房屋建筑強夯法加固地基的機理及施工要點

李 華

山西機械化建設(shè)集團有限公司（030009）

1 強夯法加固地基的作業(yè)機理

1.1 飽和土的加固機理

選擇合適重量的夯錘，提升至要求高度后使夯錘自由下落，在動荷載作用下，迫使土體發(fā)生壓縮變形，由此轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬γ軐崱⒎€(wěn)定的狀態(tài)。強夯施工時，孔隙水壓力有擊穿作用，會在土體中產(chǎn)生豐富的分支排水網(wǎng)，建立更多水的流通渠道，增強水體流通的滲透性，土體中的水分沿著空隙向外滲出。隨著強夯能量的增加，孔隙水壓力加大，待其達到某限值時，土體有液化的跡象，此時有效應(yīng)力逐步衰減，土體的抗剪強度降低。經(jīng)過前述提及的變化過程后，土骨架連接受損，土體強度大幅度降低，原本較強的飽和土的水流阻力明顯下降。在該變化之下，超孔隙水壓力于短時間內(nèi)消散，土體受水的干擾作用減弱，飽和土體開始固結(jié)，無論變形模量還是抗剪強度均有明顯的提升。根據(jù)該作用機理，在多次夯擊后，土體顆粒間距減小，轉(zhuǎn)為密實狀態(tài)，強度較原始狀態(tài)（未處理時）明顯提升[1]。

1.2 非飽和土的加固機理

強夯時，待加固土體中有較為強烈的沖擊波，土體會受到?jīng)_擊力的作用，原始狀態(tài)被破壞，土體顆粒有相互靠攏的變化趨勢，孔隙中的氣體向外排出，土體顆粒重新組合，具有密實、強度高的特性[2]。

1.3 砂性土的加固機理

從沖擊波理論的角度分析，在強夯施工中，土體受到?jīng)_擊波作用，夯錘底部有明顯的壓應(yīng)力，土體在壓應(yīng)力的作用下沉積沉降，由疏松轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬γ軐嵉臓顟B(tài)。夯擊時，土體有側(cè)向變形現(xiàn)象，但變性相對較小，錘底土下沉，而此項變化具有突然性，會與周邊土體出現(xiàn)相對剪切變形，由于作用差異的存在，周邊土體未來得及變形時，沖擊已經(jīng)結(jié)束[3]。

1.4 強夯置換的加固機理

強夯沖擊力推動砂、碎石等，將此類物質(zhì)擠壓至飽和軟土層內(nèi)，由于外部材料的使用，置換原飽和軟土，構(gòu)成具有密實性的樁柱。此外，砂、石層還可構(gòu)成高效的排水通道，排水通道作為下臥軟弱土中水的流通渠道，因此加速排水固結(jié)進程，可在較短的時間內(nèi)提高地基承載力。強夯置換是地基加固的常見方法，主要適用于如下情況:

下臥層為淤泥質(zhì)軟土（壓縮性大）、地基表層為砂墊層時，若采用強夯置換的方法，能夠使表層砂擠入軟土中，經(jīng)過組合后，構(gòu)成一根結(jié)構(gòu)完整、受力穩(wěn)定的置換砂樁，此樁體具有較高的承載性能。

施工現(xiàn)場存在3～5 m 厚的淤泥質(zhì)軟土層時，可采用強夯置換的方法。首先，在軟土層上拋填適量的石塊。此部分材料有自重作用，加之夯錘提供的沖擊力，推動石塊轉(zhuǎn)移至硬土層中。在此期間淤泥被大量擠走，減小淤泥對地基承載性能的制約性影響。此外，石塊間的相互接觸作用，可進一步提高地基的承載性能。

2 工程實例

某房屋建筑工程項目，擬建場地原為耕地，地形平整性較好，未見明顯的起伏。巖土構(gòu)成情況為:-2.5 m 以上，以粉土、粉質(zhì)黏土居多，局部夾雜粉砂及圓礫層；-2.5 m 以下，以圓礫層為主，有較強的穩(wěn)定性。實地勘察結(jié)果顯示，原始地基的承載力尚未達到工程建設(shè)要求，需采取加固措施。經(jīng)過技術(shù)可行性、經(jīng)濟效益性等多方面的對比分析后，最終采用強夯法加固地基。

3 試夯設(shè)計

3.1 夯擊能選擇

根據(jù)Menard 修正公式計算:

式中:H——加固深度（m）；w——錘重（t）；h——落距（m）；α——修正系數(shù)，取0.5。

勘察結(jié)果顯示，填土區(qū)厚度為8～10 m，表面生活垃圾缺乏足夠的承載力，不宜作為基礎(chǔ)持力層，因此將該部分清理干凈。從基礎(chǔ)底標高起夯，標高至少為-2 m。為保證地基加固效果，強夯最大加固深度需達到7 m，按照此深度計算，夯擊能為w×H=1 960 kN·m。

以現(xiàn)場試夯結(jié)果為準，結(jié)合類似工程的強夯施工經(jīng)驗，確定有效加固深度，由此組織強夯作業(yè)。

對自地表以下10 m 深度作加固處理，保證地基的穩(wěn)定性。表面有機質(zhì)含量超10%的生活垃圾缺乏足夠的承載性能，需予以清除。此外，基礎(chǔ)底面標高至少為-2 m。根據(jù)分析，順利完成強夯加固的最大深度約為7 m，單次夯擊能量控制在3 000 kN·m左右。適配強夯施工裝置并確定具體的作業(yè)參數(shù)，采用直徑為2.5 m 的20 t 圓形樁錘，起吊高度15 m，單次夯擊能量3 000 kN·m。

3.2 試夯方案

夯坑周邊需相對穩(wěn)定，不允許出現(xiàn)明顯的隆起問題。控制夯坑的深度，以免因深度過大而加大起錘的難度。夯擊點擊數(shù)的控制遵循的是適中的原則，若夯點擊數(shù)不足，難以保證地基加固效果。若夯擊數(shù)量偏多，雖然地基加固效果良好但需投入較多的資源和時間，影響工程的經(jīng)濟效益和施工效率，且還會削弱地基土的承載力。因此，權(quán)衡多方面的要求，經(jīng)過分析后初步確定15 擊和10 擊，并且嚴格控制最后兩擊的平均沉量，不得大于5 cm。

夯擊施工采用兩遍法。在本工程中，施工現(xiàn)場以砂類土質(zhì)居多，為了保證夯實效果，需連續(xù)完成兩遍夯擊作業(yè)，夯點布設(shè)間距取錘底直徑的1.5～2.2 倍。試夯時，考慮兩種方式:30 000 kN·m 夯擊能時夯點間距為5 m×5 m，10 000 kN·m 夯擊能時夯點間距調(diào)整為4 m×4 m，但均為正方形布置。

3.3 強夯法施工要點

3.3.1 施工機具的配套

3.3.1.1 夯錘

綜合考慮夯錘的尺寸（若為圓形夯錘，則著重控制錘底的直徑）、重量、材質(zhì)、加固的深度、夯擊時的落距等，選擇操作便捷、地基加固效果好、對周邊環(huán)境干擾小的夯錘。以材質(zhì)為例，優(yōu)質(zhì)鋼為原材料組成的夯錘較為合適，如鑄鋼。必要時，可采取組合夯錘的方法，即內(nèi)部混凝土+外部鋼板。

3.3.1.2 起重設(shè)備

履帶式起重機是優(yōu)質(zhì)的起重設(shè)備，具有運行穩(wěn)定、安全可靠、效率高的特點。在履帶式起重機的選型時，主要根據(jù)夯擊現(xiàn)場的實際情況而定，平夯地基以15～50 t 履帶式起重機為宜，點夯地基時該設(shè)備通常以25～50 t 為宜。

3.3.1.3 脫鉤裝置

夯錘重量較大時，需配套脫鉤裝置，以便順利夯擊。在采用脫鉤裝置時，與滑輪組配合使用，相比于單攬錘施工工藝而言，更有利于夯錘的順利起落。

3.3.2 墊層的施工

施工現(xiàn)場的地表以細粒土為主且地下水位較高時，在表面鋪設(shè)砂、砂礫或碎石，厚度控制在0.5～2 m，組成穩(wěn)定、平整的硬層，用于支撐起重設(shè)備。同時給各類機械設(shè)備的安全通行提供保障。硬層的設(shè)置還有助于保護表層土，以免該部分受損。

3.3.3 施工程序

首先，全面整理施工現(xiàn)場，例如清理雜物、適度壓實，給地基施工創(chuàng)設(shè)良好的條件。在現(xiàn)場修筑排水溝，用于高效排水，以免因積水而影響正常施工。組織地基加固強夯試驗，在此期間詳細記錄信息，如每完成一次夯擊后夯坑及周邊土體的變化，由此判斷不同夯擊作業(yè)方式取得的應(yīng)用效果，基于試驗的數(shù)據(jù)作計算與分析，確定最佳的夯擊能。

其次，在試驗區(qū)組織夯擊施工，由專業(yè)人員操作重錘。施工期間采集并記錄孔隙水壓力、夯擊深度等相關(guān)數(shù)據(jù)，對夯擊后的地基作詳細的檢查，判斷實際加固效果，對待加固區(qū)域土質(zhì)的物理力學(xué)指標形成準確的認識。

最后，以前期準備工作取得的一系列數(shù)據(jù)為準，判斷夯擊施工方案的可行性。若有不足之處，及時指出并予以改正，最終得到優(yōu)質(zhì)的夯擊施工方案，根據(jù)方案中的要求進行夯擊。

3.3.4 施工要點

3.3.4.1 測量放樣

由專業(yè)人員參與，以設(shè)計圖紙為準，利用測量儀器測定強夯點位，做好醒目的標記，為夯實作業(yè)的開展提供基準。

3.3.4.2 墊層及排水施工

墊層必須具有平整性與穩(wěn)定性。排水施工的關(guān)鍵在于修筑排水溝，材料可選擇碎石，避免現(xiàn)場積水問題。

3.3.4.3 強夯

應(yīng)注重對各項信息的采集與記錄，動態(tài)分析夯坑周邊土質(zhì)的特性，視實際情況靈活采取控制措施。經(jīng)過點夯后，再安排滿夯，保證夯擊施工效果。

3.3.5 振動碾壓

強夯地基施工時，優(yōu)先考慮的是振動碾壓的方法。待滿夯完成后，全面整平地基，測定標高，再根據(jù)實測結(jié)果用振動壓路機碾壓，使地基具有平整性與穩(wěn)定性，并且場地的高程要滿足要求。

4 強夯法在地基加固施工中的質(zhì)量控制措施

4.1 建立并完善質(zhì)量保護體系

為充分發(fā)揮出強夯法在地基加固方面的應(yīng)用優(yōu)勢，需建立質(zhì)量保護體系，并隨著工程建設(shè)進程的推進而逐步完善。強化員工的責(zé)任意識，使其準確掌握質(zhì)量目標，認識到施工的重要性，悉知施工方法，進而規(guī)范夯擊，提升地基處理效果。

4.2 注重信息的采集與記錄

強夯施工時，及時記錄信息，如夯坑的深度、夯擊的次數(shù)均要滿足要求。根據(jù)記錄的信息，判斷夯擊期間是否存在問題。除此之外，每一次夯擊前，均要重新測量參數(shù)，將各項實測參數(shù)與設(shè)計要求對比分析，確認無誤后方可恢復(fù)夯擊。

4.3 施工質(zhì)量的系統(tǒng)性分析

強夯施工完成后，要系統(tǒng)性地分析夯擊期間的各項數(shù)據(jù)，對強夯施工效果作出初步的判斷。此外，還要與業(yè)主配合，由專業(yè)人員組織荷載試驗，目的在于更為準確地判斷地基加固效果。確保強夯后的地基滿足設(shè)計方案的加固要求。

5 結(jié)語

強夯法具有工藝成熟、施工便捷、地基加固效果好等多重優(yōu)勢。為了順利應(yīng)用強夯法完成地基加固作業(yè)，需從工程實際條件出發(fā)，做好墊層施工、排水設(shè)施修筑等基礎(chǔ)準備工作，再合理適配夯錘等相關(guān)設(shè)備，按照方案要求控制夯擊參數(shù)，最終完成夯擊作業(yè)，保證地基的加固效果。