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强夯法加固地基在工程施工中的应用

1 引言
我国地域辽阔，土质情况复杂，而多粉细砂或杂填土软弱地基，该种情况地基在施工中的处理不当，常常造成建筑物不均匀沉降，致使建筑物遭到不同程度的破坏，在原来的施工中，多采用土夹石灰土换填分层夯实地基的方法，以减少其沉降的可能，但存在劳动强度大、工作效率低、对地基夯实影响深度小的问题。而由法国的梅那尔在1965年首先创用以来的强夯法加固地基施工方法，因为其工程造价低、施工工艺简单、施工效果明显、施工工期短的优点、不受季节性施工限制，尤其是该施工工艺对回填土为杂填土，回填土深度较深的工程项目尤其为实用的特点，在国内外已经广泛的得到了应用。某会展中心工程，因其地质条件不均匀、回填土深度深，地下存在较厚流沙层，若在施工中采用负摩擦桩，其桩径过大，存在工程造价高、因桩径过大引起沉降不均匀的缺点,而采用换填后分层压实，因其场地面积大，回填深度大（最深处达到8－9m）等问题，存在工程造价高，施工时间长的缺点。故施工中采用先进行强夯加固地基处理后，独立柱基础的施工工艺。
2 工程概况及工程地质条件简介
2.1 工程概况：
某会展中心工程，建筑面积38000多m2，该处原为两道河道，回填深度较大，地下水位较高，该工程强夯面积约为40000 m2，其中该工程外墙边线7m范围内面积约为25000 m2设计承载力为250kpa，其余附属设施设计承载力为160kpa。
2.2 工程地质条件：
该工程位于xx地区，原地貌属于冲洪基地貌，地形起伏较大，最高落差约为5m。地层以山前冲洪积物为主，下伏强风化火山角砾岩或强风化泥岩，自上而下可分为：
素填土：含建筑垃圾及生活垃圾，厚度约为0.5---4m。
粉质粘土：可塑，天然承载力fk=190kpa,厚度约为0. 6--7.1m。
中砂：天然地基承载力标准值fk=140kpa,设计要求强夯应有效加固至本层。
粉质粘土：可塑，天然地基承载力标准值fk=205kpa。
砾砂：，很湿---饱和，含角砾、砾石等，含粘土夹层，天然承载力标准值fk=300kpa。
强风化角砾岩和强风化泥岩，顶层埋深7.8—12.7m，强风化角砾岩的地基承载力标准值fk=600kpa，强风化泥岩地基承载力标准值fk=500kpa。
场区地下水为潜水，含水层为第三层中砂和第五层砾砂。地下水位稳定，受季节性影响较大，雨季时会有所升高。
3 强夯原理浅析
强夯，全称强力夯击法，是用很重的夯锤，一般6-30T，起吊到很高的高度，一般6-30m，使锤自由下落，对土体进行夯实，以提高土体的强度，降低其压缩性的一种地基处理方法，这是在重锤夯实法的基础上发展起来的，在夯实机理上又与之截然不同的一种方法。强夯能加固深部土体而重夯只影响表层。强夯实用于各种杂填土和饱和土，无产生橡皮土之虑，施工方法也独特，分点夯实，多遍夯实，间断施工，不是通常的夯夯搭接，一气夯成。
关于饱和土的夯实原理，在实行强夯时，被夯土体在强大的冲击能和冲击波作用下，内应力骤增，先期产生的沉降可达到数十厘米，土体空隙被压缩，局部产生液化，空隙水压力剧增，与周围孔隙水形成压力差，同时，强夯点周围产生大量裂隙，形成良好的排水通道，提高了增添透系数，使孔隙水能迅速排除，压力差降低，土体得到迅速固结，不产生橡皮土，随着一次次的强力夯击，孔隙被压缩到接近极限值，土体呈不可压缩状况而被加固。不过每次夯击引起的压力增加值，不会在短时间里完全消失，夯击到一定程度时，孔隙水压力也递次增加到接近或者等于土体的自重应力，这时土体的强夯能总和，称饱和能，也可以用夯击次数表示。这个饱和能或者夯击次数，是施工的重要参数强夯总能量，若小于饱和能，土体夯实不足，强度不高，影响深度也不够大，若大于饱和能，能量为空隙吸收而继续增高压力，使土体产生液化或触变，强度反而大幅度降低且不易恢复。

4 强夯参数确定
4.1强夯加固深度与夯击能量的确定和核算：
强夯对地基的加固深度与夯击能量的大小有关。根据梅那公式得知：
H=C（mh）1/2
其中：H：加固深度，单位m
m：夯锤重量，单位T
h：落锤距离，单位m
C：有效深度系数，与地基的工程地质条件有关，可参照如下取值。
一般粘性土、砂土、地下水位高时，C=0.6。
杂填土、深水位时，C=0.9。
本工程地下水位较高，土质条件较为杂乱，采用C=0.6。该工程设计影响深度为9m，计划采用落距18.8m，锤重16T则
H=C（mh）1/2=0.6（18.8X16）1/2=10.4m
满足要求。
4.2夯击遍数、每遍夯击次数的确定：
夯击遍数，一般为3—8遍，土体的含水量越大，则遍数越多，本工程回填土为风化碎石土，透水性好，且为旱季施工，且夯击能量可以加大，故决定三遍。
每遍夯击次数，即饱和能，取决于孔隙水压力递增情况，应在试夯过程中有仪器检测，但因无测孔隙水水压的仪器，按照如下办法进行控制：采用锤击数和最后二击夯沉量双控法，以锤击数为主，达到单点总锤数，该工程根据试夯点，决定采用单点15击。主夯点最后两击夯沉量差值小于7cm，次夯点最后两击夯沉量小于6cm，若不能满足夯沉量标准时，应增加锤击数，直到满足要求。若未满15锤，其后两击夯沉量小于4cm时，为避免过夯及造成能量浪费，可适当减少夯击次数。
4.3 间歇时间：
两遍强夯间的间歇时间，应等于孔隙水压力差消失所需要的时间，按本工程的地质条件，通过夯了试夯部分的点含水量测定及对夯坑内有无地下水的溢出情况的观察，该工程含水量较小，夯坑内仅有潮湿现象，决定采用间歇时间为7天。
5 夯点布置
由于该工程是独立柱基础，回填土深度较大，在保证每个独立柱基础上存在夯点的前提下，按照正方形布置夯点，间距不能超过4×4m，为保证施工方便及施工效果，第一次施工时采用间隔施工，即按照8×8m点进行施工，第二次时夯击剩余点。
具体图示如下：

该工程具体施工指数表
区 域
夯别
夯击能量（KN．M）
锤重X落距 （M．M）
单点锤 击 数
布点 形式
夯 点 间 距（M．M）
最后两击夯沉量（CM）

会
展
中
心
主夯点
3000
160×18.8
15
正方形
4X4
≤7
次夯点
3000
160×18.8
15
正方形
4X4
≤6
拍 夯
3000
100×10
4
搭接形
压1/4夯印

6 施工流程及施工步骤
6.1 工艺流程：
布放夯点----点夯施工----平整夯坑----拍夯施工----夯后场地平整----夯后检测
6.2 施工步骤：
6.2.1在平整后的场地上，布放第一遍夯点；
6.2.2夯机就位，并使夯锤对准夯点；
6.2.3测量锤顶标高并记录；
6.2.4将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩下落后，放下吊钩并测量锤顶标高并记录；
6.2.5重复第（4）步骤，直至一次性贯入规定的夯击遍数，并满足最后两击夯沉量的标准；
6.2.6换夯点，重复步骤（2）--（5），直至第一遍夯点完成施工；
6.2.7用推土机推平夯坑，并测量场地标高；
6.2.8间隔一周后，按照步骤（2）--（7）施工第二遍夯点。最后用低能量进行拍夯，将浅层的松土夯实，测量夯后标高；
6.2.9用现场压板载荷实验结合土工实验按设计所需位置选点检测强夯效果。
7 强夯效果分析
经过对已经完成部分夯区比较，已经经过强夯的地面，普遍比原未夯地面降低2－3m，若以填土厚度8－9m计算，平均压缩比为29％左右。因土质中含有较多的风化碎石，考虑到对土工试验的影响较大，故试夯区全部完成后进行载荷试验配合静力触探进行强夯成果分析。
7．1载荷试验
本工程因强夯面积大，回填土深度不均一，采取了按照不同回填土深度大致分为三个区域选择夯点试验（共计选择夯点15个）。主要方法是先在试验点上挖试验坑至设计要求承载力的深度，垫砂约2cm后，现浇100×100cm的钢筋混凝土墩，作模拟基础，即载荷板，墩中心加焊一块20×20cm2的钢板，板上是梁及平台。载荷为铸铁块等重物，过磅后放到平台上，经梁传到钢板和支墩，使之尽可能呈中心受压状态，测下沉降量使用的两个百分表，表的设置和读数，均按照规范要求进行。本工程所进行试验中的点除一处因靠近施工边线因坍塌无法确定外，其余点均达到设计要求。

试验实验记录经过整理和校正计算后，制成表格及P--S曲线图。根据对记录数据和曲线特征分析，分别取得比例极限点a临界荷载点b得到相应的Pa和Pb再按照公式：
﹝R﹞=Pa
及 ﹝R﹞=Pb/K （K=2，为安全系数）
求得到各试验点的地基允许承载能力﹝R﹞的值。本文中现仅取其中一点进行计算作为代表演算其过程。
7．2 3#荷载实验点实验成果分析与计算
地点：该工程25轴与G轴交点处
按照最小二乘法计算并修正P-S曲线：
C=（N∑PS’-∑P∑S’）/［N∑P’-（∑P）2］
=（-15×80.501+47.73×17.462）/（3381.255-2278.153）
=-374.054/1103.102
=-0.339
S0=（∑S’∑P2-∑P∑P*S’）/［N∑P2-（∑P）2］
=（17.462×225.417+47.73×80.501）/（15X225.417-2278.153）
=（-3936.23+3842.313）/（1103.102）
=-0.085
则：修正后的P-S直线方程
S=S0+CP=-0.085-0.339P

根据P-S图得知，本夯点没有明显的临界荷载点，根据规范要求，取沉降值与荷载板宽度比值为0.02时的荷载值P0.02（若存在临界荷载点取临界荷载点时的荷载值），根据曲线图知S=0.02B=2cm时容许承载力为56T/M2
容许承载力P=﹝R﹞=56/2=28T
满足设计要求。
9 结束语
强夯法是利用动力固结法原理,改变松散填土的力学性能,提高地基土承载力,强夯法施工在解决杂填土回填、回填深度较大的工程，提供了相对省时、省费用的相对稳定的施工工艺，能够有效控制地基沉降，该方法已经被广泛应用，关键是要提高设计和施工水平，保证施工的安全性和可靠性。

附：计算表一
N
P(kg/cm2)
∑P
沉降量s’（cm）
∑S’
PS’
∑PS’
P2
∑P2
（∑P）2
代 号
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
计算式
原始记录
①累加
原始记录
③累加
①X③
⑤累加
①2
⑦累加
②2
1
0.13
0.13
0.007
0.007
0.001
0.001
0.0169
0.0169
0.0169
2
0.40
0.53
0.109
0.116
0.044
0.045
0.16
0.1770
0.2810
3
0.70
1.23
0.280
0.396
0.196
0.241
0.49
0.6670
1.513
4
1.0
2.23
0.415
0.811
0.415
0.656
1.00
1.6670
4.9730
5
1.5
3.73
0.631
1.442
0.9465
1.3030
2.25
3.9170
13.913
6
2.0
5.73
5.850
2.292
1.700
3.303
4.00
7.9170
32.833
7
2.5
8.23
1.010
3.302
2.525
5.828
6.25
14.167
67.733
8
3.0
11.23
1.169
4.471
3.507
9.355
9.00
13.167
126.113
9
3.5
14.73
1.361
5.832
4.764
14.099
12.25
35.417
216.973
10
4.0
18.37
1.503
7.335
6.012
20.111
16
51.417
350.813
11
4.5
23.23
1.673
9.008
7.529
27.64
20.25
71.667
539.633
12
5.0
28.23
1.789
10.797
8.945
36.585
25
96.667
796.933
13
5.5
33.73
1.923
12.72
10.577
47.162
30.25
126.917
1137.713
14
6.5
40.23
2.227
14.947
14.476
61.638
42.25
169.167
1618.453
15
7.5
47.73
2.515
17.462
18.863
80.501
56.25
225.417
2278.153

附：计算表二
加荷次数N
压力P
(Kg/cm2)
沉降量S’
(cm)
每次荷载沉降增量ΔS(cm)
校正后的沉降量
S=-0.085-0.339P
S=S’-S0
计算式
原始记录来
原始记录来
的本项-的前项

1
0.13
0.007
0.007
0.129

2
0.4
0.109
0.102
0.221

3
0.71
0.28
0.171
0.322

4
1.0
0.415
0.135
0.424

5
1.5
0.631
0.216
0.594

6
2.0
0.85
0.219
0.763

7
2.5
1.01
0.16
0.933

8
3.0
1.169
0.159
1.102

9
3.5
1.361
0.192
1.272

10
4.0
1.503
0.142
1.441

11
4.5
1.673
17
1.611

12
5.0
1.789
0.116
1.78

13
5.5
1.923
0.134
1.95

14
6.5
2.227
0.304
1.95

15
7.5
2.515
0.288
2.03