強夯法的加固機理探討

孫述彬

摘 要：強夯法是一種較好的地基處理方法之一，強夯法目前已發展到地基土的大面積加固，深度可達30 m。在飽和無粘性土的情況下，可能會產生液化，在夯擊過程中，土體的瞬時沉降可達幾十厘米，土中產生液化后使土的結構破壞，土的強度下降到最小值，隨后在夯擊點周圍出現徑向裂隙，成為加速孔隙水壓力消散的主要通道，因粘性土具有觸變的特性，使降低的強度得到恢復和增強。另外，強夯后所導致砂性土的液化，能夠降低地基在未來地震作用下的液化勢。雖然地基土的密度增加不多，但卻能減少在未來地震作用下發生液化的可能性。

關鍵詞：強夯法 超孔隙水壓力 排水通道 觸變 液化

中圖分類號：TU47 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0036-01

強夯法在實踐中已被證實是一種較好的地基處理方法之一，該方法的首次提出是在第十屆國際土力學和基礎工程會議上。具體說明了強夯法的發展程度，該法可適用于深度30 m范圍內的大面積地基土的加固。如果操作環境為非飽和土，則壓密可達到實驗室的擊實試驗效果。如果操作環境為飽和無粘性土，反應過程中可能有液化效應，其效果亦有相關報道和試驗佐證。同爆破法或者是振動法的反映過程類似。在對雜填土的過程中運用強夯法是非常有效的，尤其是需要破壞土質的結構，構造因孔隙水壓而誕生的排水通道時，效果尤其顯著。

1 強夯法的工作機理

1.1 飽和土的壓縮性

在具體的工程施工當中，不管是怎樣的復雜土質，一旦施加夯擊，必定造成地基的劇烈反應以至沉降，這種現象在粒性土質下，尤為明顯。國際上認為，滲透性極小的飽和細粒土質，在評估其沉降范圍時務必要考慮其孔隙水的排出能力。傳統意義的固結理論中，我們把這當作是必要充分條件。因飽和細粒土質自身滲透性低的特質，決定了孔隙水無法及時排出，在瞬間荷載作用時，未必能立即引起巨大沉降效果。

有關數據表明，土壤中的有機物分解反應，造成微氣泡增加，據實際測算，第四紀土的含氣量約在1%～4%之間，在實行強夯法的過程中，氣體體積減小，孔隙壓力下降，每次總體積可下降40%。

1.2 產生液化

強夯法實行過程中，土體的受壓不斷增加，因此氣體的體積不斷收縮。從數據上看，土面的沉降度與夯擊的力度是成正比的。知道氣體的體積下降能力接近于零時，土面沉降基本不會再有所變化，此時孔隙水在受壓的情況下，水壓與液化壓達到一定比例，此時液化壓力轉化為覆蓋壓力，最終這個數值達到100%，土面介于正常和液化的臨界點。這時的能量值，學術上則稱之為飽和能量值。原本的吸附水轉化為自由水，伴隨著土面強度的不斷下降，最終達到飽和，破壞土起的重塑能力。

值得注意的是，天然形態下的土，其液化過程是經年累月的漸變過程。大部分的沉積物以層狀和結構的方式展現。部分砂質或者是粉末性質的圖層相對更容易進入液化。不過強夯法下的液化，是強制的局部液化。

1.3 滲透性變化

夯擊造成巨大的作用力，這在土體深處形成沖擊波和動應力。這種力直接給孔隙水增壓，導致其正面壓力大于側向壓力。此時，土體內部的顆粒微塵出現縫隙，也就出現了排水通道，孔隙水中吸附水轉化自由水，經由孔隙通道順利排除。在實際操作過程但中，施工人員可以有規則的網格化布置夯點。這樣有利于夯擊力量的集中，在土體上垂直施力，形成規則的排水通道。操作得當，可見大量涌水現象。但如果不經規劃，盲目夯擊，導致受力不均勻，部分水就無法順利排除，連續性就受到了影響。同時也說明，實際夯擊試驗中測量的滲透系數，不能完全說明夯擊后孔隙水壓的特性。孔隙中的水自動遭到閉合，恢復到常態的條件是孔隙水受到的壓力消散或者低于土內顆粒微塵側向的壓力。當夯擊帶來沖擊波，土內吸附水會直接轉化成自由水，此時毛細管的橫斷面也會擴大。

1.4 觸變恢復

相關著作和試驗已經證明，重復夯擊的情況下，會破壞土體的強度，隨之而來的就是液化或者是接近液化的狀態。此后土體的強度弱化到一個臨界點，土體內部產生縫隙，原本吸附水轉化為自由水，經過孔隙壓力的作用，而散發出來。土粒之間的緊密程度增加，新吸附水的層面逐漸固定，這一過程增加了土體的抗剪度和變性度。在相當長的時間里，土體的變形沉降不再明顯，數值不足千分之一。由此可知，在強夯法實行過程中，體積會發生變化，承載力隨之提高，但是這一現象尚未有算術級規律來界定。自由水在被土粒再吸收重新恢復為吸附水，該現象尚無法用傳統的固結理論來說明。

在實行強夯法后，具有觸變性的飽和粘性土，其土質結構將產生劇烈變化，強度幾乎降為零，隨時間的推移，強度又逐漸恢復。因此，強夯后的質量檢驗的勘探工作或測試工作，至少宜在強夯施工后一個月再進行，不然得出的指標會偏小。

靈敏度較高的粘土存在觸變效應，實際上所有細顆粒土均存在這一現象。經強夯后土在振動恢復過程中，對振動是十分敏感的，進行勘探測試工作時應特別注意。

學術界可從四個方面來解釋動力固結下的理論模型。（1）由于有機物的作用，土壤中存在大量微氣泡，存在于氣泡中的水被認為可以壓縮，故稱孔隙水具有壓縮性。（2）實行強夯法前后滲透性的變化過程，可在實驗室中利用孔徑靈活的排水孔來模擬。（3）在模擬試驗中，我們不再把彈簧的剛度定義為常數，而是土體的壓縮模量，是一個變量。因為在實際操作強夯法的過程中，因為吸附水的關系，這個量在反復荷載的過程中會發送巨大變化。（4）加載后傳遞力的活塞或氣缸間存在摩阻力。因此，液體中壓力減少，不能自動導致活塞的位移和彈簧的變化。在實際現場的地集中，常可觀察到孔隙水壓力的減少并沒有相應的引起沉降。

2 結語

（1）實際夯擊操作時，土體的瞬間沉降范圍在1～10 cm之間。液化后的土體也破壞了土體原先的結構，隨之減弱土體的強度，使之下降到最低點。圍繞夯擊點散發性出現裂縫，孔隙水的壓力也經由這些裂縫迅速消散。在粘性土中，陰氣觸變特點，恢復能力略高。

（2）在砂性土中，強夯帶來的液化效果有所降低，因為砂性土土質特點，地基土密度不會增加太多，故而減少了未來地震時液化的可能性。

參考文獻

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

[2] 鄒仁華，奚家米.強夯法地基加固機理分析與應用[J].西安礦業學院學報，199，19（增刊）.endprint