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1、重锤夯实（强夯法）施工工艺 中铁二局机筑公司 殷郑海前言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 年代后期传入我国，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。一、工艺特点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，强夯能级从 1000kNm 发展到8000kNm，成为国内处理地基的一种较好的 实用方法。二、适用范围目前，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
2、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、工艺原理及设计要求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，但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，通过夯击使土颗
3、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，可通过加填料(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。（一）、加固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 840t)重 锤，从几十米( 一般 640m)高 处自由落下，给土以强烈的冲击和振动。地基土
4、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。强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲 击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，士体结构破坏，形成夯坑，并对周围士进行动力挤压。 图3-1 为某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况。目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理:动力密实、动力固结和动力置换， 它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。 3.2.1动力密实 采用强夯加固多孔隙、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，使
5、土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程，就是土中的气相( 空气)被挤出的过程，其夯 实变形主要是由于土颗粒的相对位移 引起。实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其 夯坑深度可达0.61.0m，夯坑底部形成一 层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高23倍。非饱和士在中等夯击能量10002000kN.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少，最大可减少60%。 3.2.2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
6、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。Menard 根据强夯的实践，首次 对传统的固结理论提出了不同的看法，认为饱和土是可压缩的新机理。归纳成四点: 1.饱和土的压缩性 由于土中有机物的分解，第四纪士中大多数都含有以微气泡形 式出现的气体，其含气量大约在1%4% 范围内，进行强夯时，气体体积压缩，孔隙 水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水 压力就减少。这样每夯击 一遍，液相气体和气相气体都有所减少。根据实验，每夯击一遍，气体体 积 可减少40% 。 2.产生液化 在重复夯击作用下，施加在土体的夯击能量，使气
7、体逐渐受到压缩。因此，土体的沉降 量与资击能成正比。当气体按体积百分比接近 零时，土体便 变成不可压缩的。相应于孔隙水 压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产 生液化。图3-2所示的液化度 为孔隙水压力与液化压力之比，而液化压力即为覆盖压力。当 液化度为100% 时，亦即为土体产生液化的临 界状态，而该能量级称为饱和能。此时， 吸附水变成自由水，土的强度下降到最小值。一旦达到饱和能而继续施加能量时，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。3.渗透性变化 在很大夯击能作用下，地基土体中出现冲击波和动应力。当所出现的超孔隙水压力 大于颗粒间的侧向压力时，致使土颗粒间出现裂隙，形成排水通道。此
8、时，土的渗透系 数骤增，孔隙水得以顺利排出。在有规则网格布置夯点的现场，通过积聚的夯击能量， 在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。 当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合，土中水的运动重新又恢复常态。国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土 颗粒间吸附水转化成为自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。 4.触变恢复 在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，使土的 强度达到最低值。此 时土体 产生裂隙，而土中吸附水部分变成自由水，随着孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。这时自由水重新被土颗粒所吸 附而变成了吸
9、附水，这也是具有触变性土的特性。图3-3 为夯击三遍的情况。从图中可见，每夯击一遍时，体积变化有所减少，而地基承载力有所增长，但体积的变化和承载力的提高，并不是遵照夯击能的算术级数规 律增加的。 鉴于以上强夯法加国的机理， Menard对强夯中出 现的现象，又提出了一个新的弹簧活塞模型，对动力固结的机理作了解释。图3-4 表示静力固结理论与动力固结理论的模型间区别，主要表现为以下四个主要特性，见表3-1。 表3-1 静力固结和动力固结理论对比静力团结理论(图3-4a) 动力固结理论( 图3-4b)I.不可压缩的液体 I.含有少量气泡的可压缩液体2.固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的2.
10、固结时 液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的3弹簧刚度是常数 3.弹簧刚度为变数4.活塞无摩阻力 4.活塞奋摩阻力3.2.3动力置换 动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图3-5 。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，它主要是靠碎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。 （二）、工艺设计要求多年实际证明，强夯法加固地基，一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求，正确的选用强夯参数，
11、才能达到经济有效的目的强夯参数包括：加固深度（或影响深度）、单点夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、相邻两次夯击遍数的间歇时间、加固范围和夯点布置等1、加固深度的确定影响加固深度的因素很多，有锤重、落距、地基土性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位以及其他强度设计参数等。我国学者根据前人的研究和大量的试验，提出了有效的加固深度修正公式：D=K（WH/10）1/2D-有效加固深度，m;K-修正系数，K 的变化范围一般为 0.50.8。比如软土取 0.5，黄土为 0.340.5；W锤重，KN；H落距(锤底至起夯面距离) (m)。2、夯击能1）单点夯击能等于锤重乘以落距，一般根据加固土层的厚度以及选用吊
12、机的大小来确定，采用如下公式：E=Wh (kNm)W锤重 (kN)；h落距(m) 。我国选用的锤重为 80250KN，个别达 400KN，落距为 825 米。世界上最大的锤重 2000KN，落距 25 米，其加固深度可达 40 米。2）最佳夯击能的确定从理论上讲，在夯击能作用下，当地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力时，这样的夯击能称为最佳夯击能。（1）粘性土最佳夯击能的确定方法在粘性土中，由于孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力也相应叠加。因而在粘性土中，可依据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。（2）砂性土最佳夯击能的确定方法在砂性土中，由于孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟
13、时间，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加。为此，可绘制最大孔隙水压力增量与夯击次数（夯击能）的关系曲线（如下图）来确定最佳夯击能。3、夯点布置及间距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 1.5D2.5D(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)4、单点夯击数对单个夯点，一次连续夯击次数控制标准如下：(1)夯坑 标高控制：打到要求标高或夯坑
14、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 35cm。b.软弱土 510cm。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 2030cm。(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。 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
15、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。满夯的锤击数一般对每个夯点连续夯击数一般为 35 击。 6、加固范围加固范围比加固地基的长度 L 和宽度 B 各大出加固深度 H，即（L+H）*（B+H）。加固宽度应根据建筑物的种类和重要性等因素考虑，例如为保持边坡稳定应考虑加固到最危险的滑弧范围处。7、相邻夯击两遍之间的间歇时间的确定关于相邻夯击两遍之间的间歇时间，有科学家指出，一旦孔隙水压力消散，即可进行新的夯击
16、作业。四、工艺流程清理、平整 场地现场标出第一遍夯点位置、测量场地高程 起重机就位、夯锤对准夯点位置测量夯前锤顶高程将夯锤吊到预定高度脱钩自由下落进行夯击，测量锤顶高程往复夯击，按确定夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击重复以上工序，完成第一遍全部分点的夯击用推土机将夯坑填平，测量场地高程在规定的间隔时间后，按上述程序逐次完成全部夯击遍数用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。五、操作要点1、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 35m 或以外排基础边扩 810m，(图 1)如在挖填方地带施夯，需考虑放坡。(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
