強(qiáng)夯法加固地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)

許亞杰

(齊齊哈爾市水資源中心，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

1 問題的提出

由于強(qiáng)夯法處理地基基礎(chǔ)具有效果顯著、設(shè)備簡單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)易行和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越廣泛地被應(yīng)用于工民建、公路、鐵路路基、機(jī)場跑道、碼頭等地基處理工程，但目前就強(qiáng)夯法處理地基基礎(chǔ)理論研究尚不成熟，實(shí)際工作中多憑經(jīng)驗(yàn)或參照已建工程擬定某一工程地基的強(qiáng)夯方案，因而造成加固方案不盡經(jīng)濟(jì)合理。文章通過下落錘體對(duì)地基土體的沖擊理論分析，并引入已有資料驗(yàn)證，提出了在基礎(chǔ)加固條件允許且具有相同的單擊能量(或提升機(jī)械能)和加固影響深度的情況下，重錘由于對(duì)地基土具有更大的沖擊力，加固效果優(yōu)于輕錘的這一分析結(jié)論，對(duì)更經(jīng)濟(jì)合理地應(yīng)用強(qiáng)夯法加固基礎(chǔ)工程具有一定的實(shí)際意義。

2 理論分析

目前，強(qiáng)夯法加固基礎(chǔ)工程用以選擇錘重和落距的基本依據(jù)為國內(nèi)、外學(xué)者所提出的加固影響深度公式為：

(1)

式中：H為加固影響深度，m;w為錘重，kN；h為落距，m；α與加固地基土類別有關(guān)的系數(shù)。

在式(1)中，當(dāng)基礎(chǔ)的加固影響深度選定后，我們即可由擬定的錘重確定相應(yīng)的提升高度或由擬定的提升高度確定錘重。由于式(1)僅反映了夯擊能量對(duì)基礎(chǔ)的加固影響，而忽略了下落錘體對(duì)接觸土體所產(chǎn)生的瞬間沖力效果評(píng)價(jià)，即動(dòng)量的影響因素。因此，我們有必要在夯實(shí)機(jī)具設(shè)備允許且提升能量(單擊能)不變的情況下，對(duì)重錘低落距和輕錘高落距對(duì)基礎(chǔ)加固效果進(jìn)行比較[1]。為便于分析，現(xiàn)擬定兩種錘重，即重錘W1和輕錘W2，相應(yīng)的提升高度分別為h1和h2，并設(shè)：

W1=2W2

(2)

h1=h2/2

(3)

則重錘的加固影響深度為：

(4)

單擊能(或提升機(jī)械能)為 ：

(5)

輕錘的加固影響深度為：

(6)

單擊能(或提升機(jī)械能)為：

(7)

式中：E1i，E2j分別為重錘第i次單擊能(或第i次提升機(jī)械能)及輕錘第j次單擊能(或第j次提升機(jī)械能)，kN.m；Δ1i，Δ2j分別為重錘第i次、輕錘第j次的單擊夯沉量，m。

現(xiàn)討論兩錘對(duì)地基土體的沖擊力。如忽略空氣和其它對(duì)錘體的阻力，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)，兩錘體落地時(shí)的瞬時(shí)速度分別為(忽略夯沉量)：

(8)

(9)

兩錘對(duì)地基土體的沖量分別為：

(10)

(11)

則重、輕兩錘的沖量之比為：

(12)

可見，在單擊能量或提升機(jī)械能相同的情況下，重錘低落距較輕錘高落距的沖量大2倍。由于重錘的較大沖力，在錘體進(jìn)入土體后，相對(duì)減速慢，土體在動(dòng)態(tài)狀況下，所受到的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長，相應(yīng)的每擊夯沉量增大，土體壓密加固效果好于輕錘高落距，因而可有效減少單點(diǎn)的總夯擊次數(shù)，大大提高強(qiáng)夯機(jī)具的工作效率，實(shí)現(xiàn)縮短工期、降低工程成本的目的。

3 試驗(yàn)對(duì)比

為說明文章理論分析結(jié)果的實(shí)際意義，現(xiàn)就文獻(xiàn)1的對(duì)比試驗(yàn)成果進(jìn)行闡述。

在一塊110m×22m巖性基本一致的場地，由3臺(tái)不同錘重吊車(10t、15t、20t)完成的現(xiàn)場試驗(yàn)。1號(hào)機(jī)組錘重10t，落距10m，每點(diǎn)夯12擊；2號(hào)機(jī)組錘重15t，落距6.7m，每點(diǎn)夯10擊；3號(hào)機(jī)組錘重20t，落距5m，每點(diǎn)夯8擊。為便于比較和節(jié)省篇幅，文章僅列出第1號(hào)和第3號(hào)機(jī)組施工中的每擊夯沉量測量數(shù)據(jù)，成果見表1和表2。

表1 10t錘重夯擊試驗(yàn)成果

表2 20t錘重夯擊試驗(yàn)成果

由表1、表2可知，3號(hào)機(jī)組(重錘)的單點(diǎn)夯擊總能量為800t.m，總夯沉量為0.7482m。1號(hào)機(jī)組(輕錘)的單點(diǎn)夯擊總能量為1200t.m，總夯沉量為0.7332m。在總夯沉量基本相同的情況下，重錘的總夯擊能量僅占輕錘總夯擊能量的67%，提高功效1.5倍。

根據(jù)文獻(xiàn)1對(duì)3臺(tái)機(jī)組強(qiáng)夯地基土深6m以內(nèi)每延米取一個(gè)原狀土樣的分析結(jié)果可見，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)機(jī)組加固土體的干容重分別為1.584g/cm3、1.633g/cm3和1.657g/cm3，壓縮模量ES1-2分別為12.3MPa、13.1MPa和13.4MPa，重錘低落距處理地基土體的物理力學(xué)指標(biāo)均有明顯提高。

4 結(jié) 語

由于強(qiáng)夯法是目前基礎(chǔ)處理中的一種行之有效的經(jīng)濟(jì)方法，如何合理地確定施工中的有關(guān)參數(shù)就顯得十分重要，文章通過理論分析并結(jié)合已有試驗(yàn)實(shí)測成果，提出了在提升機(jī)具允許的情況下，采用重錘強(qiáng)夯基礎(chǔ)具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

由于采用重錘強(qiáng)夯因而要求與其相配套的提升動(dòng)力也較大，所以我們?cè)诖_定錘重參數(shù)時(shí)，除了應(yīng)盡量選取較重的錘體外，還要考慮現(xiàn)有提升機(jī)具所具備的提升動(dòng)力，以使強(qiáng)夯方案制定得更加經(jīng)濟(jì)合理。