地基处理强夯

一、前言
强夯法处理地基是上世纪60年代末由法国Menard技术公司首先创用的。

开始时仅用于处理砂土和碎石地基，后来由于施工方法的改进和排水条件的改善，逐步推广应用到细粒土地基，到现在为止强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。

对于高饱和度的粉土和粘性土，当采用在夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料进行强夯置换时，应通过现场试验确定其适用性。

强夯法由于具有加固效果显著、适用土类广、设备简单、施工方便、节省劳力、施工期短、节约材料、施工文明和施工费用低等优点，很快就传播到世界各地。

我的国强夯技术经历了以下几个重要发展阶段：
第一阶段，自引进到80年代初.本阶段工程应用的强夯能级比较小，一般仅为1000kN.m ，处理深度5m左右，以处理浅层人工填土为主。

第二阶段，80年代初到90年代初。

本阶段，我国在山西潞城兴建国家重点工程山西化肥厂，为了消除本场地黄土地基的湿陷性并提高地基承载力，国家化工部适时组织有关单位开发了6250kN.m能级强夯并用于本场地地基处理，使强夯的有效处理深度提高到了10m左右，强夯的应用范围也得到扩展，强夯技术日臻完善。

第三阶段，90年代初到2002年，本阶段以兴建国家重点工程三门峡火力发电厂为契机，成功开发了8000kN.m 能级强夯，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到15m，此后，高能级强夯技术发展迅速，应用范围进一步扩大，包括茂名乙烯、贵阳龙洞堡机场、上海浦东机场、广西防城港九、十泊位陆域工程在内的许多国家重点工程都采用了强夯地基处理技术，取得了预期效果，为国家节省了大量投资。

第四阶段，为2002年底至今，为了处理高填方地基，试验开发了10000kN.m能级强夯，经检测，10000kN.m能级强夯有效处理深度超过了12m，强夯技术取得了较大突破，缩小了与国外先进技术的差距。

目前强夯工程最高应用能级已经达到16000kN.m。

为了更进一步扩大强夯的应用范围，在强夯技术的基础上，还形成了强夯置换和柱锤冲扩等新技术。

强夯因土的类型的不同，强夯加固的机理亦有所不同。

对于粗颗粒、非饱和的土体，通过强夯法，给土体施加动力荷载，夯击能使土的骨架变形，土体孔隙减小变得密实，非饱和土的夯实过程，就是土中的空气被挤出的过程。

由于提高了土的密实度，使土体抗剪强度提高，压缩性减小。

因此强夯法加固处理多孔隙、
粗颗粒、非饱和土体，其机理实质是动力密实。

对于饱和的细颗粒土，强夯法处理机理则为动力固结。

当巨大的冲击能量施加于土体后产生很大的应力波，存在于土体中的微气泡体积压缩，从而使土体体积得到压缩，土体体积压缩后孔隙水压力增加，增加至上覆压力值时，土体产生液化（局部液化），之后土体结构遭到破坏，使土体产生很多裂隙，改善土体透水性能，使孔隙水顺利逸出，待孔隙水压力消散后，土体固结，强度提高，压缩性减小。

在强夯施工中，主要是土体的加密，土有其三相性，在加固过程中要注意土体的含水量，土体达到其最大的密实度要在其最优含水率的时候，因此要想强夯的效果理想就必须要控制土体的含水量。

在强夯的同时，夯坑中可置入碎石，强行挤走软土，即强夯置换。

强夯置换可分为整式置换和桩式置换，如图所示。

整式置换是通过强夯把碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层；桩式置换是通过强夯将碎石挤入土体中，并形成碎石桩（墩），形成的碎石桩(墩)与桩(墩)间土一起构成复合地基，共同承受外荷载，抵抗变形。

（a）整式置换（b）桩式置换
动力置换类型
强夯法虽然已在工程界得到广泛的应用，但至今尚无一套非常成熟的设计计算方法，目前通常是针对工程情况根据经验初步选定设计参数，再通过现场试验的验证和必要的修改后，最后确定出适合于现场土质条件的设计参数。

强夯法的主要设计参数包括：有效加固深度、夯击能、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等。

二、强夯有效加固深度的计算
有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数。

但是其影响因素又复杂多变，人们对其进行了大量的试验研究和论证，提出了许多的计算方法和公式，然而到目前为止现场检测有效加固深度的方法和标准还不一致，还没有形成一套完善的理论和设计计算方法。

本文将对比几种计算
强夯有效加固深度的方法、分析影响有效加固深度的主要因素。

① 强夯法创始人梅那（Menard ）提出了用下列公式来估算影响深度H ：MH H α=，式中：Z 为强夯有效加固深度；M 为夯锤的重量；H 为落距；α为与土类有关的修正系数，碎石土和砂土39.06.0-=α，粉土粘性土湿陷性黄土35.05.0-=α。

从梅那提出的公式中可以看出，影响深度只和夯击能有关系，即夯锤的重量与落距有关系，但是从现场实际的检测结果来看影响深度并不是简单的由夯击能所决定的。

如我单位在某项目做的12000KN ·m 的强夯工程，场地为回填碎石土，按此公式有效影响深度至少为13.5m ，但是实际瑞利波检测到有效影响深度只有10m 左右，由此可见梅那公式还需要进一步进行完善。

②在此后经过实际的研究BILLAM 又提出了新的公式：2D MHk Z =；式中：Z 为强夯有效加固深度；M 为夯锤的重量；H 为落距；k 为折减系数，与土的种类和初始密度有关，一般取0.10~0.16；D 为夯锤地面直径。

在式中表明夯击能是有效加固深度的主要因素，锤底面积对影响深度也有影响。

还是在上述工程中能级为12000KN ·m ，场地仍为碎石土，按BILLAM 的公式计算的有效影响深度最小为19.2m ，与检测结果的10m 左右仍存在一定的差距。

由此可见BILLAM 的公式仅仅能用于一定范围内的有效加固深度的计算，并不能适用与所有强夯的有效加固深度的计算。

③我国的张利洁等根据现场的实测结果并结合加固前后土性指标的对比提出了下面这个公式：e e e Z Z -+∆=001，式中Z 为有效加固深度；
Z ∆为夯沉量；0e 为加固前土的孔隙比；e 为加固后的土的孔隙比。

本方法基于动力
压密的机理，适用于以动力压密作用为主的无粘性土。

但是要对夯前夯后土做较严密的土工实验，以获得孔隙比的参数。

④基于室内土工试验的经验公式除了考虑机具影响因素外还考虑了土性参数的影响，费泽香等提出了下面的计算方法：
)1(1032ωγ-=d D HN M Z ，式中Z 为强夯有效加固深度；M 为夯锤的重量；H 为落距；N 为每遍的击数；D 为夯锤底面直径；d γ为土的天然干容重；ω为土的含水量。

在公式中可以看到除了夯击能、锤底面积、每遍击数、土性指标中的天然干容重
和含水量对加固深度也有影响。

⑤简化理论分析法是基于解析的理论分析来建立强夯效果的预测性分析公式，主要用来评价有效加固深度。

这类分析主要有两类：一类是有动力学原理、功能原理等理论或试验确定锤与土之间接触面上的应力，用弹性静力学公式来求解动应力的扩散，用附加应力达到某一临界值的深度定义有效加固深度，可称为应力法；另一类是从冲击波及能量的传播和消耗规律来推导有效加固深度的计算公式，可称为能量法。

等效拟静力法是一种将夯击力视为等效拟静何在，从引起等效塑性沉降的角度看，该等效拟静力应达到或超过地基的极限荷载。

其基本假定为强夯拟静压力引起的拟静附加应力达到土自重应力0.2倍处深度以内，土体才产生塑性变形，此深度即为强夯地基的有效加固深度。

由此导出强夯有效加固深度为：D bp d ap Z e w
e /2.0)(2.0''+--=γγγ，其中
320)1(D
c MH KE p e νη-=，)(0
d d E E E K -=。

式中Z 为强夯有效加固深度；M 为夯锤的重量；H 为落距；
e p 为等效拟静压力；η为考虑机具摩擦、空气阻力、弹性变形等能量损耗效率系数：一般可取为0.67；w d 为地下水埋深；γ、'γ为水上土的天然容重和水下土的有效容重；a 、b 为常数，对圆锤a=0.135、b=0.024，对方锤a=0.167、b=0.029；c 为锤形常数，对圆形锤=为0.62，对方形锤c 为0.89；D 为锤直径；0E 为地基变形模量；d E 为等效弹性模量；K 为模量系数；ν为土的泊松比；此外成层土地基的0E 、u 、K 可按土层厚度取加权平均值。

在本公式中考虑到了强夯施工中大部分施工参数，其计算的精度也相对较高，但是作为强夯施工要确定如此多的参数也是比较困难的，也是较为复杂的，在一般的施工中中也很难采用这种计算方法。

上述计算方法考虑有效加固深度影响因素的时候是从机具设备与土性两个角度去考察，不过侧重点不一样。

在机具方面，单击夯夯击能直接影响有效加固深度，但是在单位夯击能未达到最佳夯击能的情况下夯击击数的增加也会导致有效加固深度的变大；另外夯锤的形状与几何尺寸对夯击效果也有影响：同等条件下圆形锤可以克服方形由于上下两次夯击着地不完全重合以及着地倾斜引起的夯击能量损失而加固深度更大；同等条件下锤底面积小的夯锤由于单位面积受力
较大有效加固深度大于锤底面积大的加固效果。

在土性方面，土的泊松比、模量、孔隙比、容重、含水量、地下水位的埋深等因素都会对加固深度有影响，但是考虑到一般土性的强夯加固是动力密实作用的结果，与土体密实程度直接相关的孔隙比、天然干容重的影响更为显著，一般来讲天然干容重大、加固前孔隙比小的土相对比较密实可压缩空间小有效加固深度也就小。

下表是对几种计算方法的比较：
几种计算方法的对比
在实际施工过程中有的时候因为条件不允许，就不能以上所述的方法进行计算有效加固深度。

影响强夯有效加固深度的因素很多，除了夯击能量外，还同土的阻尼性质、夯锤的形状、锤底的单位压力、土层孔隙中存在的气体和空气，不同土层的埋藏条件，地下水位状况、夯击次数等不同有关，因此，目前还没有任何一种计算方法可精确地计算出各种不同地质条件下的强夯影响深度。

强夯法的
有效加固深度应根据当地经验并经现场试夯确定。

为便于工程施工，建筑地基处理技术规范《JGJ79-2002》将土质分成粗颗粒土和细颗粒土两类，推荐了在各级单击夯击能的有效加固深度，不再推荐使用上述公式，这时有效加固深度也可根据下表预估：
强夯有效加固深度经验值
注：强夯的有效加固深度应从起夯面算起。

三、强夯夯击能的确定
强夯夯击能可以根据场地及处理效果来确定。

强夯的单位夯击能量，应根据地基土类别、结构类型荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。

在一般情况下，对于粗颗粒土可取1000～3000KN·m/m2；细颗粒土可取1500～4000KN·m/m2。

夯击能只与夯锤的质量和夯锤的起升高度有关系，一般来说夯锤的直径不会大于2.5m并且底面多为圆形（在国外也有采用方形锤和多边形锤，锤的底面宜对称设若干个与其顶面贯通的排气孔，孔径可取250～300mm）。

在实际施工过程中要达到同一夯击能有两种方式：一种是重锤低落距；另外一种就是轻锤高落距。

为此也出现了争议，两种施工方式哪一种处理的效果更好一些？通过对常规方法确定强夯施工参数及下落锤体对地基土体冲力作用的研究，指出在同一单击能量情况下，采用重锤低落距处理地基工程优于轻锤高落距强夯方案。

但是在施工中如果一味的要求重锤也是不现实的，毕竟施工机具的起升能力有限。

只能在条件允许的情况下，尽可能的采用重锤。

从理论上讲，在最佳夯击能作用下，地基土中出现的孔隙水压力达到土的自
重压力，这样的夯击能称最佳夯击能。

因此可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。

在砂性土中，孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟，因此孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系来确定最佳夯击能。

夯点的夯击次数，可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，应同时满足下列条件：①夯坑周围地面不应发生过大隆起；②不因夯坑过深而发生起锤困难；③每击夯沉量不能过小，过小无加固作用。

夯击次数也可参照夯坑周围土体隆起的情况予以确定，就是当夯坑的竖向压缩量最大，而周围土体的隆起最小时的夯击数（隆起产生的主要原因有：①夯击能级偏大，对于土层下有硬层的地质，夯击能太大能量就不能全部向下传递，有一部分能量将会反弹回来，造成能量对夯坑周围土体的挤压，从而产生隆起；②夯锤不能垂直的落下，当夯锤落下时是偏的，夯击能也要向周围传递，造成对周围土体的挤压；③土体中包含有一层比较厚的粘性土层时，当有较厚的粘性土层时，能量也是不能很好的向下传递，挤压粘性土时，粘性土会产生回弹造成隆起；总之当夯击过程中土体产生比较大的隆起时就说明存在夯击能的浪费，这也就是说加固土体时不是能级越高取得的加固效果越好）。

湿陷性黄土的含水率是决定强夯能级及强夯效果的首要因素，按处理厚度H 内土层的天然含水率w 适宜强夯的程度依次分为“优”、“良”、“可”三类含水 率范围：
（1）最适宜强夯的土层含水率范围为“优”类：
⎪⎩⎪⎨⎧=≤-%
20~12%2w w w op （2）较适宜强夯的土层含水率范围为“良”类：
⎪⎩⎪⎨⎧=≤-%
22~10%4w w w op （3）可采用强夯的土层含水率范围为“可”类：
⎪⎩⎪⎨⎧=≤-%
24~8%6w w w op 注：分类时应按“优”、“良”、“可”次序最先符合者确定。

在粘性土中,可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能;砂性土中,可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数的关系来确定最佳夯击能。

夯点的夯击次数,
可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定,并应同时满足下列条件：①夯坑周围地面不应发生过大隆起；②不因夯坑过深而发生起锤困难；③每击夯沉量不能过小,过小则无加固作用。

对于高饱和度的粉土、新饱和填土强夯，可采取：①适当将夯击能量降低；
②将夯沉量差适当加大；③填土采取将原土上的淤泥清除，挖纵横盲沟，以排除土内的水份，同时在原土铺50cm的砂石混合料，以保证强夯时土内的水分排除，在夯坑内回填块石、碎石或工业废矿渣等粗颗粒材料，进行强夯置换等措施。

雨季填土区强夯，应在场地四周设排水沟、截洪沟，防止雨水流入场内；填土应使中间稍高；土料含水量应符合要求；认真分层回填，分层推平、碾压，并使表面保持1%~2%的排水坡度；当班填土当班推平压实；雨后加紧排除场地内积水，推掉表面稀泥和软土，在碾压；夯后夯坑立即推平、压实，是高于四周。

四、夯击遍数的选择
夯遍数应根据地基土的性质确定。

由粗颗粒土组成的渗透性强的地基夯击遍数可少些。

设计强夯遍数可根据土层含水率、超孔隙水压力消散速度、拟处理土层厚度等因素综合确定，一般需强夯2~4遍。

含水率较高的细粒土、拟处理土层较厚时，宜选用两遍以上的多遍强夯。

像碎石土、砂土、杂填土或非饱和的粘性土夯击遍数就较少。

当加固深度要求不是很大时，为提高施工效率，有些工程亦采取一遍成夯工艺。

反之，由细颗粒土组成的渗透性弱的地基，夯击变数要求多些（主要是考虑孔隙水压力消散问题）。

强夯的工艺特点从宏观上将是先加固深层，后加固中、浅层。

在强夯试验中显示，单击夯击能、夯击次数和土质相同条件下，群夯的加固深度小于单点夯。

这主要是由于群夯时夯点间应力扩散相互交叉影响的群夯效应所至。

为了最大限度的减少群夯效应，提高加固深度，工程中多采用分遍强夯工艺。

即在夯点的布置方式上分主夯点、次夯点及插夯点。

在工艺流程上先夯主夯点、后夯次夯点和插夯点。

一般主夯点的间距较大，单击能量较高，夯击次数较多。

而后夯点和插夯点的夯间距、单击夯击能和夯击次数逐渐较少。

其次夯击遍数还和夯击的能级有密切的关系：能级越高夯击的遍数就越多，高能级的强夯主夯点的间距就比较大，一般在10m左右，主夯点就要分两次进行施工（如果主夯点施工时，夯坑较深时，还要进行一遍主夯点的原点加固），还有中间的插点夯（根据情况而定：对于细粒土，由于孔隙水压力消散的
比较慢，故采取两遍进行施工；对于粗粒土，孔隙大孔隙水压力消散较好，所以可以考虑采取一遍进行施工），此外表层的土由于点夯的施工变得松散，因此还要进行满夯，用以密实表层松散的土（一般情况下满夯一次完成，也可以根据实际情况分多次进行）。

由此可见强夯工艺的施工遍数和强夯的能级有密切的关系。

综上所述，对夯击遍数应加以区分，一般来说采取上述的“点夯”（即所谓隔行或隔点的夯击顺序）工艺称之为强夯遍数。

因各夯点不能一次性全部施加夯击次数而采取的分遍应称为复夯遍数，可以统称为夯遍数。

五、间隔时间的确定（孔隙水压力消散时间间隔）
地基土的可夯性主要取决于地基土孔隙水压力消散的性质，为利于土中超静孔隙水压力的消散，两遍夯击之间应有一定的时间间隔，称为遍间歇时间。

该间隔时间取决于超静孔隙水压力的消散程度，一般以超静孔隙水压力的消散速率达到75%为进行下一遍强夯的标准。

土中超静孔隙水压力的消散速率则与图质类别、夯点间距等因素有关。

一般可在试夯前埋设孔隙水压力传感器，通过试夯确定超静孔隙水压力的消散程度，从而决定两遍夯击之间的间隔时间。

当缺少实测资料时，地基处理规范推荐，对于粘性土地基遍间歇时间不小于三至四周。

实践表明对于饱和度较高的软土地基，夯后时效期超过一两个月，其强度的恢复还是不理想。

加固效果不佳。

因此对于细颗粒的高饱和度软土地基，为改善其孔隙水压力消散效果，有人主张夯前在地基土中预先打设竖向排水体-----砂桩、袋装砂井或塑料排水板。

曾在济南机场粉土地基中打设直径400mm砂井，在郑州军用机场粉土地基中打设塑料排水板，在江阴钢厂的饱和粘土地基中打设塑料排水板。

夯后测试与未打设竖向排水体的地基相比，其效果不明显。

对于细颗粒饱和度较高的粘性土（液性指数大于0.4时），采用普通压密强夯工艺当慎重。

由于对这种土即需要考虑多遍夯，又需要考虑较长的遍间歇时间，其多数工程的工期是不允许的，同时还顾虑到加固效果的好坏，在这种情况下可考虑采用强夯置换法。

实践还表明，对碎石土、砂土即使处在水位以下也不会发生孔隙水压力问题，饱和度较低（含水量较低）的粘性土、粉土、杂填土、湿陷性黄土，由于夯击所引起的孔隙水压力较低，亦可不考虑间歇时间。

孔隙水压力消散的好与坏直接影响到了工程的施工质量，孔隙水压力消散的好可以充分的密实土体，反之消散的不好，由于孔隙水占据了一定的空间就不能起到应有的效果。

认为满夯能
量越大越好，满夯击数越多越好，是一个误区。

对于含水量偏低的表层土来说，过度满夯会造成扰动层过厚的缺陷。

对于含水量偏高的表层土来说，过度满夯会产生“橡皮土”问题（我们通常说的橡皮土是因为土体中可压缩的空间已经很小了，在继续夯击只能是使土体产“生振动液化“，使土体达到一定的流塑性，从而形成”橡皮土“；众所周知土体有三相性，即固、液、气三相，其中可被压缩的只有气体所占据的空间，在夯击过程中气体空间被压实，还存在水，一般加密后是存在超孔隙水压力，如果土层含水量很高且超孔隙水压力消散不好就进行夯击，这就会使土体达到其塑限，产生“橡皮土”）。

为了避免土体出现“橡皮土“的问题，可采取以下措施：①要确保消散期足够长以消散绝大部分孔隙水；②对于难以消散地质可采取一定的辅助消散的措施；③现场的排水设施要完备，以免在夯间雨季施工中造场地积水，使土体的含水量增加；④不可过度的夯击，如发现有此类倾向可填加较干燥的土料在进行夯击；⑤对于土体中含水量已经很高的土体，可进行降水处理或换填含水量高的土层。

六、夯击次数的确定
夯点的夯击次数是强夯设计中的一个重要参数，不同土质的夯击次数亦不同。

对于单个夯点来说，是先加固浅层后加固深层，试验表明，当夯锤与地面瞬间接触时，与锤底接触土体的竖向压缩量最大，锤下土体竖向变形的深度不断加大，当达到某一夯击次数后，就不再随着夯击次数的增加而加大。

这个夯击次数称之为饱和夯击次数或饱和夯击能。

夯击次数一般通过现场试夯确定，对于饱和度较低的土常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定原则，可从现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定。

但是工程中常以控制最后两击平均夯沉量不大于某一数量为停锤标准（规范中有具体的规定）。

对这类土希望尽量将夯击次数连续施工，以减少复夯时的剪切能量消耗。

对于饱和度较高的细颗粒土，夯击次数的确定应以夯坑周围地面不发生过大的隆起为依据（一般隆起量不大于夯坑体积的1/3）。

因为隆起量过大，说明当减少夯点的夯击次数时，其锤击夯沉量较大，就是说夯击次数远未达到饱和。

这时可采取复夯工艺措施，即在同一夯点上分遍夯，直至达到饱和锤击次数。

但有时则是因夯坑过深发生起锤困难而采取分遍复夯主要是为了便于施工。

提到隆起还存在一个有效夯实系数的问题，有效夯实系数最大的对应。