强夯法加固地基的机理与应用

强夯法加固地基的机理与应用
摘要：本文根据近年来国内外强夯法的变革和技术发展，从理论上对强夯法加固地基的机理进行了研究和分析，并对强夯法对不同地基类型的加固应用进行了分析总结。

关键词：强夯法；地基处理；加固机理
强夯法概述
我国幅员辽阔，是一个地质结构条件复杂的国家。

地基处理问题显得尤为重要。

在众多的地基处理方法中，强夯法是一种经济高效的地基处理方法。

强夯法的基本思想源于古老的夯击方法，早在公元前6世纪左右，我们的祖先就已经在加固地基或土工构筑物中广泛运用到了夯击技术。

举世闻名的万里长城的台基以及长城心墙就是采用夯击的方法用土夯实而成的。

随着社会的进步和人类的发展，夯击法历经几千年的发展和改进，逐渐演变为现在的强夯法。

强夯法将土作为一种满足技术要求的工程材料，通过对土体进行加工处理，充分利用和发挥土体本身的作用，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、容易操控、适用范围广、施工周期短等突出特点，在我国乃至世界范围内的各类工程中得到了日益广泛的应用。

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，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。

图1.1为某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况。

图1.1单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况
二、加固机理
随着强夯法加固技术的广泛应用，国内外许多专家学者对强夯法加固地基的机理进行了大量的研究。

L．Menard、Scott、Godecke、Leon、Leonards、钱家欢、高宏兴、张永钧、潘千里、阪口旭等从不同角度提出了自己的理论或观点。

一方面，从土体本身来讲，由于土的类型较多(如有饱和土、非饱和土；砂性土、粘性土、湿陷性黄土、人工填土等)，不同类型土的结构、构造及工程特性均不同，使得与土体紧密相关的强夯加固机理本身就非常复杂；另一方面，影响强夯加固效果的外部因素也很多(如单击夯击能、单位面积夯击能、锤底面积、夯点布置、
遍数、施工方式、特殊措施等)，这些因素不但直接影响强夯的加固效果，也可对强夯法加固机理作出不同的解释；再者，根据强夯法处理地基的目的或加固效果的不同，如提高地基承载力和减少压缩变形、消除地基液化、消除土的湿陷性等，也可对其加固机理作出各自的解释。

因而各位专家学者对强夯加固机理的认识看法不尽一致，至今尚未形成统一完善的理论。

现有理论主要是从宏观上和微观上对强夯加固机理进行解释。

宏观机理是外部表现，它从加固区土所受冲击力、应力波的传播、土的强度对土加密的影响等方面作出解释；微观机理是内部依据，它对冲击力作用下土微观结构的变化，如土颗粒的重新排列、连接作出解释。

强夯加固非饱和土
对非饱和土进行加固时，将地基视为弹性半空间体，重锤下落夯击的过程，其实就是将势能转换成动能的一个过程。

在夯击地面的瞬间，一部分动能以声波的形式向四周扩散，另一部分通过重锤与土体摩擦转变成热能，而剩余大部分的动能则使土体产生自由震动，并以压缩波（纵波）、剪切波（横波）、瑞雷波（表面波）三种波形在地基内传播。

由于非饱和土体中的空隙为空气、水或其它液体所充填，在夯击地面的瞬间，波在层状地基中从一个弹性介质传到另一介质，同时，波能的一部分会反射回第一个介质。

传到另一个介质的波能起到了强夯加固的作用，反射回来的波能则使地表土层变松。

强夯加固多孔隙、粗颗粒含量高、非饱和地基是基于动力压密理论，冲击型动力荷载在瞬间使土体中孔隙体积缩小，土体密实，承载力提高。

非饱和土夯实变形主要是由于土颗粒相对位移重新排列而引起，也是土中孔隙中空气被排出的过程，经强夯处理后，土体达到密实状态，孔隙体积可减少60%。

强夯加固饱和土
加固饱和土的原理相对比较复杂。

强夯过程中，首先其动力应加速饱和土的排水，使液相的比例减小。

在强夯过程中，土体有效应力的变化十分显著，且主要为垂直应力的变化。

由于垂直向主应力保持不变，超孔隙水压力逐渐增长且不能迅速消散，则有效应力减小，因此在强夯饱和土地基中产生很大的拉应力。

水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝，使孔隙水从裂缝中排出，从而加速土体的固结。

饱和细颗粒土体经强夯后，在夯坑周围会出现径向或环向裂缝，孔隙水从这些裂缝中冒出。

强夯使饱和土压缩变形，在强夯能量作用下，气体体积首先被压缩，孔隙水排出，超孔隙水压力减小，在强夯瞬间，会发生有效的压缩沉降。

当夯击反复进行时，土体颗粒相互靠拢，土颗粒表面的薄膜水受到挤压，使其部分薄膜水由物理—化学吸附作用使土颗粒相互联系，由此产生多余的水变成自由水流向土颗粒之间，形成一定孔隙水量后从地表溢出，由于薄膜水的减薄，土颗粒发生相对位移，进一步挤密，由紊乱状态进入稳定状态，孔隙大小亦达到比较均匀状态，孔隙水压力消散，土体重新稳定，承载力提高。

强夯法加固地基的应用
强夯法经济高效、操作简单的特点使得该法在工程实际中得到了广泛的应用。

主要用于以下几方面：
强夯法加固砂土液化地基
华北地区砂土液化一直是岩土工程中地基处理的重要内容，传统做法多采用挤密碎石桩工艺，处理费用很大，周期很长，如果液化不消除的话，直接采用桩基，在地震液化状态下，整个桩长约7～9米不能提供摩阻力，也就是说7～9米的桩长白白打入地下，势必造成极大的浪费；如果采用挤密碎石桩复合地基工艺，可基本消除液化，但是基底地基承载力不高，对于高重设备和承载力要求较高的建筑物，还需打入一定数量的灌注桩，这样两项工艺相加，费用更高，周期更长。

如采用强夯法对液化地基进行处理，能大幅提高基底处地基承载力，地基承载力基本能够满足一般设计要求，而强夯工艺本身比挤密碎石桩等工艺造价大幅度下降，而且施工周期大大缩短。

强夯法加固湿陷性黄土地基
强夯法加固湿陷性黄土地基在国内应用最早，应用的实例也很多。

强夯法能够有效消除地基的湿陷性，提高地基承载力和压缩模量。

经强夯法处理后的黄土地基可作为一般建（构）筑物，包括车间、厂房、油罐、机械设备基础的地基，对于有特殊要求的地基也可采用部分桩基，但此时由于消除了湿陷性，桩基消除了原有的负摩阻力，增加了侧摩阻力，桩基数量可以大大减少，从而达到提高地基承载力的同时也缩短了施工周期。

强夯法加固抛石填海地基
强夯法在加固抛石填海地基中也得到了广泛的应用，由于抛石填海地基块石较大、级配很差、堆填厚度大、整个场地非常疏松，并且不均匀，除了强夯工艺以外的其他工艺都很难保证其加固效果，满足设计要求，且不经济。

经强夯处理过的抛石填海地基检测评价是一项关键技术，尤其是对场地均匀性，有效加固深度的评价更为重要。

目前国内应用较为普遍的做法是载荷试验结合标准贯入、重型动探等试验。

强夯法加固砾质黏性土回填地基
砾质黏性土具有黏土含量，同时又具有粗颗粒含量。

它是由未经搬运的花岗岩全风化产生，其中大于2mm的粗颗粒被黏粒所包围，天然状态孔隙比较大，液性指数较小，压缩性较低，但遇水易崩解，当饱和度较低时常具有某种程度的湿陷性。

当砾质黏性土回填地基，场地面积多采用分层碾压法进行地基加固，但效果很难保证质量，且工期较长，施工工艺也复杂，费用也高。

在工程实践中采用强夯法取代分层碾压法处理砾质黏性土，不仅简化了工艺，加快了施工周期，
加固效果和经济效益也得到了大幅提升。

强夯法加固山区非均匀回填地基
我国是个多山区的国家，因此强夯法加固山区非均匀回填地基也得到了广泛的应用，随着强夯工艺的不断发展，特别是高能级强夯工艺的推广应用，为山区高填方非均匀回填地基处理提供了即经济又可行的方法，用强夯法加固山区非均匀回填地基，比原来的分层碾压等方法更有经济效益，加固效果也很显著，地基承载力和压缩模量更高，工期更短。

参考文献
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