1.1强夯法

 

　　强夯法是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固法。它通常是借夯锤(一般10t-40t)自由下落(落距8一25m，最高可达40m)的强大冲击动能和所产生的强大冲击波反复夯击地基，将夯面下一定深度范围内的土层进行强力夯、压、挤实，达到提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等目的，从而改善地基土的工程性质。

 

　　强夯法是一种主动加固方法，它将土作为一种能满足技术要求的工程材料，在现场对土层本身进行处理，充分利用和发挥土层本身的作用，符合岩土工程“要充分利用岩土体本身作用”的总原则。该法自诞生以来，以其经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、适用范围广、施工周期短等突出优点，在世界各地多种类型、多种目的的工程地基处理中得到了日益广泛的应用。

 

　　1.2在国内的使用

 

　　目前，在国内强夯法在炸山填海、围海造地等工程得到愈来愈多的使用。本文主要介绍强夯法在海擎重工煤化工厂房地基处理中的成功使用。

 

　　2.海擎重工煤化工厂房工程概况和技术要求

 

　　2.1工程概况和施工技术要求

 

　　（1）工程所处的位置

 

　　海擎重工机械有限公司煤化工设备制造厂房位于葫芦岛经济开发区北港工业区内，该厂房地基为海域回填，采用沙石推填方法至设计要求标高，场地较为松散，需要进行地基处理，以提高回填土的地基承载力和压缩模量。总地基处理面积约5万㎡。

 

　　（2）地质概况

 

　　该场区通过人工回填方式已形成陆域，回填料为素填土，含较多碎块石，最大粒径在40cm以上，个别达1.0m左右。填土成分不均匀，填土表面略有起伏，厚度变化较大，平均在8m左右，最大回填厚度为14m。地下水位受海潮影响，在地面以下3.0~5.0m间波动。根据试验区夯前钻孔揭露，场地地层自上而下划分为5层：①素填土。稍湿～湿，松散～稍密，主要由石英岩、辉绿岩与板岩碎块及少量黏性土组成，碎块含量60%左右，土的颗粒级配极差，承载力较低。②粉细砂或含砾粉细砂。饱和，松散～稍密，含少量石英质砾石及贝壳碎片，分布较连续，层厚在0.5～3.5m不等，为海相成因，工程地质性质较差，局部存在可液化点。③粉质黏工程地质性质较差，局部存在可液化点。③粉质黏土。饱和，软塑～可塑状，含少量砂和砾。分布连续，层厚在0.8～3.0m不等，为海陆交互相成因，其工程地质性质较差，承载力较低，为一下卧软弱夹层。④碎砾石。饱和，稍密～中密，碎石以石英质为主，次棱角状，粒径为2～4cm，碎砾石含量为50%～60%，孔隙间充填黏性土及少量砂。分布连续，层厚在0.5～5.0m，工程地质性质较好。⑤强－中风化板岩。岩芯呈碎块状，用手可折断，具散体结构，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

 

　　2.2地基处理质量验收标准

 

　　地基承载力特征值fak≥250kPa，有效加固深度达到10m，2m～4m深度范围内压缩模量Es≥20MPa，4m～6m深度范围内压缩模量Es≥15MPa，6m～10m深度范围内压缩模量Es≥10MPa。

 

　　3.试验性施工目的

 

　　在正式施工前先进行试验性施工为判断强夯法地基处理方案在本场地的适宜性；评价处理方案的效果，包括处理范围和有效加固深度，即场地经地基处理后，地基土的承载力、变形模量等指标是否满足设计要求，特别是地基工后沉降变形是否满足设计要求。最后确定适合本工程场地地质条件的强夯施工工艺和施工参数。

 

　　3.1强夯试验方案

 

　　试夯区长度为20m，宽度为20m。具体见平面布置图。

 

　　强夯工艺：场地验证→测量放线→第一遍点夯→回填夯坑整平→碾压→测量放线→第二遍点夯→回填夯坑整平→第三遍点夯→回填夯坑整平→满夯→碾压→夯后检测。

 

　　3.2试夯设备、参数要求

 

　　本次试夯采用最新研制的CGE-1800系列强夯机，额定重为900kN（最大重为1200kN），采用自动遥控装置系统，安全可靠；夯锤选用直径2.5m，重量达450kN的铸钢锤，底面静压力约为90kPa；夯锤落距为33.3m，单击夯击能为15000kN·m。

 

　　试验区15000kN·m能级第1遍、第2遍夯点间距为10m×10m，停夯标准为最后2击的平均夯沉量不大于20cm，夯击次数为25击，中间适时采用开山碎石土回填夯坑再强夯；然后采用8000kN·m能级强夯1遍，连续夯击停夯标准为最后2击的平均夯沉量不大于10cm，夯击次数约为20击；其夯点布置是在第1、2遍相邻两个主夯点中间插点；满夯采用3000kN·m能级，每点夯击数为 2击，要求夯印彼此搭接1/3。15000kN·m强夯的功效在于处理深层地基，8000kN·m插点夯在于处理主夯点之间的楔形地基。根据场地素填土、粉细砂、粉质黏土与碎砾石层分布，设想强夯加固深度可达13-15m。

 

　　3.3沉降量分析

 

　　夯沉量是第一击最大，而后随着夯击数的增加而减小，并逐渐趋于定值。其中两条15000kN·m夯击能曲线（A5B5与A4B4）上分别出现了2个尖点（突变点），为强夯过程中两次填料所致；填料后夯击仍然是第1击夯沉量最大，而后逐渐减小并趋于定值，且第1次填料的夯沉量大于第2次填料夯沉量，由此说明二次填料后夯沉量在减小，夯坑底部逐渐趋于密实。

 

　　对比分析3条单击夯沉量曲线可见，总体上第1遍15000kN·m夯击点(A5B5)每击夯沉量大于第2遍15000kN·m夯击点（A4B4），二者均大于第3遍8000kN·m夯击点(A4B1)，这从3条地面总夯沉量曲线上也能明显反映出。分析地面总夯沉量曲线，15000kN·m能级主夯的总夯沉量在4～4.87m之间，而8000kN·m夯击能总夯沉量在3.25m。点夯进行中每夯一击实测地面总夯沉量，同时对夯坑周边进行地面凹陷与隆起的监测。

 

　　监测结果表明，第1遍15000kN·m单点夯击过程中周边地面表现为沉降，靠近夯锤的2个观测点下沉较为显著，远离夯锤各点下沉逐渐减小，到远处观测点下沉已不明显；综合分析表明，15000kN·m单点夯侧向影响范围应在6.25m左右。由此可见，10m×10m的主夯点间距设计还是比较合理的。夯击过程中填料2次，累计加料厚度约为1.19m，填料与坍料以下沉为主，侧向挤土作用较弱，最终夯坑深度为4.87m，夯坑范围超过2倍夯锤直径，达到6.2m。此点夯击至18击时已达到连续2击的平均夯沉量不大于20cm的要求，为安全起见，将夯击数增至20击，最后2击平均夯沉量为18.5cm。第2遍15000kN·m单点夯击过程中周边地面表现为隆起，靠近夯锤的两个观测点隆起显著，远离夯锤各点隆起不明显。第1、2击隆起量显著，以后各击变化不明显；至第10击隆起量明显回落，表现为整体沉降，但夯坑远处监测点隆起量有所增加。分析原因为：由于受第1遍夯击作用影响，2遍夯坑下方土体（5m以下）较上部密实，起初夯击时侧向挤土膨胀造成地表鼓起；当10击挤密周围土体后转而夯击回填碎石向下挤土，同时带动周围素填土下移，表现为整体沉降；多次向下挤土使得素填土进入软黏土层或夯击能影响到该层，导致软黏土侧移、上鼓，致使远处监测点表现为隆起。夯击过程中填料2次，加料厚度为0.82m，形成夯坑深度为4m，实测夯坑直径为5.2m。此点第17击因故障停夯，后补充夯至20击，最后2击平均夯沉量已在15cm之内。

 

　　综合两遍15000kN·m单点夯的监测结果认为，15000kN·m夯击过程中每个夯点填料2次，最佳夯击数为18～22击。第3遍8000kN·m单点夯击过程中周边地面仍表现为隆起，靠近夯锤的2个观测点隆起显著，远离夯锤各点隆起不明显，最远处观测点影响极小。其侧向影响范围应在5.25m左右。夯击过程中未填料，形成夯坑深度为3.34m，实测夯坑直径为5.0m。此点夯击至16击时已达到连续两击的平均夯沉量不大于10cm的要求，为安全起见，将夯击数增至18击，最后2击平均夯沉量为3cm。综合分析认为，8000kN·m单点夯最佳夯击数为16～18击。

 

　　4.强夯地基测试及加固效果分析

 

　　4.1强夯地基承载力测试及结果分析

 

　　15000kN·m强夯试验区夯前布置动力触探测试孔3个（其中1个孔兼取样），夯后布置动力触探孔2个，取样孔1个。现将Zk2、Zk3孔夯前与夯后动力触探测试结果列于表1，夯前Zk1孔、夯后Zk4孔（夯后3个月）室内土工试验结果列于表2。其中粉细砂、粉质黏土层采用标准贯入试验测试。

 

　　强夯后厚层素填土的地基承载力特征值提高近3倍，粉质黏土提高50%，粉细砂与碎砾石也均有20%以上增幅；位于夯间的Zk2孔其地基承载力也有明显提高，但幅度稍小。由表 2夯前Zk1孔与夯后Zk4孔土工试验结果的对比分析可见，夯后粉质黏土的孔隙比、液性指数、压缩系数均有明显改善，其对应300～400kPa压力时的压缩模量提高了86%。可见强夯后各土层的地基承载力提高显著。

 

　　4.2软弱夹层的强夯地基有效加固深度讨论

 

　　强夯地基的有效加固深度一直是强夯技术理论中重要而未得到根本解决的问题。王铁宏等系统地总结了国内外现有强夯法有效加固深度的9类40多种确定方法，建议采用如下的梅纳公式的修正形式进行强夯有效加固深度的预估。

 

　　式中：D为有效加固深度（m）；M为锤重（t）；H为落距（m），a为小于1的修正系数，与土质条件有关，其范围大致为0.34～0.80或0.3～0.8，最小值为针对杂填土得到的修正系数=0.2。针对本例采用15000kN·m高能级处理下卧软弱夹层的碎石回填地基，强夯的影响深度已达到碎砾石层，其有效加固深度为11.5m左右，相当于采用式（1）时取=0.3时的有效加固深度。这一修正系数值比文献建议的=0.45～0.55（碎石土等粗颗粒土）、=0.37～0.41（爆破开山抛石填海地基）要小（不考虑地下水、下卧软弱黏土夹层对能量的吸收），与Mayne等针对124项中低能级强夯工程实例所得系数区间的小值恰好一致，与嵇转平针对中高能级（3000～8000kN·m）强夯处理炸山大块抛石填海地基所得修正系数=0.29～0.32也较为一致。由此表明，下卧软弱黏土夹层、地下水等不良地质条件对高能级强夯碎石回填地基的有效加固深度影响是明显的，在预估强夯有效加固深度时应取修正系数的低值。

 

　　4.3场地处理效果综合分析

 

　　本地基处理以消除软弱夹层为主要目的，根据静力触探分析可知，经15000kN.m能级强夯处理后，浅层地基土承载力≥250kPa，压缩模量≥20MPa，场地有效加固深度可达10m。

 

　　5.15000kN.m处理软弱夹层的强夯地基的总结

 

　　通过对一典型沿海软弱夹层的碎石回填地基高能级强夯试验的研究表明：

 

　　5.115000kN·m高能级强夯夯坑较深，当深度H≥5m时，在第3遍8000kN·m点夯完成后尽量采用8000kN·m能级对第1、2遍夯点进行补夯（固夯），以最后两击平均夯沉量不大于15cm作为控制标准；

 

　　5.2单点夯夯点及夯坑周围监测数据分析表明，强夯施工过程中应尽量加大夯坑深度，在不得已的情况下（提锤困难）再填料，每次填料厚度应有所控制，不可太厚，以坑深1/3为宜，以确保夯击能量有效传递至坑底以下较大深度，而不只是用于压密回填料，同时将回填料挤入坑底下较大范围，以置换下卧软弱层或迫使软弱层下移、侧向挤出并变薄，从而达到提高软弱夹层承载力或减小沉降；

 

　　5.3对于含碎石的黏性土地基或黏性土裹碎石地基、软硬互层上的碎石回填地基、高地下水位等复杂地质条件下的强夯作用机制与有效加固深度问题目前还不十分清楚，仍需开展深入而细致地试验工作；特别是更高能级（15000~20000kN·m）强夯技术应用于深厚碎石回填地基（大于15～20m），将成为未来的发展方向。

 

　　参考文献

 

　　[1]水伟厚，王铁宏，王亚凌.碎石回填地基上10000kN·m高能级强夯标准贯入试验[J].岩土工程学报，2006，28(10)：1309－1312.

 

　　[2]姚仰平，侯伟.土的基本力学特性及其弹塑性描述[J].岩土力学，2009，30(10)：2881－2902.