任务3.4 夯实法的选用
强夯处理法又称动力固结法或动力压实法，是由法国Louis Menard技术公司在1969年首创的。这种方法是使用吊升设备将重锤（一般为10～60t）起吊至较大高度（一般为10～40m）后，让其自由落下，产生巨大的冲击能量，对地基产生强大的冲击和振动，通过加密（使空气或气体排出）、固结（使水或流体排出）和预加变形（使各种颗粒成分在结构上重新排列）的作用，从而改善地基土的工程性质，使地基土的渗透性、压缩性降低，密实度、承载力和稳定性得到提高，湿陷性和液化可能性得以消除。
强夯法具有设备简单、施工速度快、不添加特殊材料、造价低、适应处理的土质类别多等特点，我国自20世纪70年代引入此法后迅速在全国推广应用。强夯法应用初期仅适用于加固砂土、碎石土地基。随着施工方法的改进和排水条件的改善，强夯法已发展到用于处理碎石土、砂土及低饱和度的粉土、黏性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基，一般均能取得较好的经济效果。对于软土地基，一般来说处理效果不显著。
20世纪80年代后期，为使强夯法应用于高饱和度粉土地基的处理，又发展了强夯置换法。强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩，最终形成砂石桩与软土构成的复合地基。强夯置换法主要适用于高饱和度的粉土与软塑—流塑的黏性土等地基上对变形控制要求不严的工程。强夯置换法具有加固效果显著、施工期短、施工费用低等特点，目前已用于堆场、公路、机场、房屋建筑、油罐等工程，一般效果良好，个别工程因设计、施工不当，加固后出现下沉较大或墩体与墩间土下沉不等的情况。因此，特别强调强夯置换前，必须通过现场试验确定其适用性和处理效果，否则不得采用。
强夯法和强夯置换法也存在一些缺陷或负面影响。例如，强夯施工时产生强烈的噪声公害和振动，有时强烈的振动导致周围已有建筑物和在建工程发生损伤和毁坏。此外，对于饱和软黏土，如淤泥和淤泥质地基，强夯处理效果不显著，目前一般谨慎采用。
3.4.1 强夯加固的一般机理
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，在冲击力的作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏形成夯坑，并对周围土进行动力挤压，从而达到地基处理的目的。由于各类地基的性质差别很大，强夯影响的因素也很多，很难建立适用于各类土的强夯加固理论，到目前为止尚未有一套成熟的理论和设计计算方法。
根据工程实践和试验成果，随地基类型和加固特点的不同，其加固机理也有所不同。本书拟对强夯加固的一般机理作介绍。目前，强夯法加固地基的机理，从加固原理与作用来看，可分为动力密实、动力固结、动力置换三种情况，其共同特点是：破坏土的天然结构，达到新的稳定状态。
1.动力密实
由于巨大夯击能量所产生的冲击波和动应力在土中传播，使颗粒破碎或使颗粒产生瞬间的相对运动，从而使孔隙中气体迅速排出或压缩，孔隙体积减小，形成较密实的结构。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0.6～1.0m，夯坑底部可形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍以上，在中等夯击能量1000～2000kN·m的作用下，主要产生冲切变形。在加固范围内的气体体积将大大减小，从而可使非饱和土变成饱和土，至少使土的饱和度提高。对湿陷性黄土这样的特殊性土，其湿陷是由于其内部架空孔隙多，胶结强度差，遇水结构强度迅速降低而突变失稳，造成孔隙崩塌，因而引起附加的沉降，所以强夯法处理湿陷性黄土就应该着眼于破坏其结构，使其结构在遇水前崩塌，减少其孔隙。从这个角度看，此时强夯法应是动力夯实。
2.动力固结
强夯法处理饱和黏性土时，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，产生许多裂隙，使孔隙水顺利逸出，待超孔水压力消散后，土体发生固结。由于软土的触变性，强度得到提高，这就是动力固结。在强夯过程中，根据土体中的孔隙水压力、动应力和应变的关系，加固区内冲击波对土体的作用可分为三个阶段。
（1）加载阶段。在夯击的瞬间，巨大的冲击波使地基土产生强烈振动和动应力。在波动的影响带内，动应力和超孔隙水压力往往大于孔隙水压力，有效动应力使土产生塑性变形，破坏土的结构。对砂土，迫使土的颗粒重新排列而密实；对于细颗粒土，Menard教授认为大约1%～4%的以气泡形式出现的气体体积压缩，同时，由于土体中的水和土颗粒两种介质引起不同的振动效应，两者的动应力差大于土颗粒的吸附能时，土颗粒周围的部分结合水从颗粒间析出，产生动力水聚结，形成排水通道，制造动力排水条件。
（2）卸荷阶段。夯击能卸去后，总的动应力瞬间即逝，然而土中孔隙水压力仍保持较高水平，此时孔隙水压力大于有效应力，因而将引起砂土、粉土的液化。在黏性土中，当孔隙水压力大于小主应力、静止侧压力及土的抗拉强度之和时，即土中存在较大的负有效应力，土体开裂，渗透系数骤增，形成良好的排水通道。宏观上看，在夯击点周围产生了垂直破裂面，夯坑周围出现冒气、冒水现象，这样孔隙水压力迅速下降。
（3）动力固结阶段。在卸荷之后，土体中保持一定的孔隙水压力，土体在此压力下排水固结。砂土中，孔隙水压力可在大约3～5min内消散，使砂土进一步密实。在黏性土中孔隙水压力的消散则可能要延续2～4周，如果有条件排水，土颗粒进一步靠近，重新形成新的结合水膜和结构连接，土的强度恢复和提高，从而达到加固地基的目的。但是如果在加荷和卸载阶段所形成的最大孔隙水压力不能使土体开裂，也不能使土颗粒的水膜和毛细水析出，动荷载卸去后，孔隙水未能迅速排出，则孔隙水压力很大，土的结构被扰动破坏，又没有条件排水固结，土颗粒间的触变恢复又较慢，在这种条件下，不但不能使黏性土加固，反而使土扰动，降低了地基土的抗剪强度，增大土的压缩性，形成橡皮土。这样的教训也不乏其例，如河南省焦作热电厂地基加固由于工期紧迫，在雨天实行强夯，表层土由于雨水而接近饱和，夯击能量为3000kN·m，结果形成橡皮土，未达到预期目的，地基承载力仅70kPa。因此对饱和黏性土进行强夯，应根据波在土中传播的特性，按照地基土的性质，选择适当的强夯能量，同时又要注意设置排水条件和触变恢复条件，才能使强夯法获得良好的加固效果。
3.动力置换
对于透水性极低的饱和软土，强夯使土的结构破坏，但难以使孔隙水压力迅速消散，夯坑周围土体隆起，土的体积没有明显减小，因而这种土的强夯效果不佳，甚至会形成橡皮土。单击能量大小和土的透水性高低，可能是影响饱和软土强夯加固效果的主要因素。有人认为可在土中设置袋装砂井等来改善土的透水性，然后进行强夯，此时机理应类似于动力固结，也可以采用动力置换，它分为整式置换和桩式置换（图3.2）。前者是采用强夯法将碎石整体挤淤，其作用机理类似于换土垫层；后者则是通过强夯将碎石填筑土体中，形成桩式（或墩式）的碎石墩（或桩），其作用机理类似于碎石桩，主要靠碎石内摩
图3.2 动力置换类型
（a）整式置换；（b）桩式置换
擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土共同作用。
3.4.2 强夯法设计计算
强夯法加固设计的任务就是确定下述参数：有效加固深度，单位面积夯击能，夯击次数，夯点间距及布置，夯击遍数和间歇时间等。
1.有效加固深度及处理范围
强夯的有效加固深度是指从起夯面算起的强夯有效影响地基深度，应根据现场试夯或当地经验确定。在缺少试验资料或经验时可按表3.5预估。
表3.5 强夯法的有效加固深度
注 强夯法的有效加固深度应从最初起夯面起算；单击夯击能E大于12000kN·m时，强夯的有效加固深度应该通过试验确定。
强夯处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围可根据建筑类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m；对于可液化地基，基础边缘的处理宽度，不应小于5m；对于湿陷性黄土地基，应符合现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2004）的有关规定。
2.夯锤和落距
强夯设计时，应根据需要加固的深度初步确定单击夯击能，然后再根据机具条件因地制宜地确定锤重和落距。
（1）单击夯击能。单击夯击能是表征每击能量大小的参数，其值等于锤重和落距的乘积。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综合确定。一般来讲，夯击时最好锤重和落距都大，则单击能大，夯击次数少，夯击遍数也相应地减少，加固效果和技术经济效果也较好。
（2）平均夯击能（即单位面积夯击能）。平均夯击能也称单位面积夯击能，等于加固面积范围内单位面积上所施加的总夯击能（单击夯击能乘总夯击次数）。单位面积夯击能的大小与地基土的类别有关，在相同的条件下，细颗粒土的单位面积夯击能比粗颗粒土适当大一些。此外，结构类型、荷载大小和要求处理的深度，也是选择单位面积夯击能的重要因素。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，而且对饱和黏性土来说，强度反而会降低。在一般情况下，对粗粒土可取1000～3000（kN·m）/m2，对细粒土可取1500～4000（kN·m）/m2。
（3）夯锤选择。国内夯锤一般重在10～40t。夯锤材质最好用铸铁，也可用钢板为外壳内灌混凝土的锤。夯锤平面一般为圆形或方形，夯锤的底可为平底、锥底和球形底等。一般锥底锤和球底锤的加固效果较好，适用于加固较深层土体，平底锤则适用于浅层及表层地基加固。夯锤中设置若干个上下贯通的气孔，孔径可取250～300mm，它可以减少起吊夯锤时的吸力，又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。
夯锤的底面积对加固效果的影响很大。当锤底面积过小时，静压力就大，夯锤对地基土的作用以冲切力为主；锤底面积过大时，静压力太小，达不到加固效果。为此，夯锤底面积宜按土的性质确定，锤底静压力值可取25～40kPa。对砂性土和碎石填土，一般锥底面积为2～4m2，对一般第四纪黏性土建议用3～4m2，对于淤泥质土建议采用4～6m2，对于黄土建议采用4.5～5.5m2。同时控制夯锤的高宽比，以防止产生偏锤现象，如夯击黄土，夯锤高宽比可采用1：2.5～1：2.8。
（4）落距选择。夯锤确定后，根据要求的单点夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距10～25m。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的传到地下深处，增加深层夯实效果，减少消耗在地表土层塑性变形的能量。
3.夯点布置
夯点平面布置的合理与否与夯实效果有直接关系。夯点的平面布置可根据基底平面形状，采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。对某些基础面积较大的建筑物或构筑物，为施工方便，可按等边三角形和正方形布置夯点；对于办公楼、住宅建筑等，可根据承重墙位置布置夯点，一般可采用等腰三角形布点，这样保证了横向承重墙以及纵墙和横墙交接处墙基下均有夯击点；对于工业厂房，也可按柱网来设置夯击点。
4.夯点间距
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。另外，还必须指出，若各夯点间距太小，在夯击时上部土体易向旁侧已夯成的夯坑中挤出，从而造成坑壁坍塌，夯锤歪斜或倾倒，而影响夯实效果。
一般来说，第一遍夯击点间距通常为5～15m（或取夯锤直径的2.5～3.5倍），以保证使夯击能量传递到土层深处，并保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则。第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可适当减小。对于处理基础较深或单击夯击能较大的工程，第一遍夯击点间距应适当增大。
5.夯击次数
夯击次数是强夯设计中的一个重要参数。夯击次数一般通过现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定。常以夯坑的压缩量最大，夯坑周围隆起量最小为确定夯击次数的原则，除按上述两种方法确定夯击次数外，还应满足下列条件：
（1）最后两击的平均夯沉量宜满足表3.6的要求：当单击夯击能E大于12000kN·m时，应通过试验确定。
表3.6 强夯法最后两击平均夯沉量
（2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起。
（3）不因夯坑过深发生起锤困难。对于粗颗粒土，如碎石、砂土、低饱和度的湿陷性黄土和填土地基，夯击时夯坑周围往往没有隆起或虽有隆起，但其量很小。在这种情况下，应尽量增加夯击次数，以减少夯击遍数。但对于饱和度较高的黏性土地基，随着夯击次数的增多，土的孔隙体积因压缩而逐渐减小。因这类土的渗透性较差，故孔隙水压力将逐渐增加，并使夯坑下的地基土产生较大的侧向挤出，而引起夯坑周围地面的明显隆起，此时如继续夯击，则不能使地基土得到有效的夯实，反而造成能量的浪费。
6.夯击遍数
整个强夯场地中，将同一编号的夯击点夯完后算作一遍。夯击遍数应应根据土的性质确定，可采用点夯2～4遍，对于渗透性较差的细颗粒土，应适当增加夯击遍数。最后再以低能量满夯2遍，满夯时可用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。图3.3是某强夯法地基处理工程的夯击遍数及夯点布置图，该工程夯击遍数为6遍。
7.间歇时间
两遍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的消散。所以间歇时间取决于超静孔隙水压力的消散时间。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。当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性较差的黏性土地基，间隔时间不宜少于2～3周；对于渗透性好的地基可以连续夯击。
图3.3 夯点遍数及夯点布置图
（夯坑中数字指夯击遍数的编号）
8.起夯面
起夯面可高于或低于基底。高于基底是预留压实高度，使夯实后表面与基底为同一标高；低于基底是当要求加固深度加大，能量级达不到所需加固深度时，降低起夯面，在满夯时再回填至基底以上，使满夯后与基底标高一致，这时满夯的加固深度加大，需增大满夯的单击夯击能量。
9.垫层
强夯前要求对拟加固的场地必须具有一层稍硬的表层，使其能够支承起重设备，亦便于夯击能得到扩散，为此可加大地下水位至地表面的距离。对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石土层，可直接施行强夯，无须铺设垫层；对地下水位较高的饱和黏性土与易液化流动的饱和砂土，均需要铺设砂、砂砾或碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动，垫层厚度一般为50～150cm。
根据初步确定的强夯参数，提出强夯试验方案，进行现场试夯。应根据不同土质条件待试夯结束一至数周后，对试夯场地进行检测，并与夯前测试数据进行对比，检验强夯效果，确定工程采用的各项强夯参数。强夯地基承载力特征值应通过现场载荷试验确定，初步设计时也可根据夯后原位测试和土工试验指标按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）有关规定确定。强夯地基变形计算应符合《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）有关规定。夯后有效加固深度内土层的压缩模量应通过原位测试或土工试验确定。
3.4.3 强夯置换法设计计算
1.处理深度
强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上。深度不宜超过10m。
2.单击夯击能及夯击次数
强夯置换法的单击夯击能应根据现场试验确定。但在可行性研究和初步设计时可按下列公式估算：
较适宜的夯击能：
夯击能最低值：
式中 H1——置换墩深度，m。
初选的夯击能宜在E和Ew之间选取，高于E则可能造成浪费，低于Ew则可能达不到所需的置换深度。强夯置换宜选取同一夯击能中锤底静压力较高的锤施工。
夯点的夯击次数应通过现场试夯确定，且应同时满足下列条件：墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长；累计夯沉量为设计墩长的1.5～2.0倍；最后两击的平均夯沉量与强夯法规定相同。
3.墩体材料
墩体材料级配不良或块石过多过大，均宜在墩中留下大孔，在后续墩施工或建筑物使用过程中墩间土挤入孔隙，下沉增加。所以墩体材料宜采用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30%。
4.墩位布置
墩位布置宜采用等边三角形或正方形。对独立基础或条形基础可根据基础形状与宽度相应布置。
墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定，当满堂布置时可取夯锤直径的2～3倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.5～2.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.1～1.2倍。当墩间净距较大时，应适当提高上部结构和基础的刚度。强夯置换处理范围与强夯法处理范围相同。
墩顶应铺设一层厚度不小于500mm的压实垫层，垫层材料可与墩体相同，粒径不宜大于100mm。
强夯置换设计时，应预估地面抬高值，并在试夯时校正。根据初步确定的强夯置换参数，提出强夯置换试验方案，进行现场试夯。应根据不同土质条件待试夯结束一至数周后，对试夯场地进行检测，并与夯前测试数据进行对比，检验强夯置换效果，确定工程采用的各项强夯置换参数。检测项目除进行现场载荷试验检测承载力和变形模量外，尚应采用超重型或重型动力触探等方法，检查置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化。确定软黏性土中强夯置换墩地基承载力特征值时，可只考虑墩体，不考虑墩间土的作用，其承载力应通过现场单墩载荷试验确定，对饱和粉土地基可按复合地基考虑，其承载力可通过现场单墩复合地基载荷试验确定。强夯置换地基的变形计算应符合《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）有关规定。