《强夯施工工法》(任泽华)
强夯法处理地基工程施工工法
中铁十九局集团第五工程有限公司路桥二公司任泽华王茂盛
一、前言
强夯法是20世纪60年代末、70年代初首先在法国发展起来的，国外称之为动力固结法，以区别静力固结法。这一般是将10—40t的重锤以10—40m的落距，对了基土施加强大的冲击能，在地基土中形成冲击波和动应力，使地基土压实和振密，以加固地基土，达到提高强度、降低压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性的目的。强夯法以其适应性强、效果好、造价低、工期短等优点，成为我国地基处理的一项重要技术。
二、工法特点
1、质量可靠，造价低，进度快，节约三材，经济效益显著等特点。
2、强夯法加固地基，能代替某些桩基础而节省钢材、木材和水泥，而且速度快、效果好、投资少，是一种经济、简便的地基加固方法。
3、该法所用设备简单，质量控制方便，适用范围广泛。
4、强夯法一般采用重力为80kN（8t）以上重锤，起吊到6m以上高度，垂锤呈自由落下，对土体进行强力夯实。它是一种既能提高地基强度，降低其压缩性，又能改善其抵抗地震液化的强力和消除土的湿陷性的地基加固方法。
三、适用范围
1、强夯法加固地基，适用范围广泛，可用于湿陷性黄土、碎石土、砂土、一般粘性土、软土以及工业或生活垃圾等各种填土地基。对于非饱和土地基，强夯加固效果显著，在呈流塑状的淤泥中抛填碎石、（钢渣、矿渣）进行强夯挤淤也能取得较好的效果。
2、处理深度一般不超过15m。
3、地下水位距地表面2～3m为宜。
4、夯击对象最好为粗颗粒土组成。
5、施工现场距原有建筑物应有足够的安全距离，一般宜大于10m。
6、对于饱和软土，地表面应铺一层较厚的砾石、砂士等填料。
四、工艺原理
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8—40t)重锤，从几十米(一般6—40m)高处自由落下，给土以强烈的冲击和振动。地基土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。
应用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。
五、施工工艺流程及操作要点
（一）施工工艺
根据工程地质勘察报告与建筑物的设计要求，施工前应对地基加固方案进行初步设计，包括加固的工艺与主要的技术参数，并进行试夯，检验与修正技术参数，方可正式施工。
1、工艺
强夯法夯击过程为先对有一定间距的单点(主夯点)进行夯击，后对整个场地挨点满夯。
2、参数
（1）强夯加固地基的有效(影响)深度
H=(Mh/10)-2
M——锤重(t)；
h——落距(锤底至起夯面距离) (m)。
（2）强夯能级(指单点夯击)
E=W?h(kN?m)
W——锤重(kN)；
h——落距(m)。
（3）单点锤击数
对单个夯点，一次连续夯击次数。
击数控制标准如下：
①夯坑标高控制：打到要求标高或夯坑达到某一深度，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3—5cm。
b.软弱土5—10cm。
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20—30cm。
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。
（4）满夯的锤击数
对每个夯点连续夯击数一般为3—5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。
（二）施工方法及操作要点
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3—5m或以外排基础边扩8—10m，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。夯沉深度与地质情况，能级等有关。此值可经过试夯确定。
2、夯点布置
按处理面积均匀布点时，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1.5D—2.5D(D为锤底直径)，呈正方形、梅花形和等边三角形布置。
(2)满夯为挨点错位相切。
3、试夯
根据设计指标和地质报告，参照有效影响深度公式、结合实际经验，首先确定试夯能级，然后选择不同的锤底面积、布点间距、施工顺序、夯击遍数、单点夯击数等。夯后经过测试，得出满足设计要求的最佳数据，确定施工工艺和参数。有条件时，对含水量较大的地基土。为能提供各遍准确的间隔时间，最好做孔隙水压力消散试验。
试夯场地可选在本工程场地内或附近，有经验时也可在工程开始部分安排试夯。
4、施工程序
施工程序如图1：
图1 强夯法施工程序
六、劳动组织
(1)起重工：1000—2000kN?m配4人；
3000—4000kN?m配5—6人；
5000kN?m以上配6—7人；
填料工若干人(指需填料强夯)。
(2)起重机车司机：2人。
(3)推土机司机：1—2人。
(4)机修工：3人。
(5)测量工：1—2人。
(6)其它管理人员和工人依工程情况可作必要的调整。
七、材料与设备
(1)起重设备：为强夯的主要机械，一般额定起重能力为夯锤重量的1.5—3倍，我国大都用履带式吊车改装。根据工程所采用的夯锤和起重高度来选用起重机的型号。可单机作业，也可主、副机(移锤)联合作业。
(2)门架：由横梁和二个支腿组成，支腿的结构形式有格构式或管式。门架上部横梁中心绞接于吊杆顶部。
(3)脱钩装置：由带拉杆的吊钩和滑轮组成，配上牵引钢丝绳，当夯锤起到规定高度时能自动脱钩落锤。
(4)夯锤：夯锤的选择系根据土质条件、设计要求和强夯能级决定。夯锤重一般为80—400kN。设数个上下贯通的通气孔。夯锤的材质为铸钢、铸铁或钢壳包混凝土几种。其锤底形状多为圆形，锤底面又有平底、锅底、球形等，地面投影面积一般为4—8m2。
(5)推土机：是强夯必不可少的辅助机械，作为场地整平压实之用。
八、质量控制
1、强夯中需要测定的数据
(1)夯前的场地标高，各遍夯后整平标高。
(2)各遍夯点最后三击的夯沉量，计算出夯坑的总下沉深度，各遍在整个夯区内均匀的选一定数量的点测每一击的下沉量，作为与试夯比较和检测参考、满夯只在开始时，以贯入度控制，得出锤击数，以后以此数为准施打，不再作测量。
(3)强夯中若发现地面变化较大时，需作隆降观测。
(4)强夯形成的夯抗直径，主要在试夯时测定，作为计算土体压缩及填料量的参考。
(5)对有填料要求的强夯，需记录各夯坑的填料数量。
2、施工要求
(1)施工前必须用仪器，准确放出夯点中心位置，并划出圆圈，施夯时对点要准。
(2)必须按规定的起锤高度、锤击数和控制指标施工，不得随意改变。
(3)施工中如发现偏锤，应重新对点。
(4)施工中如发现歪锤时，需用填料(或土)将坑底垫平，才能继续施夯。
(5)如遇夯锤的通气孔堵塞，应立即开通。
(6)表层土过干(尤其是满夯)应采取增加含水量的措施。
(7)雨期施工，要防止雨水浸泡现场，夯坑内有积水应及时排出后方可施工。
(8)强夯中的满夯是重要的一环，必须精心施工，否则表层质量不好，将造成建筑物沉降过大和发生不均匀沉降。冬期施工时，不宜进行满夯。
严格按照设计布置的夯点放线、夯击；按照试夯所确定夯击击数、间隔时间、夯击遍数、锤重、落距等参数施工。
如采用方形锤应有人工导向。
在满夯时应随时调整吊车位置，以防止出现以吊车为中心的扇形面，影响夯击效果。
3、加固效果检验
(1)强夯法处理地基后，由检测得出夯后地基土的各项物理力学指标。其指标主要是地基土的承载力，对饱和粘土还要提出压缩模量。对湿陷性黄土，要测出消除湿陷的深度，对于液化地基土应测出消除液化的深度。
(2)检测点布置在夯点上和夯间：强夯过的场地较均匀，可取少量点检测。为检测结果更可靠，在夯打过程中发现的较软弱区域可多布点。
(3)夯后开始检测的时间，根据土质情况决定。砂质土可在竣工后一周左右或立即检测。含水量在塑限左右的粘性土，可在2—4周或稍长一些时间检测，饱和粘土要视孔隙水消散时间而定，淤泥质土要视孔隙水消散时间及土体恢复而定。后两种土开始检测时间一般较长。
(4)强夯测试手段有静载荷试验、动力触探、标准贯入、静力触探、旁压、土工试验等。可选一种或数种方法检测。
含水量低的地基土、饱和砂类土、可选标贯。湿陷性黄土用静探与探井取样做土工试验两手段结合。夯后场地一般不做载荷浸水试验。饱和粘土、淤泥质土应以标贯为主，配合静探分析(单独使用静探则结果偏低)、碎石类土用重(2)测试。
九、安全措施
夯击点布置图
1、强夯施工的夯锤系自动脱钩，现场施工必须高度集中，统一指挥，不得有任何混乱现象，整个现场应由起重指挥员全面负责。
2、吊车司机、推土机司机都要集中精力听从起重指挥员的号令，不得盲动，夯锤起吊后，禁止任何人从吊杆下方通过。
3、吊车司机应严格遵守安全操作规程。
4、夯锤升起如超过脱钩高度仍不能自动脱钩时，起重指挥员应立即发出停车信号，并将夯锤落下，找出原因，进行处理。
5、夯击前应注意周围高压线对吊车及缆绳的影响，对临近的建（构）筑物、厂区竖向工程地下管沟或管线、电杆等亦应保持一定距离，并会同设计部门进行调查，共同确定强夯加固范围。
6、在吊车操作室挡风玻璃前，应增设一面铅丝防护网。
7、由于强夯机组高大，稳定性较差，因此对施工场地要求较严，不得软硬不匀，不得有虚填坑洞和浅层墓坑。
8、强夯时有土块石子等飞出，现场人员必须戴安全帽。吊车上应安装防护网，非施工人员不得进入现场。
9、应随时注意检查机具的工作状态，经常维修和保养，发现不安全之处应及时处理。
十、环保措施
1、夯击场地应视情况适当洒水，以防石、水四溅，尘土飞扬。
2、对临近有精密电子设备的建筑物，应采取隔振措施，以消除振动带来的危害。
十一、效益分析
对各种不同类型地基的地质条件，强夯所产生的效果不同，但总的特点是节约三材，缩短工期，效果明显，造价低。强夯比碎石桩、混凝土灌注桩、预制桩、换土、灰土桩、砂桩等可节约投资30%左右。由于施工进度快、早日投产所产生的社会经济效益就更大了。
十二、工程实例
我单位承建的长吉城际铁路
CJCJ-2标段强夯面积为53207m 2
，设计夯击能为1000 kN ·m ，现已施工
29033m 2
。施工中采用W —1001型履带式起重机，夯锤采用锤重22t ，落距4.5m ，采用点夯和满夯结合的方案，夯点布置如图2。已完强夯经检测满足了设计的强度和变形要求。
图2 夯点布置图
工法评审申报表
填报单位：中铁十九局集团第五工程有限公司路桥二公司