發展歷史

強夯法的基本思想源于古代的夯實地基法，萬里長城、唐長安大明宮等主要建筑基礎均為夯筑。在近代，南斯拉夫、丹麥、蘇聯等國都試驗過較重的錘，從較大的高度落下，以期達到在更大的深度內獲得良好的加固效果。特別是羅馬尼亞，從20世紀60年代開始，應用夯錘重5～7t，落距5～9m，加固深度可以達到2～4m的重級落錘夯實法。這也可以認為是強夯法的起源。強夯法，是由法國的路易·梅那（L.Menard）于1970年首先創立的地基加固技術。在強夯法施工初期，僅對淺層素填土、碎石填土、砂土進行加固，這時尚處于重錘夯實階段。隨著工程實踐的增加，并且對某些條件下的細粒土軟弱地基的處理也取得了一定的效果，于是就發展成為動力固結法。

2 強夯法發展現狀

我國于1978年9月引進該項技術， 1979年初塘沽率先進行強夯法加固黏土地基的試驗研究。同年6月河北廊坊與山西陽泉又分別對軟黏土、粉細砂地基與黃土質砂黏性土填方地基進行了處理，這是我國采用強夯技術處理地基最早的兩個工程實例。隨后該技術迅速推廣， 北京、天津、西安等地的地基處理工程都采用了該項技術，并取得了很好的技術經濟效果。

我國強夯技術經歷了如下幾個發展階段。

第一階段，自引進到20世紀80年代初，約8年，本階段工程應用的強夯能級比較小，一般僅為1 000kN·m，處理深度5m左右，以處理淺層人工填土為主。

第二階段，20世紀80年代初到90年代初，約10年。在該階段，代表項目是國家重點工程山西化肥廠，在施工過程中為了消除黃土地基的濕陷性，國家化工部組織科研，開發了6 250kN·m強夯能級，使強夯的有效處理深度提高到了10m左右，強夯的應用范圍也得到擴展， 強夯技術日臻完善。

第三階段，20世紀90年代初到2002年，該階段以興建國家重點工程三門峽火力發電廠為代表，該項目成功使用了8 000kN·m強夯能級，使強夯消除黃土濕陷性的深度達到12m。此后， 高能級強夯技術發展迅速，應用范圍進一步擴大，包括貴陽龍洞堡機場、上海浦東機場等工程在內的許多國家重點工程都采用了強夯地基處理技術，取得了預期效果，為國家節省了大量投資。

第四階段，從2002年底至今，為了處理高填方地基，試驗開發了10 000kN·m強夯能級，經檢測，10 000kN·m能級強夯有效處理深度超過了15m，強夯技術取得了較大突破，縮小了與國外先進技術的差距。為了更進一步擴大強夯的應用范圍，在強夯技術的基礎上，還形成了強夯置換和柱錘沖擴等新技術。強夯這種工藝于2007年首次投入到了客運專線鐵路施工中，用于新建武廣鐵路客運專線之中。

當前應用強夯法處理地基的工程范圍極廣，已付諸實踐的有工業與民用建筑、重型構筑物、機場、堤壩、公路和鐵路路基、貯倉、飛機場跑道及碼頭、核電站、油庫、油罐和人工島等。近年來強夯法在工程建設與環境保護協調方面己發展應用于垃圾填埋場、沙漠地基、核廢料場等的處理。總之，強夯法在某種程度上比其他機械的、化學的或力學的加固方法使用更為廣泛和有效。

3 強夯法研究方向

3.1 強夯加固地基的力學模型研究

國內一些學者對強夯法的力學模型進行了一些研究，陸新對軟粘土地基在靜力固結模型基礎上針對強夯特點提出了強夯動力排水固結模型。很多學者還通過室內實驗模擬強夯的作用機理，對其動力學特征進行了開拓性研究。錢家歡等曾用自制的動力固結儀模擬強夯， 分別提出了飽和砂土及飽和粘土在沖擊荷載作用下壓縮模量、卸荷模量以及動孔隙水壓力的經驗公式。韓文喜等也獲得了飽和土在強夯作用下的動應力、動位移、孔隙水壓力的變化規律及強夯的應力-應變關系特征。詹金林等也提出了高能級強夯加固機理的數值模擬模型。

3.2 夯擊能的傳遞與作用機理

左名麒提出的振動波理論認為夯擊所產生的巨大沖擊能將以波的形式向土介質傳播。強夯主要是縱波和橫波起加固作用，而面波主要是R波，不但不起加密作用，反而對地基表面產生松動，是有害波。針對R波的作用，孔令偉等通過研究三個代表不同土質條件的強夯實踐后認為，瑞利波可穿透較深的土層，使得地基在R波作用下產生變形并使土顆粒更為緊密的排列，即認為R波對地基加固起了不可忽視的作用。根據地基土的類別不同，強夯加固基本原理可分為動力夯實、動力固結兩種情況，其共同特點都是通過破壞土體的天然結構并達到新的穩定狀態。

3.3 強夯作用下的地基性狀

根據強夯后標準貫入試驗資料分析，郭見揚提出了強夯地基的雙層構造理論。他認為對于強夯的加固效果，在某個深度以上夯后N值明顯增加，形成良好的持力層，而在這個深度以下N值增加和減小的可能性都存在。但即使強度有所降低，它的抗振動穩定性將有所提高， 這充分肯定了強夯的加固效果。宋修廣等綜合考慮地基土的流固動力耦合和地基與夯錘接觸表面的動力耦合情況，給出了基于三維有限元法的計算方法和迭代格式，并對一具體算例進行了耦合數值分析，總結了地基位移、應力及接觸反力等在強夯作用時間內的變化規律和在空間上的分布特征。

在強夯加固的微觀機理研究方面，則主要以試驗為主。陳東佐曾通過X光衍射和掃描電子顯微鏡試驗，分析研究了陜西潞城濕陷性黃土的全礦物成分及其強夯前后主要物理力學指標的變化規律，研究發現在加固效果最好的夯后土體中存在著旋渦狀的微結構。

對于強夯法加固地基的機理，現在一般認為，從加固原理與作用看分為動力夯實、動力固結、動力置換三種形式。對于非飽和土，很高的沖擊能使顆粒移動，從而孔隙中氣泡迅速排出或者壓縮，孔隙體積減小，形成較密實結構，稱為動力夯實。飽和粘性土中，夯擊破壞了土體原有結構并產生裂隙，引起滲透性增大，孔隙水壓力消散后土體固結，稱為動力固結。而通過在夯擊過程中回填各種散體材料如塊石、碎石等并與周圍土體共同作用形成復合地基的方法稱為動力置換。

3.4 強夯孔隙水壓力的消散規律

強夯后孔隙水壓力的消散問題是工程界和學術界普遍關注的一個問題，因為它決定著強夯的夯間間隔時間和有效影響范圍。研究孔壓的產生、增長和消散規律可以防止孔壓的快速累積和加速孔壓消散，從而減少大面積液化和“橡皮土”的產生，對于提高地基土的加固效果和加快工期，以及強夯加固機理的研究都十分必要。

韓文喜利用土動三軸儀對強夯加固飽和砂土進行了系統的模擬試驗，認為飽和砂土在強夯作用下，顆粒在向下壓縮和向周圍擠壓的同時顆粒間的孔隙被壓縮，形成超靜孔隙水壓力，夯擊后超靜孔壓能夠迅速消散，沒有孔壓的疊加現象。

白冰將強夯荷載看作加荷和卸荷過程，并將其離散為若干等幅均布荷載，分析了飽和土層在強夯荷載下孔隙水壓力的分布特點，并給出了在加、卸荷階段土層內部任一時刻的孔隙水壓力表達式。

現在，大量的工程實踐證明，對于不同類型土，其孔隙水壓力的產生、增長和消散規律是不同的。砂性土滲透系數大，孔壓消散快，一般可連續夯擊，而粘性土滲透性差，需要較長的夯間間隔時間以避免橡皮土的形成。

4 強夯法技術應用展望

雖然強夯理論研究工作取得了一定的進展， 但理論上仍遠遠滿足不了強夯的實際工程需要。目前還沒有一套很成熟、完善的設計計算方法， 仍然依靠經驗和試驗方法來確定。在現階段我國實施強夯法處理地基土仍存在很多問題沒有完全解決。這在一定程度上制約了這種方法的進一步發展。對強夯地基土的研究，特別是高飽度土地基，前人主要集中在強夯機理的分析及影響范圍的計算，目前則注重于強夯工藝和強夯技術的研究和開發，對強夯后地基強度和變形的預測方面尚少見報道。對夯后地基特性的檢測常通過規范規定的方法，現階段主要是通過原位測試以及室內土工試驗來測定加固效果，評價夯后地基土體的承載力、變形和壓縮模量等指標。大都通過載荷試驗、標貫試驗或其他間接檢測方法對比試驗結果，或查表格換算求得。但以往的工程實踐表明，強夯后某些土質量檢測要在夯后一兩個月后進行，即在超孔隙水壓力完全消散時方可檢驗，但實際施工工期常不允許，若夯后立即進行質檢，其測得的指標值又往往偏離真實的質量狀況，甚至低于夯前指標，不能滿足工程要求，如何利用夯后實測的參數指標值來預測土的承載力和變形特性成為當前迫切需要解決的問題。

今后針對上述問題開展關于強夯法技術的相關研究顯得十分重要，從理論到實踐尋求棄土的解快方法，尋求有效減小砂土液化的方法。從而提高工程質量，節約費用和工期。

[1]左名麒，朱樹森.強夯法地基加固[M].北京：中國鐵道出版社，1990.

[2]胡乃財.強夯法加固地基的設計參數研究[D].濟南：山東大學，2007.

[3]呂秀杰，龔曉南，李建國.強夯法施工參數的分析研究[J].巖土力學， 2006， 27（9）：1628-1632.