强夯法处理效果的分析

　　摘要：文章由强夯法加固地基机理出发，介绍了一些强夯效果的检验方法，并结合一些工程实例检测数据，探讨了不同土质下和加大落距、锤重的强夯法处理效果。

　　关键词：强夯法;落距;锤重;加固效果

　　强夯法是一种新的地基处理方法，始创于20 世纪60 年代。该方法主要是通过把一定重量的锤反复地升到一定的高度上，然后让锤自由地下落，整个过程所产生的巨大冲击力和振动能量可以提高地基的承载力，从而改善其特性[1] 。由于强夯法具有施工设备简单、施工方便、效果显著、适用范围广、经济易行和节省材料等优点，其已经广泛用于工民建、路基、铁路、公路、码头、机场跑道等地基处理工程中，尤其适用于加固碎石土、砂土、杂填土地、非饱和粘性土、湿陷性黄土等地基基础[2] 。但是，在施工中如何控制夯击效果，加大落距、锤重等将会对加固效果有直接的影响。笔者结合一些工程实例来探讨强夯法的处理效果，希望对类似工程的施工有所裨益。

　　一、强夯法加固地基的机理

　　强夯法加固机理是利用重锤反复在一定高度自由下落的极短时间之内对地基土所施加的巨大冲击能量的作用，反复冲击过程可以产生诸如压缩波、剪切波和瑞利波等，并使土体受到瞬时加荷、卸荷及剪切的作用[3] 。因此，土粒就会改变原有的接触形式而产生了新的位移来达到更为稳定的形式，这样就增加了土体的密度和强度。对于非饱和性土地基，强夯法压密和击实试验相似，有比较明显的挤密振密效果。对于饱和无黏性土地基，其压密过程与爆破和振动压密相似，这是由于在冲击力的作用下土体可能会发生液化导致的，也有比较明显的挤密振密效果[4] 。在粉土和粉细砂类土中，地基土的承载力和抗液化能力得以提高主要是由于夯击作用使土体的加密和预液化。在饱和土中，强夯使土体变得更加紧密，土中空隙水压力升高，改变了土体结构，从而加固了地基土。

　　二、强夯效果的检验方法

　　强夯效果的质量检验方法，主要根据的是室内土工试验和土性选用原位测试[5] 。对于一般性工程来说，检验时候只需采用两种或两种以上方法即可;对于比较重要的工程来说，要增加一些如现场大压板载荷试验之类的增检项目。为了检验强夯法施工的加固及处理液化效果，还要对强夯区域进行一些试验测试。以下简要介绍平板载荷试验、土工取样试验、标准贯入实验：

　　1.

　　平板载荷试验，该试验采用的慢速维持荷载法。试验时，用千斤顶分九级加荷，在荷载板上还要对称的安置四个百分表来观察地基土的沉降量以及各级荷载的相对稳定情况，在设计基础底板下约0.10m处埋置压板。为了检验夯后地基的承载力，还要进行载荷试验，静载点主要布置于独立基础部分场地。

　　2.

　　土工取样试验，主要是通过工程钻机进行开孔，取芯钻进的范围要保持在设计处理深度范围内。其采用的是重锤击入法进行钻孔，得到的原状土样再做土工试验。土工取样的测试指标主要包括地基土的压缩模量、孔隙比、天然含水量，浅层土的渗透系数以及抗剪强度等，该取样过程主要在填土中进行。

　　3.

　　标准贯入试验，主要是通过工程钻机进行标贯试验，要考虑到的因素包括贯入器标准、穿心锤重量、自由落距距离以及试验间距等。通过这些测试来评价强夯前、后地基土的承载力等力学指标，并考察水下砂土的液化情况。

　　三、强夯法工程实例分析

　　强夯法加固地基的处理效果主要与土质因素、锤重、落距等因素有关，以下结合笔者的工程实践经验，通过不同的检测数据，分析了强夯法的处理效果，获得了一些有工程实际意义的结论。

　　(一)软土路基的强夯法处理效果分析

　　某工程软土路基施工，采用的是强夯法施工技术。现场需进行加固处理的地基土物理力学性质参数如表1。

　　表1 地基土物理力学性质参数

　　地层名称 地基承载力 PS 值 重度 含水量 峰值强度参数

　　及层序 fd(kPa) PS(MPa) γ(g/cm3) ω(%) C(kPa) ψ(°)

　　杂填土①2 40~68 0.64 0.9~1.1 8 1 33.0

　　粉质粘土②3-1 100~115 3.05 1.23~1.41 15 3 32.0

　　粉土③3-2 110~135 5.48 1.35~1.76 21 1 32.8

　　加固前、后都进行了标准贯入度试验、荷载板试验和静力触探试验，试验结果包括设计承载力等都符合工程设计要求。加固前、后地基标准贯入度试验结果对比见表2。

　　对比表1、表2 中数据可以看出：

　　1.如果只是用土体密度、地基承载力、湿陷性系数这几项来控制工地强夯施工质量，往往存在着一定的弊端。比如说，尽管湿陷性系数能够比较精确地反映了强夯消除湿陷的程度和深度，但是由于其取样困难，试验时间又比较长，所以说工地操作性较差，容易影响施工进度。再者，无法确定其试验取样频率，

　　表2 加固前、后地基标准贯入度试验结果对比

　　项目 承载力(kPa) 深度 承载力(kPa) 深度 承载力(kPa) 深度 承载力(kPa) 深度 承载力(kPa) 深度 承载力(kPa) 深度

　　1m 2m 3m 4m 5m 6m

　　加固前 40~68 3 50~80 2 100~120 4 100~115 4 100~120 6 100~135 6

　　加固后 170~195 8 170~195 11 180~195 11 180~195 13 180~195 13 180~185 10

　　过小的频率不能很真实地反映强夯效应，而过大的频率又会增大对基础的破坏性。

　　2.

　　土质的性质会影响到地基承载力和土体密度。如果在土质含水量无规律和分布不均匀的情况下去判定土的性质，会将整个检测过程变得繁琐和复杂。强夯后表层土的密度、地基承载力和深度的相关性比较小，由于确定不了其控制数据也就不能真实地反映到强夯效应。

　　3.

　　在湿陷性黄土夯实到一定程度之后，加固深度受到夯实遍数的影响会比较小。

　　(二)加大落距和加大锤重的强夯法处理效果分析

　　根据强夯法的经验公式：H=α(0.1mh)1/2。式中m 表示锤重，h 表示的是落距，有效加固深度用H 来表示，α 的取值一般在0.5 ～ 1.0 之间。由公式可以看出：总的夯击能是直接影响其有效加固深度的，夯击能越大则表示mh 越大，H 也越大。可是，从工程成本上来考虑，夯击能越大则需要越高的加固费用，成本也就越高。以下就简要分析下加大落距h 和加大锤重m的强夯法处理效果。

　　工程实例——某工程湿陷性黄土场地工程概况。

　　工程前期进行了地质勘察，勘察报告如下：在30m 深度范围之内主要是第四纪河流冲积物和一些人工堆积物，可根据其力学性质和岩性有6 层的划分，强夯法处理深度范围主要是在0～2层。0层：厚度大约是1m，含水率是13%，可进行人工填土。此外，还测得0 层的压缩系数为0.324，湿陷系数为0.095，干密度在1.39 ～ 1.43 g/cm3 之间，其天然孔隙比平均为0.905。1层：此层属于黄土状粉质土，厚度是2m，含水率为16.7%;平均压缩系数为0.25，自重湿陷系数为0.035，湿陷系数达到0.125;其干密度在1.41 ～ 1.45 g/cm3 之间，孔隙比为0.800。2 层：此层属于黄土状粉质黏土，层厚在0.7 ～ 3.3m 之间，平均含水率为20.2%;平均压缩系数为0.352，自重湿陷系数为0.025，湿陷系数为0.021，干密度为1.52 g/cm3。工程要求是：加固深度5 m内土层干密度大于1.4 g/cm3 和消除加固深度5 m 内土层的湿陷性。

　　施工机械参数见表3。

　　表3 施工机械参数

　　组别 锤形 锤重(t) 锤底面积(m2) 提锤高度(m)

　　A 圆形 10 4.91 10

　　B 圆形 15 4.91 6.75

　　C 圆形 20 4.91 5

　　加固效果对比

　　在满夯后将近一周对其进行检测，检测方法如下：在各机组施工的区段进行等距布置取土，夯间土各5 个，夯点上各4个;取土的最大深度为6 米，每米1 个原状土。每台机组均夯击94 点，点夯之后还要将其满夯，检测到的各组夯击量数据见表4。

　　表4 不同锤重、落距的夯击量比较

　　击数 10t 锤重 15t 锤重 20t 锤重

　　均值 标准偏差 均值 标准偏差 均值 标准偏差

　　1 0.1874 0.3050 0.1632 0.0491 0.2145 0.0650

　　2 0.1039 0.0392 0.1231 0.0396 0.1334 0.0441

　　3 0.0780 0.0270 0.0985 0.0343 0.0985 0.0331

　　4 0.0638 0.0263 0.0731 0.0239 0.0790 0.0271

　　5 0.0590 0.0226 0.0556 0.0171 0.0692 0.0241

　　6 0.0467 0.0162 0.0441 0.0156 0.0578 0.0119

　　7 0.0413 0.0415 0.0412 0.0173 0.0466 0.0144

　　8 0.0364 0.0120 0.0379 0.0158 0.0415 0.0128

　　9 0.0320 0.0110 0.0368 0.0147 - -

　　10 0.0303 0.0121 0.0316 0.0099 - -

　　11 0.0291 0.0119 - - - -

　　12 0.0249 0.0105 - - - -

　　总夯沉量 0.0733 0.3049 0.7055 0.0552 0.7482 0.1112

　　由表4 中的数据对比分析可知，在重锤低落距和轻锤高落距分别处理地基土时，物理力学指标提高比较明显的是重锤低落距。由于在重锤接触到土体的过程中，锤体本身的质量大而瞬时速度较小，根据惯性理论的知识，物体的质量越大速度减小相对越小，就导致土体的受振时间持续得越久，就有足够时间消散土体内的孔隙水压力，容易改变其颗粒骨架。同理，如果加大每击夯沉量，也就会相应地提高压密程度。此外，由于土体表面较浅范围易形成硬壳，在强夯过程中，该层所消耗的能量较多，而重锤低落可以减少该层的产生，起到更好的加固效果。

　　表5 试验区内深度为10t 时物理性质指标的平均值

　　取土深度(m) 锤重 干密度 (g/cm3) 孔隙比 压缩系数 湿陷系数

　　1.0~1.1 1.556 0.75 0.111 0.003

　　2.0~2.1 1.650 0.65 0.124 0.004

　　3.0~3.1 1.576 0.71 0.132 0.004

　　4.0~4.1 10t 1.570 0.74 0.115 0.004

　　5.0~5.1 1.540 0.77 0.115 0.006

　　6.0~6.1 1.640 0.68 0.141 0.002

　　平均值 1.584 0.72 0.123 0.004

　　表6 试验区内深度为15t 时物理性质指标的平均值

　　取土深度(m) 锤重 干密度(g/cm3) 孔隙比 压缩系数 湿陷系数

　　1.0~1.1 1.645 0.65 0.125 0.003

　　2.0~2.1 1.660 0.63 0.113 0.004

　　3.0~3.1 1.620 0.67 0.142 0.004

　　4.0~4.1 15t 1.580 0.69 0.134 0.004

　　5.0~5.1 1.574 0.71 0.130 0.003

　　6.0~6.1 1.720 0.60 0.143 0.002

　　平均值 1.633 0.66 0.131 0.003