建筑工程地基處理中強(qiáng)夯法的運(yùn)用與分析

胡亞華

（大理州設(shè)計(jì)院有限公司，云南 大理 671000）

0 引言

由于強(qiáng)夯施工簡(jiǎn)單，加固效果好，使用經(jīng)濟(jì)，在加固工業(yè)、民用建筑、倉(cāng)庫(kù)、油罐、倉(cāng)庫(kù)、公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)跑道、港口碼頭等地基中的砂土、低飽和度粉土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等。

1 強(qiáng)夯法地基處理概述

1.1 基本概念

強(qiáng)夯法是利用起重機(jī)械將大噸位夯錘提升至6～30m，然后自由落下，對(duì)地基進(jìn)行強(qiáng)烈的沖擊能，使土體產(chǎn)生沖擊波，并造成較大的沖擊應(yīng)力，造成土體的孔隙壓縮，土體局部液化，在夯擊點(diǎn)附近形成一個(gè)很好的排水渠道，使孔隙水和氣體泄漏，使土體重新排列，經(jīng)過(guò)時(shí)效壓實(shí)，達(dá)到固結(jié)目的，從而提高基礎(chǔ)承載力，減小壓縮度。強(qiáng)夯法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：采用現(xiàn)場(chǎng)常用的簡(jiǎn)易機(jī)械，施工技術(shù)簡(jiǎn)便，適用于廣泛的土壤；可獲得高承載力，一般基礎(chǔ)強(qiáng)度可增加2～5 倍，在較低的變形沉降量下，可使壓縮系數(shù)減小2～10 倍，加固效果可達(dá)到6～10m；效率高，施工速度快，比換土回填、樁基礎(chǔ)縮短一半的工期；節(jié)省了資金，比回填節(jié)省了60%的成本。與采用預(yù)制樁基礎(chǔ)加固相比可以節(jié)約50%～70%的資金，相對(duì)于砂樁可以節(jié)約40%～50%的投資。

1.2 加固機(jī)制分析

1.2.1 動(dòng)力夯實(shí)

在非飽和土壤，尤其是孔隙多、顆粒粗大的土壤中，強(qiáng)夯擊能引起的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力通過(guò)土壤中的擴(kuò)散，引起顆粒的破裂或瞬時(shí)的相對(duì)移動(dòng)，使得孔隙中的氣泡快速地被排出或壓縮，孔隙體積變小，形成致密的結(jié)構(gòu)[1-2]。

1.2.2 動(dòng)力固結(jié)

強(qiáng)夯對(duì)飽和黏性土進(jìn)行強(qiáng)夯處理時(shí)，由于其強(qiáng)烈的沖擊力會(huì)引起土體內(nèi)部的大量應(yīng)力波，從而導(dǎo)致土體局部液化，形成大量的裂縫，從而增大了排水渠道，從而使得孔隙水能夠順利地滲出，當(dāng)超孔壓消失后，土體固結(jié)。由于軟黏土的觸變性，可以增強(qiáng)其強(qiáng)度，即動(dòng)態(tài)固結(jié)。

1.2.3 機(jī)制分析

對(duì)于滲水較弱的飽和軟土，強(qiáng)夯可以造成結(jié)構(gòu)的破壞，但很難將其快速消解，而在土體四周凸出時(shí)，其體積并未顯著減少，這是由于其強(qiáng)夯作用不大，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生橡膠土，故不主張使用。在飽和軟土中，對(duì)強(qiáng)夯的作用有很大的影響，如點(diǎn)擊能量的大小、土壤的滲透程度。有的學(xué)者提出，可以在土壤中設(shè)置袋式沙井，以提高土壤的滲透性，再進(jìn)行強(qiáng)夯。在這種情況下，其加固機(jī)制與動(dòng)態(tài)固結(jié)相似，或可采用動(dòng)力置換。動(dòng)力置換可分為整型和樁型兩種。前者是通過(guò)強(qiáng)夯法對(duì)碎石進(jìn)行整體擠壓，其作用機(jī)制與換土墊層相似；后者是利用強(qiáng)夯法將碎石填埋在土層中，形成樁基（或墩型），其工作原理與碎石樁相似，主要依靠砂礫內(nèi)部的摩擦力和墩間土層的側(cè)限來(lái)保持樁身的平衡，并與樁間土壤發(fā)生相互作用。

1.2.4 動(dòng)力置換

整式置換與換土墊層類(lèi)似，其將砂礫壓縮到泥沙中，以提高基礎(chǔ)質(zhì)量，而樁式置換法替換原理與振動(dòng)法等其他方法的原理相同，其作用原理是通過(guò)樁間土壤的邊限和內(nèi)部磨耗角度來(lái)維持樁的穩(wěn)定，并與樁間土壤共同構(gòu)成復(fù)合基礎(chǔ)，將部分砂礫打入軟黏土中，從而使其成為碎石樁。

1.3 基本特點(diǎn)

首先，強(qiáng)夯法施工工藝和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，通常僅需一臺(tái)吊裝設(shè)備和一件重型錘子，通過(guò)吊裝設(shè)備進(jìn)行吊裝，再將其自由下落，施工過(guò)程簡(jiǎn)單。其次，強(qiáng)夯法可以適用于各種不同的地基，適用于各種軟弱地基，尤其是對(duì)于砂礫類(lèi)的厚填筑地基，具有較好的處理效果。再次，對(duì)于山區(qū)未壓實(shí)高填方素填土區(qū)域強(qiáng)夯法加固效果更佳，性?xún)r(jià)比更高，通過(guò)夯擊法加固后，地基的強(qiáng)度得到明顯提高，可以有效地減少土體的壓縮和固結(jié)沉降，另外強(qiáng)夯法還可以有效地防止地震地區(qū)的砂土液化，減少或消除大孔隙土體的濕陷度。此外，強(qiáng)夯法施工速度快，施工效率高。有數(shù)據(jù)表明，單臺(tái)套設(shè)備設(shè)施每月可以處理5000～10000m2的地基，遠(yuǎn)高于樁基施工速度。最后，強(qiáng)夯法的經(jīng)濟(jì)性高，能夠大大減少地基處理過(guò)程中對(duì)于水泥、鋼材、木材等建筑材料的使用，相較于采用樁基方式進(jìn)行地基處理的方式，整體加固成本較低。

2 工程概況

2.1 工程介紹

云南省大理白族自治州建筑設(shè)計(jì)院，創(chuàng)建于1958年，是云南省大理州地區(qū)的主要技術(shù)力量。現(xiàn)持有國(guó)家建筑工程乙級(jí)資質(zhì)、工程地質(zhì)勘查乙級(jí)資質(zhì)、城市規(guī)劃丙級(jí)資質(zhì)、市政公用行業(yè)（給水、排水、道路、環(huán)衛(wèi)）設(shè)計(jì)丙級(jí)資質(zhì)、工程咨詢(xún)乙級(jí)資質(zhì)、工程監(jiān)理丙級(jí)資質(zhì)。多年來(lái)，大理州建筑設(shè)計(jì)院先后向社會(huì)遞交了許多具有較大影響力、較好的工程項(xiàng)目，其作品中出現(xiàn)了一大批具有時(shí)代特征、民族風(fēng)格和地域特征的建筑作品，深受廣大市民的好評(píng)，對(duì)大理州和滇西地區(qū)的勘測(cè)設(shè)計(jì)市場(chǎng)的發(fā)展和穩(wěn)定做出了重要的貢獻(xiàn)。多年來(lái)大理州建筑設(shè)計(jì)院處理了多處巨厚填方區(qū)，取得了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，由于大理州山區(qū)較多，可建設(shè)平地非常有限，很多建筑場(chǎng)地處于山區(qū)，由于地形的原因，經(jīng)過(guò)深挖和填平，地形變得很平整。但由于建筑工地周邊存在大量的填充物，使得建筑物的穩(wěn)固性很難得到保護(hù)，因此，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性及經(jīng)濟(jì)合理，有些場(chǎng)地非常適合采取強(qiáng)夯法進(jìn)行加固。

2.2 強(qiáng)夯法地基處理技術(shù)工藝原理及工藝流程

2.2.1 強(qiáng)夯法地基處理技術(shù)工藝原理

根據(jù)基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散原理，強(qiáng)夯處理范圍加固范圍要比地基的加固范圍大，而加固的具體范圍可以依據(jù)建筑物的種類(lèi)、重要程度等因素來(lái)確定。

2.2.2 強(qiáng)夯法地基處理工藝流程

強(qiáng)夯法的施工過(guò)程主要由下列9 個(gè)部分組成[3]：①對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行清理、平整。②在第一次施工時(shí)，把所有夯點(diǎn)的位置標(biāo)出來(lái)，并測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的高程。③吊裝裝置在適當(dāng)?shù)奈恢茫彦N子對(duì)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的夯點(diǎn)位。④在夯擊之前，測(cè)量錘頂高度[4]。⑤將重錘提升到規(guī)定的高度，當(dāng)重錘自由下落時(shí)，將吊鉤放下，重新測(cè)量錘頭的高程，如發(fā)現(xiàn)重錘有傾斜，應(yīng)立即進(jìn)行調(diào)整或整平。⑥依據(jù)工程設(shè)計(jì)中確定的夯擊數(shù)和場(chǎng)地管理規(guī)范，進(jìn)行夯擊點(diǎn)的夯擊。⑦反復(fù)進(jìn)行上述工序，直至所有的夯擊都已打完為止。⑧利用推土機(jī)對(duì)夯坑進(jìn)行填筑，并隨后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高度進(jìn)行測(cè)量。⑨在一定的時(shí)間之后，按照上述流程，依次進(jìn)行所有的夯擊次數(shù)，并以低能量充填法對(duì)場(chǎng)地表面進(jìn)行松實(shí)，并對(duì)處理完畢的場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量。

3 強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)、施工技術(shù)要求及關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

3.1 強(qiáng)夯參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的土壤條件及工程質(zhì)量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)方案，包括有效加固深度、單位夯擊能、夯點(diǎn)布置及間距、單擊數(shù)、夯擊遍數(shù)等。

（1）有效加固深度。有效加固的有效加固深度是反映強(qiáng)夯加固的有效措施，也是地基加固方案的主要依據(jù)。結(jié)合工程的設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，選擇了點(diǎn)擊能3000kN·m，有效加固6～8m。

（2）單位夯擊能。夯錘M（kN）與下落距h（m）對(duì)夯擊能及加固深度有較大的影響。因此，在進(jìn)行夯錘時(shí)應(yīng)將其作為單一夯能。單位夯擊能計(jì)算如式（1）所示。

式中：E——錘擊能量，kN·m；W——擊打重量，kN；h——擊打距離，m。依據(jù)該項(xiàng)目的地質(zhì)特點(diǎn)，采用3000kN·m的夯擊力，采用15m 的夯擊落點(diǎn)。

（3）夯點(diǎn)的布置及間距。將首次打夯地點(diǎn)標(biāo)記在平整好的工地上，并測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的高度。用紅膠帶標(biāo)示夯點(diǎn)處，以6m（兩夯中間間隔）為正方性排列，然后在第一次打夯處間隔處設(shè)置二次夯擊點(diǎn)。

3.2 夯擊次數(shù)

采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，確定了夯錘的夯擊數(shù)。在夯土堆附近，如果沒(méi)有明顯的凸起，則可以通過(guò)增大夯擊次數(shù)來(lái)降低擊穿次數(shù)。

3.3 夯實(shí)厚度

通常情況下，每側(cè)超過(guò)基礎(chǔ)外側(cè)邊緣的寬度應(yīng)為設(shè)計(jì)處理深度的1/3～1/2，不得少于3m。對(duì)可能存在的液化情況，各側(cè)超過(guò)地基外側(cè)的寬度不得低于處理深度。

3.4 有效加固深度

有效加固深度是指在經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理后，地基強(qiáng)度增加，壓縮模量增加，其加固效果明顯。自強(qiáng)夯法發(fā)明近30 年來(lái)，已有很多學(xué)者從不同的角度提出了多種方法，但是由于強(qiáng)夯作用的深度比較復(fù)雜，目前尚無(wú)一種計(jì)算方法能準(zhǔn)確地求出不同情況下的加固深度。有效加固深度可由式（2）計(jì)算。

當(dāng)前的有效加固深度與點(diǎn)擊能相關(guān)。但實(shí)際情況是，不同土層的不同厚度、埋藏順序、地下水位等因素會(huì)影響到強(qiáng)夯的有效加固深度，故必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)來(lái)確定[5]。

4 強(qiáng)夯法地基處理在施工中的應(yīng)用

4.1 強(qiáng)夯法地基處理應(yīng)用環(huán)境

強(qiáng)夯施工技術(shù)已被廣泛用于濕陷性黃土、碎石土、沙土等基礎(chǔ)上，特別適用于煤礦、公路、機(jī)場(chǎng)、建筑等領(lǐng)域的地基處理。對(duì)強(qiáng)夯法施工工藝進(jìn)行深入的探討，有利于規(guī)范運(yùn)用和推廣強(qiáng)夯法施工工藝。

4.2 強(qiáng)夯法地基處理應(yīng)用案例

本文結(jié)合一項(xiàng)基礎(chǔ)加固工程實(shí)例，探討了強(qiáng)夯法施工技術(shù)在工程中的運(yùn)用，以期對(duì)施工單位在該領(lǐng)域中的運(yùn)用有所裨益。本項(xiàng)目所處的土壤類(lèi)型為素填土、粉質(zhì)黏土、黏土和粗沙12 個(gè)單元，其巖性較為復(fù)雜，土質(zhì)均勻度較差，計(jì)算結(jié)果不能滿(mǎn)足施工需要。

根據(jù)Menard 修正公式，對(duì)不同類(lèi)型的土體進(jìn)行加固，采用修正因子獲得了精確的有效深度，從而確定了強(qiáng)夯法施工中的吊車(chē)的起重能力，并據(jù)此求出了不同夯能下的吊車(chē)的加固深度。按施工準(zhǔn)備、測(cè)量、放線(xiàn)、點(diǎn)夯、平整、全夯、平整、質(zhì)量檢驗(yàn)等程序?qū)嵤?qiáng)夯施工。在工程建設(shè)中，要明確強(qiáng)夯法施工工藝要求，加強(qiáng)強(qiáng)夯施工排水處理，做好強(qiáng)夯施工質(zhì)量檢測(cè)，確保強(qiáng)夯法施工規(guī)范有序進(jìn)行，切實(shí)發(fā)揮強(qiáng)夯法優(yōu)勢(shì)。

4.3 強(qiáng)夯法地基處理應(yīng)用效果

在工程建設(shè)中，施工單位采用強(qiáng)夯法處理地基，必須對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工狀況進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)工人的工作品質(zhì)有了一定的保障。在施工單位運(yùn)用強(qiáng)夯基礎(chǔ)施工技術(shù)的時(shí)候，可以充分注意操作指標(biāo)、機(jī)械設(shè)備的選取等工作，使施工質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的效果，使其最終的施工質(zhì)量達(dá)到建筑標(biāo)準(zhǔn)，從而為強(qiáng)夯施工和施工工作的質(zhì)量提供了更多的保證。

4.4 施工注意事項(xiàng)

在強(qiáng)夯法的施工中，必須注意下列問(wèn)題。①要把打樁次數(shù)控制在一個(gè)合理的區(qū)間，以提高打?qū)嵭ЧＲ话闱闆r下，必須依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)、土層特性、土壤質(zhì)地等因素來(lái)決定打樁次數(shù)。壓實(shí)次數(shù)一般為2～3 次，最后采用低能量全夯。而夯實(shí)次數(shù)的選取與回填土的結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，而在不同的土層中，夯實(shí)的次數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化。在充填區(qū)，如果土體是粗粒土，滲透力大，則要適當(dāng)降低打樁次數(shù)。在充填區(qū)，如果土壤中有大量細(xì)小的微粒，滲透性能不佳，就需要適當(dāng)?shù)丶哟蟠驑洞螖?shù)。②對(duì)夯擊能進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲购粨舻臄?shù)量保持在合理的水平。這并不是因?yàn)榇驑兜拇螖?shù)多了，就會(huì)有更好的效果。在工程建設(shè)中，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，確定夯擊的數(shù)量和能量，特別是要把地基的特性考慮在內(nèi)。一般說(shuō)來(lái)，夯擊次數(shù)一般為2～3 次，每次夯擊數(shù)必須達(dá)到最后兩次擊打時(shí)的平均夯沉量。點(diǎn)擊力低于4000kg/m2，夯沉量低于50mm；點(diǎn)擊能在4000～6000kN/m2的情況下，擊沉量不超過(guò)100mm。通過(guò)對(duì)夯錘和夯錘的正確控制，可以使建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)固性得到較好的保障，同時(shí)也能保證回填區(qū)的穩(wěn)定。③強(qiáng)夯工作是建設(shè)項(xiàng)目后續(xù)建設(shè)的重要保證，同時(shí)也是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全達(dá)到社會(huì)規(guī)范的重要保證。在工程建設(shè)和工程完工后，必須加強(qiáng)監(jiān)督和驗(yàn)收，特別是在工程竣工后，要加強(qiáng)監(jiān)督，以保證工程的質(zhì)量和質(zhì)量。④監(jiān)督人員對(duì)建筑工人的安全監(jiān)督也要納入監(jiān)督管理。強(qiáng)夯施工風(fēng)險(xiǎn)大，必須定期或不定期地對(duì)工人進(jìn)行操作，保證其安全防護(hù)用品的正常使用，并正確穿戴。

4.5 強(qiáng)夯地基的檢驗(yàn)

在完成了強(qiáng)夯加固后的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了承載力的檢測(cè)。在完成強(qiáng)夯置換后的基礎(chǔ)上，除了進(jìn)行荷載測(cè)試之外，還應(yīng)該采取動(dòng)態(tài)觸探等多種方法來(lái)確定其著底狀態(tài)和承載力和密度隨深度的變化。在強(qiáng)夯處理后，完成地基的承載力檢查，應(yīng)在工程完成后，每隔一段時(shí)間進(jìn)行，而礫石、沙質(zhì)地基宜為7～14d，粉土及黏性土壤基宜為14～28d。強(qiáng)夯法置換后的基礎(chǔ)間隔為28d。工程完工后的承載力檢查，要視工程的復(fù)雜性及工程的重要性而定。在復(fù)雜的場(chǎng)地和重要的建筑物基礎(chǔ)上，要增加檢測(cè)點(diǎn)。在強(qiáng)夯置換基礎(chǔ)加載試驗(yàn)中，對(duì)置換墩進(jìn)行著底檢查的次數(shù)，不得低于樁腳總數(shù)的1%。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著強(qiáng)夯法工藝水平的發(fā)展，地基加固處理工藝效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益明顯，能夠更好地適應(yīng)建筑工程地基處理要求，推動(dòng)建筑工程整體建設(shè)水平的提升。