張有春，魯建榮

（灤南交通運(yùn)輸局， 河北 灤南 063500）

目前，強(qiáng)夯法已較廣泛地應(yīng)用于房屋、倉(cāng)庫(kù)、油罐、工業(yè)設(shè)備、公路、鐵路、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道、港口碼頭等工程的地基加固，適用于碎石土、砂土、低飽和度土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等。

強(qiáng)夯法就是利用起重設(shè)備將重錘提升到一定的高度，然后使重錘自由下落，以巨大的沖擊能量作用在地基上，使土中產(chǎn)生極大的沖擊波，以克服土顆粒間的各種阻力，使地基壓變以達(dá)到加固地基的一種地基處理技術(shù)。這種方法的顯著特點(diǎn)是夯擊能量大，因此影響深度大，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、效果顯著、設(shè)備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、質(zhì)量控制容易、適用土層范圍廣、施工周期短等突出優(yōu)點(diǎn)。

1 強(qiáng)夯法的發(fā)展歷史

強(qiáng)夯法的基本思想源于古代的夯實(shí)地基法，萬(wàn)里長(zhǎng)城、唐長(zhǎng)安大明宮等主要建筑基礎(chǔ)均為夯筑。在近代，南斯拉夫、丹麥、蘇聯(lián)等國(guó)都試驗(yàn)過(guò)較重的錘，從較大的高度落下，以期達(dá)到在更大的深度內(nèi)獲得良好的加固效果。特別是羅馬尼亞，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，應(yīng)用夯錘重5～7t，落距5～9m，加固深度可以達(dá)到2～4m的重級(jí)落錘夯實(shí)法。這也可以認(rèn)為是強(qiáng)夯法的起源。強(qiáng)夯法，是由法國(guó)的路易·梅那（L.Menard）于1970年首先創(chuàng)立的地基加固技術(shù)。在強(qiáng)夯法施工初期，僅對(duì)淺層素填土、碎石填土、砂土進(jìn)行加固，這時(shí)尚處于重錘夯實(shí)階段。隨著工程實(shí)踐的增加，并且對(duì)某些條件下的細(xì)粒土軟弱地基的處理也取得了一定的效果，于是就發(fā)展成為動(dòng)力固結(jié)法。

2 強(qiáng)夯法發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)于1978年9月引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)， 1979年初塘沽率先進(jìn)行強(qiáng)夯法加固黏土地基的試驗(yàn)研究。同年6月河北廊坊與山西陽(yáng)泉又分別對(duì)軟黏土、粉細(xì)砂地基與黃土質(zhì)砂黏性土填方地基進(jìn)行了處理，這是我國(guó)采用強(qiáng)夯技術(shù)處理地基最早的兩個(gè)工程實(shí)例。隨后該技術(shù)迅速推廣， 北京、天津、西安等地的地基處理工程都采用了該項(xiàng)技術(shù)，并取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

我國(guó)強(qiáng)夯技術(shù)經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段。

第一階段，自引進(jìn)到20世紀(jì)80年代初，約8年，本階段工程應(yīng)用的強(qiáng)夯能級(jí)比較小，一般僅為1 000kN·m，處理深度5m左右，以處理淺層人工填土為主。

第二階段，20世紀(jì)80年代初到90年代初，約10年。在該階段，代表項(xiàng)目是國(guó)家重點(diǎn)工程山西化肥廠，在施工過(guò)程中為了消除黃土地基的濕陷性，國(guó)家化工部組織科研，開(kāi)發(fā)了6 250kN·m強(qiáng)夯能級(jí)，使強(qiáng)夯的有效處理深度提高到了10m左右，強(qiáng)夯的應(yīng)用范圍也得到擴(kuò)展， 強(qiáng)夯技術(shù)日臻完善。

第三階段，20世紀(jì)90年代初到2002年，該階段以興建國(guó)家重點(diǎn)工程三門(mén)峽火力發(fā)電廠為代表，該項(xiàng)目成功使用了8 000kN·m強(qiáng)夯能級(jí)，使強(qiáng)夯消除黃土濕陷性的深度達(dá)到12m。此后， 高能級(jí)強(qiáng)夯技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，包括貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)、上海浦東機(jī)場(chǎng)等工程在內(nèi)的許多國(guó)家重點(diǎn)工程都采用了強(qiáng)夯地基處理技術(shù)，取得了預(yù)期效果，為國(guó)家節(jié)省了大量投資。

第四階段，從2002年底至今，為了處理高填方地基，試驗(yàn)開(kāi)發(fā)了10 000kN·m強(qiáng)夯能級(jí)，經(jīng)檢測(cè)，10 000kN·m能級(jí)強(qiáng)夯有效處理深度超過(guò)了15m，強(qiáng)夯技術(shù)取得了較大突破，縮小了與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距。為了更進(jìn)一步擴(kuò)大強(qiáng)夯的應(yīng)用范圍，在強(qiáng)夯技術(shù)的基礎(chǔ)上，還形成了強(qiáng)夯置換和柱錘沖擴(kuò)等新技術(shù)。強(qiáng)夯這種工藝于2007年首次投入到了客運(yùn)專(zhuān)線鐵路施工中，用于新建武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線之中。

當(dāng)前應(yīng)用強(qiáng)夯法處理地基的工程范圍極廣，已付諸實(shí)踐的有工業(yè)與民用建筑、重型構(gòu)筑物、機(jī)場(chǎng)、堤壩、公路和鐵路路基、貯倉(cāng)、飛機(jī)場(chǎng)跑道及碼頭、核電站、油庫(kù)、油罐和人工島等。近年來(lái)強(qiáng)夯法在工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)方面己發(fā)展應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)、沙漠地基、核廢料場(chǎng)等的處理?？傊?，強(qiáng)夯法在某種程度上比其他機(jī)械的、化學(xué)的或力學(xué)的加固方法使用更為廣泛和有效。

3 強(qiáng)夯法研究方向

3.1 強(qiáng)夯加固地基的力學(xué)模型研究

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)強(qiáng)夯法的力學(xué)模型進(jìn)行了一些研究，陸新對(duì)軟粘土地基在靜力固結(jié)模型基礎(chǔ)上針對(duì)強(qiáng)夯特點(diǎn)提出了強(qiáng)夯動(dòng)力排水固結(jié)模型。很多學(xué)者還通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M強(qiáng)夯的作用機(jī)理，對(duì)其動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了開(kāi)拓性研究。錢(qián)家歡等曾用自制的動(dòng)力固結(jié)儀模擬強(qiáng)夯， 分別提出了飽和砂土及飽和粘土在沖擊荷載作用下壓縮模量、卸荷模量以及動(dòng)孔隙水壓力的經(jīng)驗(yàn)公式。韓文喜等也獲得了飽和土在強(qiáng)夯作用下的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、孔隙水壓力的變化規(guī)律及強(qiáng)夯的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征。詹金林等也提出了高能級(jí)強(qiáng)夯加固機(jī)理的數(shù)值模擬模型。

3.2 夯擊能的傳遞與作用機(jī)理

左名麒提出的振動(dòng)波理論認(rèn)為夯擊所產(chǎn)生的巨大沖擊能將以波的形式向土介質(zhì)傳播。強(qiáng)夯主要是縱波和橫波起加固作用，而面波主要是R波，不但不起加密作用，反而對(duì)地基表面產(chǎn)生松動(dòng)，是有害波。針對(duì)R波的作用，孔令偉等通過(guò)研究三個(gè)代表不同土質(zhì)條件的強(qiáng)夯實(shí)踐后認(rèn)為，瑞利波可穿透較深的土層，使得地基在R波作用下產(chǎn)生變形并使土顆粒更為緊密的排列，即認(rèn)為R波對(duì)地基加固起了不可忽視的作用。根據(jù)地基土的類(lèi)別不同，強(qiáng)夯加固基本原理可分為動(dòng)力夯實(shí)、動(dòng)力固結(jié)兩種情況，其共同特點(diǎn)都是通過(guò)破壞土體的天然結(jié)構(gòu)并達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 強(qiáng)夯作用下的地基性狀

根據(jù)強(qiáng)夯后標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)資料分析，郭見(jiàn)揚(yáng)提出了強(qiáng)夯地基的雙層構(gòu)造理論。他認(rèn)為對(duì)于強(qiáng)夯的加固效果，在某個(gè)深度以上夯后N值明顯增加，形成良好的持力層，而在這個(gè)深度以下N值增加和減小的可能性都存在。但即使強(qiáng)度有所降低，它的抗振動(dòng)穩(wěn)定性將有所提高， 這充分肯定了強(qiáng)夯的加固效果。宋修廣等綜合考慮地基土的流固動(dòng)力耦合和地基與夯錘接觸表面的動(dòng)力耦合情況，給出了基于三維有限元法的計(jì)算方法和迭代格式，并對(duì)一具體算例進(jìn)行了耦合數(shù)值分析，總結(jié)了地基位移、應(yīng)力及接觸反力等在強(qiáng)夯作用時(shí)間內(nèi)的變化規(guī)律和在空間上的分布特征。

在強(qiáng)夯加固的微觀機(jī)理研究方面，則主要以試驗(yàn)為主。陳東佐曾通過(guò)X光衍射和掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，分析研究了陜西潞城濕陷性黃土的全礦物成分及其強(qiáng)夯前后主要物理力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)在加固效果最好的夯后土體中存在著旋渦狀的微結(jié)構(gòu)。

對(duì)于強(qiáng)夯法加固地基的機(jī)理，現(xiàn)在一般認(rèn)為，從加固原理與作用看分為動(dòng)力夯實(shí)、動(dòng)力固結(jié)、動(dòng)力置換三種形式。對(duì)于非飽和土，很高的沖擊能使顆粒移動(dòng)，從而孔隙中氣泡迅速排出或者壓縮，孔隙體積減小，形成較密實(shí)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為動(dòng)力夯實(shí)。飽和粘性土中，夯擊破壞了土體原有結(jié)構(gòu)并產(chǎn)生裂隙，引起滲透性增大，孔隙水壓力消散后土體固結(jié)，稱(chēng)為動(dòng)力固結(jié)。而通過(guò)在夯擊過(guò)程中回填各種散體材料如塊石、碎石等并與周?chē)馏w共同作用形成復(fù)合地基的方法稱(chēng)為動(dòng)力置換。

3.4 強(qiáng)夯孔隙水壓力的消散規(guī)律

強(qiáng)夯后孔隙水壓力的消散問(wèn)題是工程界和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼪Q定著強(qiáng)夯的夯間間隔時(shí)間和有效影響范圍。研究孔壓的產(chǎn)生、增長(zhǎng)和消散規(guī)律可以防止孔壓的快速累積和加速孔壓消散，從而減少大面積液化和“橡皮土”的產(chǎn)生，對(duì)于提高地基土的加固效果和加快工期，以及強(qiáng)夯加固機(jī)理的研究都十分必要。

韓文喜利用土動(dòng)三軸儀對(duì)強(qiáng)夯加固飽和砂土進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)，認(rèn)為飽和砂土在強(qiáng)夯作用下，顆粒在向下壓縮和向周?chē)鷶D壓的同時(shí)顆粒間的孔隙被壓縮，形成超靜孔隙水壓力，夯擊后超靜孔壓能夠迅速消散，沒(méi)有孔壓的疊加現(xiàn)象。

白冰將強(qiáng)夯荷載看作加荷和卸荷過(guò)程，并將其離散為若干等幅均布荷載，分析了飽和土層在強(qiáng)夯荷載下孔隙水壓力的分布特點(diǎn)，并給出了在加、卸荷階段土層內(nèi)部任一時(shí)刻的孔隙水壓力表達(dá)式。

現(xiàn)在，大量的工程實(shí)踐證明，對(duì)于不同類(lèi)型土，其孔隙水壓力的產(chǎn)生、增長(zhǎng)和消散規(guī)律是不同的。砂性土滲透系數(shù)大，孔壓消散快，一般可連續(xù)夯擊，而粘性土滲透性差，需要較長(zhǎng)的夯間間隔時(shí)間以避免橡皮土的形成。

4 強(qiáng)夯法技術(shù)應(yīng)用展望

雖然強(qiáng)夯理論研究工作取得了一定的進(jìn)展， 但理論上仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了強(qiáng)夯的實(shí)際工程需要。目前還沒(méi)有一套很成熟、完善的設(shè)計(jì)計(jì)算方法， 仍然依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方法來(lái)確定。在現(xiàn)階段我國(guó)實(shí)施強(qiáng)夯法處理地基土仍存在很多問(wèn)題沒(méi)有完全解決。這在一定程度上制約了這種方法的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)強(qiáng)夯地基土的研究，特別是高飽度土地基，前人主要集中在強(qiáng)夯機(jī)理的分析及影響范圍的計(jì)算，目前則注重于強(qiáng)夯工藝和強(qiáng)夯技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)強(qiáng)夯后地基強(qiáng)度和變形的預(yù)測(cè)方面尚少見(jiàn)報(bào)道。對(duì)夯后地基特性的檢測(cè)常通過(guò)規(guī)范規(guī)定的方法，現(xiàn)階段主要是通過(guò)原位測(cè)試以及室內(nèi)土工試驗(yàn)來(lái)測(cè)定加固效果，評(píng)價(jià)夯后地基土體的承載力、變形和壓縮模量等指標(biāo)。大都通過(guò)載荷試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)或其他間接檢測(cè)方法對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，或查表格換算求得。但以往的工程實(shí)踐表明，強(qiáng)夯后某些土質(zhì)量檢測(cè)要在夯后一兩個(gè)月后進(jìn)行，即在超孔隙水壓力完全消散時(shí)方可檢驗(yàn)，但實(shí)際施工工期常不允許，若夯后立即進(jìn)行質(zhì)檢，其測(cè)得的指標(biāo)值又往往偏離真實(shí)的質(zhì)量狀況，甚至低于夯前指標(biāo)，不能滿(mǎn)足工程要求，如何利用夯后實(shí)測(cè)的參數(shù)指標(biāo)值來(lái)預(yù)測(cè)土的承載力和變形特性成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

今后針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展關(guān)于強(qiáng)夯法技術(shù)的相關(guān)研究顯得十分重要，從理論到實(shí)踐尋求棄土的解快方法，尋求有效減小砂土液化的方法。從而提高工程質(zhì)量，節(jié)約費(fèi)用和工期。

[1]左名麒，朱樹(shù)森.強(qiáng)夯法地基加固[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1990.

[2]胡乃財(cái).強(qiáng)夯法加固地基的設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[3]呂秀杰，龔曉南，李建國(guó).強(qiáng)夯法施工參數(shù)的分析研究[J].巖土力學(xué)， 2006， 27（9）：1628-1632.