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强夯法处理地基工程施工工法
(YJGF-06-91)
山西省机械施工公司

强夯法又称动力固结法, 是法国梅那尔公司于60年代后期创造的一种地基加固方法。它是在重锤夯实基础上发展起来的动力加固地基的新方法。70年代后期传入中国, 经过近20年在全国各地的推广应用, 证明其加固效果十分显著。
山西省机械施工公司从80年代开始在山西化肥厂等工程中应用, 随后又推广到长春、 大连、 重庆、 武汉、 上海、 河南、 深圳等地, 强夯能级从1000kN·m发展到8000kN·m, 处理过湿陷性黄土、 杂填土、 饱和粘性土等各类地基土数百万平方米, 均取得了良好的处理效果和经济效益, 获得了山西省科技进步一等奖, 为中国应用强夯法加固工程地基做出了贡献。
强夯法以其质量可靠, 造价低, 进度快, 节约三材, 经济效益显著等特点, 已广泛应用于工业与民用建筑、 公路与铁路路基、 机场道路及码头仓库等工程的地基加固, 成为国内处理地基的一种较好的实用方法。
一、 工艺原理
强夯法是应用功能转换的原理达到加固地基的目的。具体地说, 它是利用起重设备将几十吨(一般8—40t)重锤, 从几十米(一般6—40m)高处自由落下, 给土以强烈的冲击和振动。地基土在强大的冲击能的作用下, 土体强制压缩或振密; 土体局部液化, 夯点周围产生裂隙, 形成良好的排水通道, 孔隙水逸出, 经时效压密, 使土体重新固结, 从而提高了土的承载力, 降低其压缩性。
应用强夯法加固地基虽已经历了几十年, 实践证明是一种较好的地基处理方法, 可是还没有一套成熟的理论和完整的设计计算方法。根据国内外近十年来的研究成果, 土的强夯作用机理一般可归结为: 
非饱和类土: 以直观的加密使土体强度增加为主, 如黄土和一般的粘性土, 最典型的是湿陷性黄土, 经过夯击使土颗粒重新排列成致密结构体, 消除其湿陷性。
粉土和粉细砂类土: 夯击作用使土体加密和预液化, 从而提高地基土的承载力和抗液化能力。
饱和土: 强夯使空隙水压力瞬时升高, 随着水压力的消散, 土中自由水和部分弱结合水排出, 土体变得紧密, 随着时间的延续, 触变后的土体结构得以恢复, 使地基土得到加固, 对于饱和淤泥质土和粘性土, 可经过加填料(石块、 钢渣等)夯击, 增加土体骨架和排水通道, 这一措施无疑扩展了强夯处理地基土的适用范围。
二、 适用范围
当前, 国内外处理地基的手段很多, 其中强夯的适用范围最广, 适用的土质有: 各种高填土, 如素填土、 杂填土(建筑垃圾、 工业废料)、 粘土、 黄土、 湿陷性黄土等; 饱和砂土、 粉土等可液化土, 淤泥质土, 饱和粘性土等。对于后一类土在正式强夯前须先做试验, 证明确有实效时也可采用。
采用强夯处理地基, 需要考虑其振动对附近建筑物的影响, 必要时应采取隔振、 防振措施, 以及城市对噪音的控制问题。
三、 工艺和参数
根据工程地质勘察报告与建筑物的设计要求, 施工前应对地基加固方案进行初步设计, 包括加固的工艺与主要的技术参数, 并进行试夯, 检验与修正技术参数, 方可正式施工。
(一)工艺
强夯法夯击过程为先对有一定间距的单点(主夯点)进行夯击, 后对整个场地挨点满夯。
(二)参数
1.强夯加固地基的有效(影响)深度
(缺公式)

M——锤重(t); 
h——落距(锤底至起夯面距离) (m)。
2.强夯能级(指单点夯击)
E=W·h (kN·m)
W——锤重(kN); 
h——落距(m)。
3.单点锤击数
对单个夯点, 一次连续夯击次数。
击数控制标准如下: 
(1)夯坑标高控制: 打到要求标高或夯坑达到某一深度, 以至不好继续操作(粘锤、 埋锤), 此击数时形成的标高。
(2)贯入度控制: 夯到最后一击, 或最后三击的平均贯入度, 小于或等于一定数值时的击数。
a.较硬土、 湿陷性黄土、 砂性土3—5cm。
b.软弱土5—10cm。
c.对于饱和软粘土, 淤泥质土以及大能级强夯而相应的锤底面积小的情况下, 贯入度达20—30cm。
(3)地面发生较大隆起(一般不超过30cm)或夯坑内出现溢水等情况时, 需停止夯击。
4.满夯的锤击数
对每个夯点连续夯击数一般为3—5击。
5.夯击遍数
以一定的连续击数, 对整个场地的一批点, 完成一个夯击过程叫一遍, 单点的夯击遍数加满夯的夯击遍数, 为整个场地的夯击遍数。
(1)单点的夯击遍数: 
除坚硬土和粒料土外, 一般都有孔隙水压力的消散和土体恢复问题。这两个因素是控制强夯遍数的主要因素, 一般含水量大的遍数较多。对在夯击过程中有填料要求的饱和软土的遍数也较多。夯坑过深, 需在坑内填满料, 再在原点夯击, 这种情况也增加了遍数。
(2)满夯的夯击遍数, 一般为一至二遍。
四、 强夯施工
(一)场地整平及标高要求
(1)为便于机械行走和施工, 强夯场地整平应大于强夯布点范围, 以夯点外边缘向外扩3—5m或以外排基础边扩8—10m, (图1)如在挖填方地带施夯, 需考虑放坡。

图1 强夯场地整平及标高要求
(2)强夯场地的标高, 以所夯建筑物的基础底标高, 加预留夯沉深度来定(图1)。夯沉深度与地质情况, 能级等有关。此值可参照已完工程暂定, 经过试夯确定。
(二)夯点布置
按建筑面积均匀布点时, 以最外围基础中心线或外边线算起, 增加一排夯点。
按基础位置相应布点时, 同上或按基础持力层厚度一半扩出。
布点形式和间距依地质情况、 能级和夯锤面积等定。为更好的达到设计要求, 多数情况需试夯确定。
(1)单点间距一般为1.5D—2.5D(D为锤底直径), 呈正方形、 梅花形和等边三角形布置(图2)。
(2)满夯为挨点错位相切(图2)。

图2 夯点布置形式
(三)试夯
根据设计指标和地质报告, 参照有效影响深度公式、 结合实际经验, 首先确定试夯能级, 然后选择不同的锤底面积、 布点间距、 施工顺序、 夯击遍数、 单点夯击数等。夯后经过测试, 得出满足设计要求的最佳数据, 确定施工工艺和参数。有条件时, 对含水量较大的地基土。为能提供各遍准确的间隔时间, 最好做孔隙水压力消散试验。
试夯场地可选在本工程场地内或附近, 有经验时也可在工程开始部分安排试夯。

(四)施工程序
施工程序如下:


五、 施工机具
(1)起重设备: 为强夯的主要机械, 一般额定起重能力为夯锤重量的1.5—3倍, 中国大都用履带式吊车改装。根据工程所采用的夯锤和起重高度来选用起重机的型号。可单机作业, 也可主、 副机(移锤)联合作业。
(2)门架: 由横梁和二个支腿组成, 支腿的结构形式有格构式或管式。门架上部横梁中心绞接于吊杆顶部。
(3)脱钩装置: 由带拉杆的吊钩和滑轮组成, 配上牵引钢丝绳, 当夯锤起到规定高度时能自动脱钩落锤。
(4)夯锤: 夯锤的选择系根据土质条件、 设计要求和强夯能级决定。夯锤重一般为80—400kN。设数个上下贯通的通气孔。夯锤的材质为铸钢、 铸铁或钢壳包混凝土几种。其锤底形状多为圆形, 锤底面又有平底、 锅底、 球形等, 地面投影面积一般为4—8m2。
(5)推土机: 是强夯必不可少的辅助机械, 作为场地整平压实之用。
六、 劳动组织
(1)起重工: 1000— kN·m配4人; 
3000—4000kN·m配5—6人; 
5000kN·m以上配6—7人; 
填料工若干人(指需填料强夯)。
(2)起重机车司机: 2人。
(3)推土机司机: 1—2人。
(4)机修工: 3人。
(5)测量工: 1—2人。
(6)其它管理人员和工人依工程情况可作必要的调整。
七、 质量保证措施
(一)强夯中需要测定的数据
(1)夯前的场地标高, 各遍夯后整平标高。
(2)各遍夯点最后三击的夯沉量, 计算出夯坑的总下沉深度, 各遍在整个夯区内均匀的选一定数量的点测每一击的下沉量, 作为与试夯比较和检测参考、 满夯只在开始时, 以贯入度控制, 得出锤击数, 以后以此数为准施打, 不再作测量。
(3)强夯中若发现地面变化较大时, 需作隆降观测。
(4)强夯形成的夯抗直径, 主要在试夯时测定, 作为计算土体压缩及填料量的参考。
(5)对有填料要求的强夯, 需记录各夯坑的填料数量。
(二)施工要求
(1)施工前必须用仪器, 准确放出夯点中心位置, 并划出圆圈, 施夯时对点要准。
(2)必须按规定的起锤高度、 锤击数和控制指标施工, 不得随意改变。
(3)施工中如发现偏锤, 应重新对点。
(4)施工中如发现歪锤时, 需用填料(或土)将坑底垫平, 才能继续施夯。
(5)如遇夯锤的通气孔堵塞, 应立即开通。
(6)表层土过干(特别是满夯)应采取增加含水量的措施。
(7)雨期施工, 要防止雨水浸泡现场, 夯坑内有积水应及时排出后方可施工。
(8)强夯中的满夯是重要的一环, 必须精心施工, 否则表层质量不好, 将造成建筑物沉降过大和发生不均匀沉降。冬期施工时, 不宜进行满夯。
八、 交工验收
施工完毕, 建设单位以施工现场交工资料和检测试验报告进行验收。
交工资料包括: 竣工图、 施工记录、 各种观测数据、 各阶段标高数值。
九、 安全措施
(1)由于强夯机组高大, 稳定性较差, 因此对施工场地要求较严, 不得软硬不匀, 不得有虚填坑洞和浅层墓坑。
(2)强夯时有土块石子等飞出, 现场人员必须戴安全帽。吊车上应安装防护网, 非施工人员不得进入现场。
(3)应随时注意检查机具的工作状态, 经常维修和保养, 发现不安全之处应及时处理。
(4)在强夯施工区附近有建筑物时, 应经常观察振动的影响, 对较近的建筑物应挖防震沟, 其深度应超过该建筑物的基础深度。
(5)强夯机械使用交流电源时, 应特别注意各用电设施的接地防护装置, 施工现场附近有高压线路经过时, 必须根据机具的高度、 线路的电压, 详细测定其安全距离, 防止高压放电, 发生触电事故。
十、 加固效果检验
(1)强夯法处理地基后, 由检测得出夯后地基土的各项物理力学指标。其指标主要是地基土的承载力, 对饱和粘土还要提出压缩模量。对湿陷性黄土, 要测出消除湿陷的深度, 对于液化地基土应测出消除液化的深度。
(2)检测点布置在夯点上和夯间: 强夯过的场地较均匀, 可取少量点检测。为检测结果更可靠, 在夯打过程中发现的较软弱区域可多布点。
(3)夯后开始检测的时间, 根据土质情况决定。砂质土可在竣工后一周左右或立即检测。含水量在塑限左右的粘性土, 可在2—4周或稍长一些时间检测, 饱和粘土要视孔隙水消散时间而定, 淤泥质土要视孔隙水消散时间及土体恢复而定。后两种土开始检测时间一般较长。
(4)强夯测试手段有静载荷试验、 动力触探、 标准贯入、 静力触探、 旁压、 土工试验等。可选一种或数种方法检测。
含水量低的地基土、 饱和砂类土、 可选标贯。湿陷性黄土用静探与探井取样做土工试验两手段结合。夯后场地一般不做载荷浸水试验。饱和粘土、 淤泥质土应以标贯为主, 配合静探分析(单独使用静探则结果偏低)、 碎石类土用重(2)测试。对各类地基土均可用静载荷试验, 但费用高, 一般场地不宜采用。
十一、 经济效果分析
对各种不同类型地基的地质条件, 强夯所产生的效果不同, 但总的特点是节约三材, 缩短工期, 效果明显, 造价低。强夯比碎石桩、 混凝土灌注桩、 预制桩、 换土、 灰土桩、 砂桩等可节约投资30%左右。由于施工进度快、 早日投产所产生的社会经济效益就更大了。
下面列举三个工程的经济效果: 
(1)河南孟县电厂处理湿陷性黄土, 原设计为挤密碎石桩, 需费用55万元。改为3000KN·m强夯后费用仅用35.4万元, 降低造价约1/4。工期提前两个多月, 按一个月计算, 发电带来的直接效益约60万元。
(2)吉林长山热电厂第五期扩建工程主厂房湿陷性场地, 原计划采用预制桩费用112万元, 采用强夯后为34万元。桩基为强夯费用的3.29倍。强夯总工期54天, 比桩基预计工期缩短1/3。
(3)神头第二发电厂6000m2冷却塔地基强夯试验及工程夯, 此冷却塔为国内当前底面积最大, 高度最高的水土结构, 塔身高125m, 上部结构对地基土的承载力、 变形和浸水后的湿陷量均有很高要求, 采用3000KN·m强夯处理, 与桩基相比节约投资50%。
十二、 工程实例(表1)
表1 工 程 实 例

执笔 程淑蒂、 王雪官