强夯法及强夯置换法.doc

第八章 强夯法及强夯置换法
第一节 概述
强夯法是法国梅那（Menard）技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，亦称动力固结法，迄今已为国内外广泛采用。该法一般是以8～40t重锤（最重为200t） 起吊到一定高度（一般为8～30 m），令锤自由落下，对土体进行强力夯实，以提高其强度、降低其压缩性的一种地基加固方法。它是重锤夯实法的基础上发展起来的，但又与重锤夯实法迥然不同的一项新技术。
此法当初仅用于加固砂土、碎石类土地基。强夯法的第一个工程用于处理滨海填土地基，该场地表层为新近填筑的厚度约为9m的碎石填土，其下是12m厚的疏松砂质粉土，场地上要建20栋8层住宅楼，由于碎石是新近堆积，如采用桩基，负摩擦阻力很大，将占单桩承载力的60%～70%，不经济。采用堆载预压法处理地基，堆载历时3个月，堆载高度为5m，只沉降200mm。用强夯法锤重80kN，落距10m，单击夯击能为800kN.m，单位夯击能1200kN.m/m2，仅夯击一遍，整个场地的平均沉降量为500mm。8层建筑采用基底应力300kpa，建造的楼房竣工后，其平沉降量仅为13 mm，如图8·1·1所示。

图8·1·1堆载预压与强夯效果对比
强夯法经过几十年的发展，它已适用于加固从砾石到粘性土的各类地基土。在我国常用来处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土、粘性土、杂填土、素填土、湿陷性黄土等各类地基。这主要是由于施工方法的改进和排水条件的改善。它不仅能提高地基的承载力，同时，还能改善地基抵抗振动液化的能力，消除湿陷性黄土的湿陷性。为处理软土地基，还发展了预设的袋装砂井，或塑料板排水的强夯法、夯扩桩加填渣强夯法，强夯填渣挤淤法，碎石桩强夯法等。
强夯法具有设备简单、原理直观、施工速度快、不添加特殊材料、造价低、适用范围广泛，可用于加固各种填土、湿陷性黄土、碎石土、砂土、一般粘性土、软土以及工业、生活垃圾等地基，特别是非饱和土加固效果显著。对饱和土加固地基的效果好坏，关键在于排水，如饱和砂土地基、渗透性好，超孔隙水压力容易消散，夯后就固结快。对于饱和的粘性土或淤泥质土，由于渗透性差，土体内的水排出困难，加固效果就比较差，必须慎重对待。目前，对这类地基用砂井排水与强夯结合使用，加固效果就比较好。强夯法可适合于房建、桥涵、道路、油罐、港口、码头、铁路地基、飞机场跑道和大型设备基础等工程。而且加固速度快、效果好、投资省、最适当最经济而简便的地基加固方法之一。
强夯法加固后的地基压缩性可降低200%～1000%，而强度可提高200%～500%（有的文献介绍，粘土可提高100%～300%，粉质粘土可提高400%，砂和泥炭土可提高200%～400%）。
用强夯法处理垃圾土，尚可使有害气体迅速排出，有利于环境保护，为废渣利用开辟了新途径。
强夯法与以往的机械夯实、爆炸夯实等比较有以下特点：
第四节 平均每一次夯击能量比普通夯法能量大的多。
第五节 以往的夯实方法，能量不大，仅使地表夯实紧密，但能量不能向深处传递，其结果仅限于表层加固，而强夯法能按照我们的预计效果进行控制施工，可根据地基的加固要求来确定夯击点间距击夯击方式，依次按需要加固的深度进行改良，使地基深层得到加固。
第六节 在施工中，必要的夯击能量可以分几遍进行夯击。
第七节 地基经过强夯加固后，能消除不均匀沉降现象，这是任何天然地基所不能达到的。
强夯法最适宜的施工条件：
1、处理深度最好不超过15m，（特殊情况出外）。
2、对饱和软土、地表面应铺一层较厚的砂石、砂土等优质填料。
3、地下水位离地表面下2～3m为宜，也可采用降水强夯。
4、施工现场离既有建筑物有足够的安全距离（一般大于10米），否则不宜施工。
5、夯击对象最好为粗颗粒土组成。
在遇到低洼地填土区高饱和度的粘性填土和沿海地带在海积淤泥层上用开山的山石料填海造地的情况，显然，普通的强夯处理方法已不实用。应用强夯置换的原理，在夯坑中回填砂石或炉渣等材料，夯后形成一个砂石墩，用作建筑物的持力基墩。碎石墩与墩间形成复合地基以提高地基承载力，减小沉降。强夯置换法适用范围广泛。
通过在多种工程中的实践证明，夯实后的土体力学性能得到了很好的改善，这也是采用强夯法加固地基的主要功效。尽管强夯法和强夯置换法已得到普遍推广与应用，但对其机理仍在研究之中。
根据多项工程的分析，强夯法与其他加固方法相比较，在经济上具有较大的优越性，见表8-1-1。
常用软土地基加固方法经济比较 表8·1·1
加固方法
强夯法
砂井预压
挤密砂桩
钢筋混凝土桩
化学拌合
造价比
0.3
1.0
2.0
4.0
4.0
第二节 加固机理
目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实（Dynamic Compaction）、动力固结（Dynamic Consolidation）和动力置换（Dynamic Replacement），它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
一、动力密实
采用强夯法加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，在土中形成很大的冲击波（主要是纵波和横波），土体因受到很大的冲击力，此力远远超过了土体的强度。在此冲击力的作用下，土体被破坏，土颗粒相互靠拢，排出孔隙中的气体、颗粒重新排列，土在动荷载作用下被挤密压实，强度提高，压缩性降低。非饱和土的夯实过程，就是土中的空气被挤出的进行，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。在冲击动能作用下，地面会立即产生沉陷，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6～1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍。非饱和土在中等夯击能量为1000～2000kN·m的作用下，主要是产生冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减小，最大可减小60%。
二、动力固结
用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。梅纳根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同看法，认为饱和土是可以压缩的新机理，如图8·2·1（b）所示。主要表现有四个方面的特性见表8·2·1。

图8·2·1新、旧固结理论
（a）静力固结理论模型.（b）动力固结理论模型
静力固结和动力固结理论对比表 8·2·1
静力固结理论
动力固结理论
①可压缩的液体
②固结时液体排出，所通过的小孔，其孔径是不变的
③弹簧刚度是常数
④活塞无摩阻力
①含有少量气体的可压缩的液体
②固结时液体排出，所通过的小孔，其孔径是变化的
③弹簧刚度为变数
④活塞有摩阻力
1、饱和土的压缩性
由于土中有机物的分解，土中总存在一些微小气泡，土颗粒之间的孔隙水也有孔隙可压缩，其体积占整个体积的1%～3%，最多可达4%。
实行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大（产生超孔隙水压力）。随后气体有所膨胀；孔隙水排出，孔隙水压力减少，固相体积始终不变。这夯击一遍，液相体积就有所减少，气相体积也有减少，这是与以往的固结理论不同之处。
在冲击力作用下，含有空气的孔隙水不能立即消散而具有滞后现象。气相的体积也不可能立即膨胀，这可用图8·2·1模型中活塞与筒体之间存在摩擦力来加以说明。
土颗粒周围的吸着水，由于振动或温度上升而变作自由水。其结果是土颗粒之间的内聚力削弱，土的强度降低，这可用图8·2·1模型中，弹簧强度是可变来加以说明。
2、土体液化
土体沉降与夯击能成正比，当夯击能达到一定程度时，即当气体的体积百分比接近于零时，土质具有不可压缩性，此界限值称为饱和能，饱和能的大小与土的种类有关。一般为500～2000 kN.m/m3。
夯即能达到饱和能时，土体产生液化，吸着水变成了自由水，土的强度下降到最小值。必须注意，一旦达到饱和能量的瞬间，就不能在夯击，否则对土体固结不利。 因为夯击能过大，土体固结条件遭到破坏，孔隙水反而不易排出，土体强度降低后难以恢复。
3、渗透性变化
当夯击能增大到饱和能时，孔隙水压力上升到与竖向应力相等〔即U=σ,而τ0=(σ-u),tgφ=0〕，夯击停止后，孔隙水压力迅速消散。如果仍使用夯击前土的渗透系数，就无法解释孔隙水压力何以能如此迅速消散。所以梅纳认为，在很大的夯击能作用下，土中出现很大的应力和冲击波，致使地基内部出现裂缝形成树枝状排水网路入图8·2·2所示。

图8·2·2树枝状排水网路图
强夯时土体局部液化，即这一瞬间的孔隙水压力等于总压力所产生的超孔隙水压力，使土颗粒之间出现裂隙，形成排水通道，土的渗透系数陡增。当孔隙水压力消散，达到小于土颗粒之间的横向压力时，裂隙闭合，土中水的运动又恢复常态，如图8·2·3中表现为二段不同斜率的直线，这可用图8·2·1模型中孔径是变化的来加以说明，图8·2·4表示渗透系数随孔隙水压力U与全应力σv之比的变化情况。

图8·2·3强夯后孔隙水压力的消散 图8·2·4渗透系数随孔隙水压利与全应力之比的变化
4、触变的恢复
从实验中可知，在夯实进行中土的抗剪强度明显的降低，当土体液化或接近液化时，抗剪强度为零或最小，吸附水变成自由水。当孔隙水压力消散，土的抗剪强度和变形模量大幅度的增长，土体颗粒间的接触更加紧密，新的吸附水层逐渐固定，这是由于自由水重新被土颗粒吸附变成了吸着水的缘故。这就是具有触变性的土的特性，触变性与土质种类有很大关系，有的恢复的快，有的恢复的非常慢。所以强夯效果的检验工作宜在夯后4～5周进行。
应当指出，土在触变恢复过程中，对振动是十分敏感的，所以在这期间进行测试工作时一定要十分注意。
通过大量的试验实测资料，证实了梅纳提出的新的动力固结理论是正确的，强夯对饱和粘性土地基加固是有一定效果的，如果夯击参数选择得合理，效果更为显著一些。
三、动力置换
动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图8·2·5所示。整式置换是采用强夯将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填筑土体中，部分碎石桩（或墩）间隔地夯入软土中，形成桩式（或墩式）的碎石墩（或桩）。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它主要是靠石内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用，目前强夯置换中常用的有以下三种情况：

图8·2·5动力置换类型
(a) 整式置换 (b) 桩式置换
1、当地基表层为具有适当厚度的砂垫层、下卧层为压缩性的淤泥质软土时，采用低能量夯，通过强夯将表层砂挤入软土层中，形成一根治砂桩，这种砂桩的承载力很高，同时，下卧的软土也可通过置换砂桩加速固结，强度得以提高。
2、同上，软地基的表面也常堆填一层一定厚度的碎石料，利用夯锤冲击成孔，再次回填碎石料，夯实成碎石桩。
3、在厚3～5米的淤泥质软土层上面抛填石块，利于抛石自重和夯锤冲击力使石块座到硬土层上，淤泥大部分被挤走，少量留在石缝中，形成强夯置换的块石层。利用石块之间的相互接触，提高地基承载力。亦类似于垫层中的“抛石挤淤”法，同时下卧层的软土也得以快速固结，提高了下卧层的强度。
四、震动波压密理论
法国梅纳指出，由于强夯是巨大的冲击能量，使土体产生强烈的震动和应力，而导致土体中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水顺利溢出，土体迅速固结以达到减少沉降提高承载能力的目的。
目前，除了梅纳理论对强夯机理作了解释外，还有用震动波理论的原理来分析强夯法机理的。
震动波压密理论
强夯的特点是将机械能转换为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面一瞬间，在重锤作用于地面一瞬间，使土产生强烈震动，类似于地震的震源（但与地震有许多不同之处），在地基土中产生震动波，从震源向四周传播。又因地基为一弹塑性材料，在巨大的冲击作用下，质点在连续介质内震动，其震动的能量可以传递给周围介质，而引起周围介质的震动，震动在介质内的传布过程形成波，根据其作用、性质和特点的不同波，可分为体波和面波两种。
强夯主要是体波起加固做用，体波又分为纵波和横波，纵波是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向是一致的，同时伴随着产生体积的变化，一般表现为周期短，振幅小。横波是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，不产生体积的变化，如图8·2·6所示。一般表现为周期较长，振幅较大。横波只能在固体里传播，而纵波在固体、液体里都能传播。

图8·2·6各种波的传播示意图
纵波与横波的传播速度理论上可分别按下列公式计算：
VP= (8·2·1)
VS== (8·2·2)
式中：VP——纵波速度()；
VS——横波速度()；
E——介质杨氏弹性模量(kpa)；
G——剪切模量(kPa)；
ρ——介质密度kN/m3；
μ——介质泊松比（见表8·2·2）。

土的泊松比 μ 表8·2·2

土的种类和状态
μ
碎石土
0.15～0.2
砂土
0.2～0.25
轻亚粘土
0.25
亚粘土、坚硬状态
可塑状态
软塑或流塑状态
0.25
0.30
0.35
粘土：坚硬状态
可塑状态
软塑或流塑状态
0.25
0.35
0.42

当μ=0.22（相当砂土），则纵波速度按下式计算，即
VP=1.67VS (8·2·3)
由此可知，纵波比横波的传播速度要快，在仪器观测到记录图上见图8·2·7纵波要先于横波到达。因此，通常也把纵波叫“p波”（即初波），把横波叫“s波”（即次波）。表8·2·3为“S波”在一些介质中的传播速度。

图8·2·7波的传播
S波的传播速度（m/s） 表8·2·3

土的种类
波速
砂
60
人工填土
100
砂质粘土
100～200
粘土
250
含砂砾石
300～400
饱和砂土
340

从上述波速表达式可知，波速和介质密度、弹性模量及波松比有关。波在不同的介质中传播具有不同的传播速度，在传播当中遇到不同的介质时，并产生波的折射和反射现象。若波的射线由震源出发时，与垂直方向的夹角是θ1，波速是V1，折射后的夹角是θ2，波速是V2，则有如下关系：
= （8·2·4）
当P波入射到一个界面体，不但产生折射和反射的P波，而且还发生折射和反射的S波（转换波PS）。当S波入射到一个边界时也是如此。
面波只限于地基表面传播，它包含瑞利波和乐甫波两种。锐利波传播时，介质质点在波的传播方向与自由面（地面）的法线组成的平面内，如图8·2·8（a）XZ平面，做椭圆形运动，而在与该平面垂直的水平方向（y方向）没有振动地面的质点运动呈滚动形势，见图8·2·6。

图8·2·8面波质点振动
(a)瑞利波质点振动 (b) 乐甫波质点振动

乐甫波只是在与传播方向相垂直的水平方向图8·2·8（b）xy方向运动。
强夯时巨大的冲击能，作用于地基上，在地基中产生体波（含纵波和横波）和面波两种。对地基起加固作用的主要是纵波和横波。而面波不但起不到加密的作用，反而对地基表面产生松动，故为无用波或有害波。
在施行强夯时，重锤由很高处自由落下，产生强大的动能（振动源）作用于地基土中，由动能变成波能，从震源向深层扩散，能量释放于一定范围内的地基中，使土体得到不同程度的压密加固。由于强大的夯击能，使土体表层产生剪切压缩和侧向挤压等，而横波的存在，使土体表层松动，当达到一定深度范围时，只有压缩波（纵波）的存在，才对土体起压密加固作用。随加固深度的增加，纵波强度在衰减，而压密作用也逐渐减少。
南同蒲铁路介休通信站工程，强夯法加固Ⅱ级自重湿陷性黄土地基，其加固效果见图8·2·9。地表面至地下0.5m范围内土体为扰动的松弛区，0.5～5.0m范围内为压密加固区5～7.8m范围内作用逐渐减少，可见与上述解释还是吻合的。地基在强夯作用下，表层土体松动使部分能量损失，大部分能量使下层土体得到加固。

图8·2·9静力触探曲线
地基土压密状态的模式如图8·2·10所示。第一层是地基土因冲击力而受扰动，主要是横波和面波的干扰。因横波传播方向和质点振动方向垂直，瑞利波、乐甫波分别按椭圆形运动和按地面水平向运动，所以都是在地表层传播使土体产生上下运动，土体松动而形成的松弛区域。第二层是压缩波的反复作用，使地下应力超过了地基的破坏强度σL的区域，因土中吸收纵波放出的能量最多，所以这一层的固结效果最好。第三层是压缩波渐减，也就是地下应力在σL与屈服值σy之间，是固结效果迅速下降的区域。第四层是地下应力处于地基的弹性界限内，能量消耗已无法克服土体的塑性变形，此层基本上没有固结作用，如图8·2·10中的By、ZY是一个夯击点的加固范围，也就是纵波传播的有效距离。

图8·2·10地基压密固结模式图
在施行强夯时，随地基的压密加固过程，能量会发生变化。当初夯时，土体产生压缩塑变，因波速和介质密度、弹性模量、剪切模量有关，初夯时纵波很快被土体吸收产生塑变，当到一定能量时，塑变完成，渐变为弹性压缩变形，随着土体密度的增加，而压缩模量和剪切模量增大，波的传播速度相应加快，这是横波增加，纵波在削弱，并且波的折射和反射要消耗能量，不利于对土体的加固，如果再增加夯击能（夯次），其效果不会明显。
对非饱和土地基，其加固机理可以归结为压缩波的反复作用消耗能量做功，而对土体产生压密固结。一部分能量使土体产生塑变转换为土的位能，使土体产生弹性变形并将另一部分能量向深层传播而加固深层地基。最终使能量转换为土的塑变位能。
对含水量较高的饱和土地基，其加固机理也是压缩波的反复作用和波的折射、反射重复做功而获得加固效果的。具体说，由于压缩波的反复做功和孔隙水压力的共同作用，在土中形成网状贯通排水通道，使土体的渗透条件得到明显改善，夯击之后，土体将在良好的渗透条件和较高的孔隙水压力作用下完成其动力固结过程，使土中孔隙水迅速排出，孔隙水压力迅速消散，土体进一步增密。对饱和粘性土，因其渗透性较小，土体大量在夯后固结，因此，夯击后的土体应有足够的间隔时间，否则即使较小能量的过早夯击也是有害无益的，使土体无法恢复。这一动力固结过程，成为强夯法处理淤泥质土的显著特点，随着这一固结过程的完成，土的性质将得到明显改善，获得强夯加固的预期效果。
在水位下的介质中主要是传播纵波（压缩波），相对而言在液相介质中能量损失较少，是比较有利的，所以，强夯法可用于水下工程的地基加固，如图8·2·11所示。前面已经讲到，在不同介质中振动所引起的频率、速度、能量不同，就是不同的动力效应，因而在同一振动作用下，水和土两种介质将引起不同的振动效应，当两者的动力差大于土粒对水吸附能力时，自由水、毛细水将从颗粒间隙析出，从而土粒间孔隙减小，密度提高。在实践中我们看到用手连续击饱和土，就产生水分析出现象，由于水、土两相混合的介质振动效用不同，存在动力差而产生间隙水的聚结，形成动力水的聚结面，造成网状排水通道，在动力冲击作用下，自由水向低压区排泄，经过一段时间相触变恢复，土的抗剪强度与变形模量都有大幅度的增长，这就是是加固作用。

图8·2·11 水下地基加固
下面用一个简单的试验来说明振动对地基土的加固作用。取饱和的砂土及饱和状的轻亚粘土，用透水的纱布包扎好，在自重力作用下，水分很难或不产生析出，而在振动力作用下，砂土试样水分极易析出，在较短时间内砂土就密实固结。对轻亚粘土试样，需要较强烈的振动和振击时间，水分才能析出，停放一段时间后土体就密实固结。这说明在动力作用下土体排水固结效应远远大于静态排水固效应。要是水土离析，首先要突破二者静止平衡，因此，要输入一定的激发能量和适当的振动次数，激发能量的大小和土粒组成有关，粘粒及粉粒较多的土体，对水的吸附力较强，水不易排出。当对土体逐渐输入超级能量和多次振动时，水分也能析出，使土体密实增加，强度提高。
上述分析，是用波动理论来解释强夯法加固地基机理的。
第三节 强夯法设计
强夯法加固的设计主要参数有：加固深度及范围，单位面积夯击能力，夯击次数，夯点间距，布置以及夯击遍数和间隙时间等。下面分别加以介绍：
一、有效加固深度及范围的确定
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，有效加固深度按下式进行计算：
H= (8·3·1)
式中：H——有效加固深度(m)
M——垂重(kN)
H——落距(m)
——为小于1的修正系数，其变动范围为0.35～0.7。一般对粘土取0.5，对砂性土取0.7，对黄土取0.35～0.5。
实际上影响有效加固深度的因素很多，除了锤重和落距外，还有地基土的性质，不同土层的厚度和埋藏顺序，地下水位以及其他强夯的设计参数等都与有效加固深度有着密切的关系。因此，强夯的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。在缺少经验和试验资料时，可按表8.3.1预估。
强夯有效加固深度（m） 表8·3·1
单击夯击能（kN.m）
碎石土、砂土等
粉土、粘性土、湿陷性黄土
1000
5.0～6.0
4.0～5.0
2000
6.0～7.0
5.0～6.0
3000
7.0～8.0
6.0～7.0
4000
8.0～9.0
7.0～8.0
5000
9.0～9.5
8.0～8.5
6000
9.5～10.0
8.5～9.5
注：强夯的有效加固深度应从起夯面算起
本书作者经多年的研究，根据波在地基中传播速度和土对能量的吸收能力，可以计算出波的有效传播范围，即强夯震动波的能量对地基加固的半径Rs. 经过多项工程实践，作者提出了一种新的强夯的加固有效深度计算方法：
RS= (8·3·2)
式中：RS——有效加固半径（加固深度）(m)
h——落距（落垂高度）(m)
M——锤重(kN)
Vp——纵波速度(m/s)
——土的能量吸收系数，见表8·3·2
k——大于1的系数，一般为3～5
土的能量吸收系数值 表8·3·2
土质情况
值（s/m）
土质情况
值（s/m）
松散饱和粉细砂、亚粘土、轻亚粘土、粘土
0.01～0.03
硬塑的粘土和中密的块石、碎石
0.087～0.115
很湿的亚粘土、粘土
0.04～0.06
可塑的粘土和中密的粗砂、砾石
0.1～0.125
稍湿的和干的轻亚粘土、亚粘土
0.07～0.10

二、夯击能量的确定
夯击能量可分单击夯击能、最佳夯击能、平均夯击能。
1、单击夯击能
单击夯击能为夯锤重M与落距h的乘积。单击夯击能一般应根据加固土层的厚度、地基状况和土质成分由下式确定：
E=Mgh (8·3·3)
E=()2g (8·3·4)
式中：E——单击夯击能(kj)
M——锤重(kN)
G——重力加速度(g=9.8m/s2)
H——落距(m)
h——加固深度(m)
——小于1的修正系数，其变化范围为0.35～0.7，（一般粘性土、粉土取0.5，砂土取0.7，黄土取0.35～0.50，或参考表8·3·3）。
修正系数值统计表 表8·3·3
采用单位
土层
锤重Q(t)
落距h(m)
值
秦皇岛某船厂
砂性土
10
13
0.65
上海某水厂
砂性土
10
10
0.7～0.8
北京化纤厂
粉土、灰粉质粘土
11
9
0.55
天津塘沽新港
淤泥质粘土、灰粉砂透镜体
10
13
0.44
秦皇岛煤码头堆场
细砂
10
13
0.44
北京某工程
填土地基
8.5
12
0.61
北京321线寨口车站
弃渣填土
10
12
0.61
山西太岚线古交车站
土灰石填土
8
8
0.88
廊坊机械化所
粉质粘土与粉土
11
9.3
0.60
西安三民村仓库
Ⅱ级非自重湿陷性黄土
10
10
0.55
咸阳渭河电厂凉水塔
Ⅱ级非自重湿陷性黄土
10
11
0.48
太原面粉二厂工程
湿陷性黄土
11.5
14
0.50
瑞典乌德瓦拉造船厂
海中填破碎花岗岩
40
40
0.67
美国洛山矶某海洋工程
粉砂层
40
35
0.45
联合王国拉尔雷丘车站
城市垃圾
15
10～15
0.40～0.49
日本某油罐基地
上为石块填土、下为冲填土
12
20
0.52
新加坡某仓库
砂粘质泥炭
15.5
30.5
0.54
山西纺织设计院
软土及液化地基
8.9
12
0.78
锤重和落距越大，加固效果越好。整个加固场地的总夯击能量(即垂重×落距×总夯击数)除以加固面积为单位夯击能。强夯的单位夯击能应根据基土类别，结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并可通过试验确定。在一般情况下，对粗颗粒土可取1000～3000kN·m/m2,对细颗粒土可取1500～4000 kN·m/m2。国内夯锤一般为10～25t,最大为40t，夯锤的平面形状一般有圆形和方形等，其中有气孔式和封闭式两种。实践证明，圆形和带有气孔的锤较好，它可克服方形由于上下两次夯击着地并不完全重合，并造成夯击能量损失和着地时倾斜的缺点。夯锤中宜设置若干个上下贯通的气孔，孔径可取250～300㎜，它可减小起吊夯锤时的吸力。又可减少能量的损失。锤底面积对加固效果有直接的影响，对同样的锤重，当锤底面积较小时，夯锤着地压力过大，会形成很深的夯坑，即增加了继续起锤阻力，又不能提高夯击的效果，锤底面积宜按土的性质确定，锤底面积静压力值可取25～40kpa,对细颗粒土锤底静压力宜取较小值。国外资料报道，对砂性土一般锤底面积为3～4m2,对粘性土不宜小于6㎡。有的文献也提出，夯坑深度不超过锤宽度的一半，否则将有一部分能量损失在土中。由此可见，对细颗粒土在强夯时预计会产生较深的夯坑，因而事先要求加大锤底面积。
国内外夯锤材料，大多数采用以钢板为壳和内灌混凝土的锤。还有铸钢（铁）锤。为运输方便还有组织合锤。
夯锤确定后，根据要求的单击夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距为8～25m.对相同的夯击能量，常选用大落距的施工方案。这是因为增大落距可获得较大的接地速度，能将大部分能量有效地传到地下深度，增加深层夯实效果，减小消耗在地表土层塑性变形的能量。
2、最佳夯击能
最佳夯击能，从理论将能使地基中出现的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能为最佳夯击能。
对于粘性土地基，由于孔隙水压力消散慢，随着夯击能的增加，孔隙水压力可以叠加，因而可根据有效加固深度孔隙对压力的叠加值来选定最佳夯击能。对于砂性土地基，由于孔隙水压力的增加和消散过程很快，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，当孔隙水压力增量随夯击次数的增加而趋于稳定时，可认为砂土能够接受的能量已达到饱和状态。为此，可用最大孔隙水压力增量与夯击次数的关系曲线或有效压缩率与夯击能的关系曲线来确定最佳夯击能。见图8·3·1和图8·3·2。

图8·3·1砂性土的孔隙水压力增量△u 图8·3·2有效压缩率与夯击能的关系曲线
与夯击次数的关系曲线
曲线1、2、3、4分别为不同锤重和落距组合时所测得的有效压缩率与夯击能关系曲线。显然，曲线1最好，曲线最低处的有效压缩率最高，此时的夯击能即为最佳夯击能，超过最低点，曲线回升，说明地基土侧向变形增大，土体开始破坏。最佳夯击能和单击夯击能的比值即可作为控制夯击次数。
3、平均夯击能
平均夯击能也称单位面积夯击能，单位面积夯击能的大小与基地土的类别有关，单位面积夯击能过小，难以达到预期的加固效果，单位面积夯击能过大，不仅浪费能源，而且对饱和粘性土来说，强度反而会降低。
总单位面积夯击能与诸多因素有关，我国目前在工程实践中所采用单位夯击能见表8·3·4。
单位面积夯击能参考值 表8·3·4
单位面积夯击能
（kN·m/m2）
粗颗粒土
细颗粒土
1000～3000
1500～4000
强夯加固地基有一个加固深度和密实度的极限值，Leonards认为其值相当于静力触探比贯入阻力=15Mpa或标贯值N63.5=30～40。达到这一极限再增多夯击能只能使场地隆起，而无加固效果。这一极限对细颗粒土可定为加固至土壤含强结合水（或稍高）时土的饱和含水量及其相应的密实度。因为此时孔隙水已不能排除，无法再加密。在黄土中，其值约为干密度18kN/m3或孔隙水比e=0.5，对粗颗粒土可认为此极限值是相对密实度达到0.8～0.9。
每遍单位面积夯击能，对饱和土需要分遍夯击，这样对每一遍也存在一极限夯击能，根据Menard饱和土夯击时液化，孔隙水压力升高的观点，从理论上讲，每遍极限夯击能为地基中孔隙水压力达到土的自重应力时的夯击能，此时土已液化，称之为每遍最佳夯击能。但在实际工程中，实测的孔隙水压力值多数达不到上覆土的自重应力。其最大值与被测土的类型孔压测量仪表位置（深度、距夯点之距）、夯点数量及夯击顺序等有关，因此在工程实践中，应根据以下三原则之一通过试夯确定。
（1）坑底土不隆起，包括不向夯坑内挤出，或每击隆起量小于每击 夯沉量，这说明土仍可被挤密。
（2）夯坑不得过深，以免造成提锤困难。为增大加固深度，必要时可在夯击坑内填加粗颗粒料，形成土塞，以增加锤击数。
（3）每击夯沉量不宜过小，过小无加固作用。
三、夯击点布置及间距
1 夯击点布置
夯击点平面布置应根据建筑物的结构类型进行布置。夯点平面布置的合理与否与夯实效果和施工费用有直接关系。
对某些基础面积较大的建筑物或构筑物，可按等边三角形或正方形布置夯击点；对办公楼和住宅建筑等，可根据承重墙位置布置夯点。对砂性土或填石地基和土夹石填石地基，可用连夯法布点，对加固深度较大的工程，可按土层厚度不同，分二遍以上进行夯击，最后普夯一遍（即锤印互相搭接地夯一遍）。
由于基础应力扩散作用或消除液化，强夯加固范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外边缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3.0m。
2、夯击点间距
夯点间距的选择宜根据建筑物结构类型、加固土层厚度及土质条件通过试夯确定，对细颗粒土来说，为便于超静孔隙水压力的消散，夯击点间距不宜过小。当加固深度要求较大时，第一遍的夯击点间距更不宜过小，以免在夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能往下传递。若夯击点间距太小，在夯击时上部土体易向侧向已夯成的夯坑内挤出，从而造成坑壁坍塌，夯锤歪斜或倾倒，而影响夯实效果。反之，如间距过大，也会影响夯实效果。
我国目前工程上常用的夯间距是3～9m，实践证明，间隔夯击比连夯好。间夯对深层加固有利，原因是间夯便于能量在土中被吸收，使夯击能有利于向深层传递，孔隙水容易向低压区排出，可先固结一部分地基土。再夯第二遍时，可使充满孔隙水的另一部分土体得到能量，克服土颗粒对水吸附力，将土体孔隙水挤出而得到加固，提高了强度。连夯则全面产生超孔隙水压，而没有低压区，孔隙水处于相对平衡，反而使水不容易排出。夯击点过密，相邻夯点的加固效果将在浅层处，叠加形成硬层，影响波的传播和造成能量损失。又因浅层受面波的运动做功而松动，为了使地基表层受到加固，必须满夯一遍。
四、夯击次数和遍数
1、 夯击次数的确定
夯击次数的确定是强夯法设计中的一个重要参数。夯击数与地基加固要求有关，而夯击能量的大小是根据地基加固后应达到的规定指标来确定的。夯击要求土体竖向压缩最大，侧向移动最小。国内外目前一般每夯击点夯5～20击，根据土的性质和土层的厚薄不同，夯击击数也不同。对于非饱和土或填土，常以最后两击的下沉量平均值不大于40mm，来控制每点的夯击击数。而对于饱和粘性土，应以孔隙水压力上升到最大值等于土体自重（即ut=，ut 为孔隙水压力，为土的容积，h为土层厚度）或出现液化现象来控制夯击击数。
２．夯击遍数
由于夯点间距大，夯点间需增设夯点以加固末挤密土，故需增加夯击遍数，这种分遍夯击实际上就是夯点分批夯击。对饱和细砂土，由于存在单遍饱和夯击能，每遍夯击后需孔压消散，气泡回弹，方可二次压密挤实，因此，对夯点也需分遍夯击。对饱和粗颗粒土，当需夯坑深度大时，或积水或涌水需填料，为便于操作也要采用分遍夯击。
在工程实践中，常采用高大能量、大间距加固深层，此时应根据需要对同一批夯点分遍夯击，然后，再逐步分批夯击另一批夯点。
当需要逐遍加密饱和土和高含水量土以加大土的密实度，或夯坑要求较深起锤困难需加填料时，对每一夯击点需分遍夯击，以使孔隙水压力消散，各批夯点的遍数累计加上满夯组成总的夯击遍数。一般情况下，对碎石、砾砂、砂质土或垃圾土，夯击遍数为3遍左右。粘性土为3～8遍，泥炭为3～5遍。在我国大多数工程中为2～5遍。
一般认为，在夯击期间的沉降量达到计算最终沉降量的80%～90%时夯击完毕，或根据设计要求以夯到预定标高来控制夯击遍数。
试验证明，二、三批夯点，特别是花点夯击遍数可比第一批夯点减小遍数，这时可增大或不增大其每遍的击数。对软弱土、每批夯点需分遍时的第一遍击数，常以控制场地隆起，起锤困难设定击数，一般选用5～10击，无须控制夯沉量，对每一批夯点的最后一遍，为使场地均匀有效加固，可以用控制最后两击的平均贯入度来确定夯击次数。其控制贯入度值可经试夯根据检验的加固效果，确定适当值，以控制大面积施工。
最后以低能量满夯一遍。满夯的作用是加固表层土，点夯深层加固时的坑侧松动土及整平夯坑填土。满夯就是锤印互相搭接。
五、两边夯击间歇时间
两边夯击之间应有一定的间歇时间，以利于强夯时土中超静孔隙水压力消散。所以间歇时间取决于超静孔隙水压力消散时间。土中超静孔隙水压力的消散速率与土的类别、夯点间距等因素有关。对砂性土其渗透系数大，一般在数分钟和2～3h即可消散完。但对渗透性差的粘性土地基，一般需要数周才能消散完。夯点间距对孔压消散速率也有很大的影响，夯点间距小，孔压消散得慢，反之，夯点间距大，孔压消散很快。所以间隔时间应以孔隙水压力消散时间的长短而定。另外，孔隙水压的消散还与周围排水条件有关。可根据地基水的渗透性确定间歇时间，对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，一般不少于3～4周，一般渗透性较好的粘性土1～2周，对渗透性好的地基可连续夯击。
六、垫层铺设
强夯加固场地必须具有一层稍硬的表层，使其能支承起重设备，并便于对所施工的夯击能得到扩散，同时也可加大地下水位与地表面的距离，因此有必要铺设垫层。垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及形状等条件而定。一般为50～150cm。预铺垫层可形成一覆盖压力，减小坑侧土隆起，使坑侧土得到加固。