李向群 李宗效 周 彬

(1:吉林建筑工程學(xué)院測繪與勘查工程學(xué)院，長春 130118;2:中元國際(長春)高新建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130012)

強(qiáng)夯法地基處理應(yīng)用的領(lǐng)域非常大，涉及到電力、水利、港口碼頭及工民建等工程領(lǐng)域．特別針對(duì)位于湖泊和海洋下的軟弱地基亦試驗(yàn)利用特殊工藝來強(qiáng)夯處理．目前，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，環(huán)境污染程度也逐漸加深，城市廢棄物和固體垃圾利用強(qiáng)夯法地基處理得到了解決．在城鎮(zhèn)處，人口較稠密的地方不適用強(qiáng)夯法，因強(qiáng)夯法在施工中震動(dòng)大、噪音大等弊端所受限．

1 強(qiáng)夯法地基處理的原理

1．1 夯擊能的傳播原理［1］

強(qiáng)夯法地基處理的目的是在地基土內(nèi)隨深度產(chǎn)生性狀相異的3個(gè)區(qū)域:

(1)彈性區(qū)． 地基土在加固區(qū)之下的埋深內(nèi)，并不發(fā)生塑性變形，是因?yàn)闆_擊能慢慢減弱，所以對(duì)其產(chǎn)生不了加固;

(2)加固區(qū)． 地基土在基表松動(dòng)區(qū)之下一定埋深內(nèi)，發(fā)生了體積減小的現(xiàn)象和地基表面下沉的現(xiàn)象，其是受到波中的體波影響所造成的;

(3)基表松動(dòng)區(qū)． 動(dòng)力置換加固地基、動(dòng)力夯實(shí)加固地基和動(dòng)力固結(jié)加固地基3種是強(qiáng)夯法地基處理的原理以作用和加固機(jī)理的角度、地基土層的種類不同來劃分的，破壞地基土的天然構(gòu)造且形成新的穩(wěn)定平衡為動(dòng)力置換加固地基、動(dòng)力夯實(shí)加固地基和動(dòng)力固結(jié)加固地基的相同特征．

1．1．1 動(dòng)力置換加固地基

在動(dòng)力置換加固地基時(shí)，由于飽和粘性土的滲透系數(shù)不高，孔隙水壓力不能馬上流失，其構(gòu)造極易破壞，此時(shí)位于夯坑邊緣的地基土?xí)蛊?，其體積無顯著降低現(xiàn)象，所以動(dòng)力置換加固地基的成效并不十分良好，也有可能形成“橡皮土”．影響飽和粘性土動(dòng)力置換加固地基成效的關(guān)鍵要素是地基土滲透系數(shù)的大小與夯擊能的高低，可與地基土中用透水型土工織物長袋裝的砂礫石等方法來改變地基土的滲透系數(shù)，然后實(shí)施動(dòng)力置換加固地基，這時(shí)其原理與動(dòng)力固結(jié)加固地基相仿．亦適選取動(dòng)力置換加固地基．

1．1．2 動(dòng)力夯實(shí)加固地基

滲透系數(shù)大的非飽和粗粒土在動(dòng)力夯實(shí)加固地基時(shí)，因在地基土內(nèi)傳遞的夯擊能形成的動(dòng)應(yīng)力與沖擊能強(qiáng)大，逼迫非飽和粗粒土的顆粒形成瞬時(shí)的相對(duì)位移或令其顆粒破壞，以致令地基土中孔隙內(nèi)的氣體被壓縮或快速逸出(地基土中孔隙縮小體積)，這時(shí)便成為更加致密的土體結(jié)構(gòu)．

1．1．3 動(dòng)力固結(jié)加固地基

針對(duì)強(qiáng)夯法加固粘性土，因在地基土內(nèi)傳遞的夯擊能形成的動(dòng)應(yīng)力與沖擊波havok強(qiáng)大，從而破壞地基土原來的構(gòu)造，令地基土部分形成液化，形成若干裂隙，更加便于孔隙水排出．超孔隙水流失后，地基土便固結(jié)，于是粘性土在動(dòng)力固結(jié)中的強(qiáng)度和觸變性獲得了加強(qiáng)．

1．2 強(qiáng)夯法的時(shí)間效應(yīng)理論［2］

強(qiáng)夯使地基土的構(gòu)造破碎，使其承載力基本為0．地基土的變形模量與抗剪強(qiáng)度顯著增強(qiáng)是伴隨著孔隙水壓力的降低產(chǎn)生的(見圖1)，因?yàn)樾滦纬傻乃ぢ€(wěn)定和地基土的顆粒之間密切接觸，促使地基土的抗剪強(qiáng)度在孔隙水壓力全部外排后依然能得到一定程度的增強(qiáng)．據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，所得到地基土的變形模量在強(qiáng)夯后180d左右比30d左右時(shí)上升29．5% ～79．5%，地基土的抗剪強(qiáng)度上升19．5% ～29．5%．由此，結(jié)合水大約需要幾個(gè)月的時(shí)間來慢慢穩(wěn)定．當(dāng)?shù)鼗撂幱谟|變恢復(fù)時(shí)期，其的沉降量不會(huì)很大(0．9%以內(nèi))．當(dāng)強(qiáng)夯施工結(jié)束30d左右來實(shí)行質(zhì)檢環(huán)節(jié)最為合適，是因?yàn)閰⒖剂藦?qiáng)夯法的時(shí)間效應(yīng)因素．

圖1 強(qiáng)夯法加固中地基土的抗剪強(qiáng)度和時(shí)間的關(guān)系曲線

1．3 強(qiáng)夯法振動(dòng)波的壓密理論

把機(jī)械能先轉(zhuǎn)變成勢能，然后勢能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，最后在地基土中作用的過程是強(qiáng)夯法加固的特征．當(dāng)重錘作自由落體運(yùn)動(dòng)下落與地基土表層相互接觸的剎那，地基土體便由于夯擊而發(fā)生劇烈的振動(dòng)，從而形成由震源向周圍傳遞的振動(dòng)波．當(dāng)強(qiáng)大的沖擊波施加于地基土(將地基土視為彈塑性土體)時(shí)，在連續(xù)的介質(zhì)內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)且其振動(dòng)能量能傳達(dá)到周邊的其他介質(zhì)，并帶動(dòng)周邊的其他介質(zhì)振動(dòng)．此振動(dòng)流程所產(chǎn)生的波按其特征與性狀具體劃分成體波與面波．

體波包括壓縮波與剪切波，強(qiáng)夯加固是以體波影響為主．壓縮波是從震源向四周傳播的．在壓縮波中，波前進(jìn)的方向和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向相同，體積也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變．通常情況下，其振幅低、周期短;剪切波也是從震源向四周傳播的．在剪切波中，波前進(jìn)的方向和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向是互成90°垂直的，體積保持不變．通常情況下，其振幅高、周期大．

在理論上，壓縮波的傳遞速度和剪切波的傳遞速度可應(yīng)用以下兩式進(jìn)行分析．

式中，Vp為縱波速度，m/s;Vs為橫波速度，m/s;E為介質(zhì)彈性模量，kPa;G為剪切模量，kPa;ρ為介質(zhì)密度，kN/m3;μ為介質(zhì)泊松比．

當(dāng)利用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固壓密地基土過程中，地基土受到強(qiáng)大的夯擊能量，從而使地基土出現(xiàn)側(cè)向擠壓與剪切壓縮．通常情況下，地基土的擾動(dòng)松弛區(qū)在0～0．6m左右;地基土的壓密加固區(qū)在0．6m～4．9m左右．

重錘作自由落體運(yùn)動(dòng)下落與土體(把土體看作彈性半空間體)相互接觸的剎那，此時(shí)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化形式有3種:①局部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?地基表層和重錘撞擊產(chǎn)生的);②局部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ǘ蛑車鷤鞑?③剩下的大量動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橐员砻娌?、橫波、縱波3種形式的能量來提供給地基土自由振動(dòng)．

通常情況下，土體是由固相、液相和氣相三相所組成的不均質(zhì)層狀構(gòu)造體．當(dāng)錘擊地基表層的剎那，能量從土體中的一個(gè)彈性介質(zhì)傳遞到另一個(gè)彈性介質(zhì)中，此時(shí)其產(chǎn)生了強(qiáng)夯加固的效果，并且能量可以返回到原始的彈性介質(zhì)中去，其提供地基表層土松動(dòng)所需的能量．

填方土層在強(qiáng)夯法加固中，填方土層被沖擊波剎那壓縮而壓密且使地基土的承載力增強(qiáng)．因地基土的顆粒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并重整羅列，其縫隙間的氣體擠出．通過強(qiáng)夯法加固，地基土變成最密實(shí)狀態(tài)，孔隙率顯著降低．

2 主要施工參數(shù)的選擇

2．1 單擊夯擊能的確定——有效加固深度的確定

憑數(shù)值模擬分析得到的相關(guān)數(shù)據(jù)或場地夯擊實(shí)驗(yàn)資料來總結(jié)出強(qiáng)夯法的有效加固深度，亦能通過計(jì)算來求得:

其中，H為有效加固深度，m;W為錘重，kN;h為重錘的落距差，m;α為土體修正后的系數(shù)，根據(jù)各地區(qū)土質(zhì)狀況的不同而有差異．

《地基處理規(guī)范》［3］中表明，當(dāng)處理土層的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)不足或場地夯擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失時(shí)，可按表1預(yù)估．

表1 強(qiáng)夯法的有效加固深度(m)

2．2 夯擊能的分類

強(qiáng)夯時(shí)，當(dāng)?shù)鼗谐霈F(xiàn)的孔隙水壓力達(dá)到上覆土層自重壓力時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的夯擊能為最佳夯擊能，夯擊能包括單位夯擊能與單擊夯擊能兩種．

2．3 確定強(qiáng)夯擊數(shù)

強(qiáng)夯擊數(shù)的確定是強(qiáng)夯試驗(yàn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)．通常情況下，強(qiáng)夯擊數(shù)先通過試夯初步判斷，再通過夯沉量和試夯取得的強(qiáng)夯擊數(shù)相關(guān)曲線來斷定，還應(yīng)符合以下內(nèi)容:

(1)不能在夯坑較大時(shí)，出現(xiàn)提起夯錘不便的現(xiàn)象;

(2)最終2擊的夯沉量均值應(yīng)小于以下數(shù)據(jù):單擊夯擊能不小于5 900kN/m時(shí)為200mm;單擊夯擊能是3 900kN/m～5 900kN/m時(shí)為100mm;單擊夯擊能不大于3 900kN/m時(shí)為50mm;

(3)夯坑四周的地面表層土體不能產(chǎn)生過大的凸起．

2．4 強(qiáng)夯次數(shù)的確定

強(qiáng)夯次數(shù)可憑土體的性狀來推斷，利用點(diǎn)夯2～3次，由于細(xì)顆粒土的滲透系數(shù)小，強(qiáng)夯次數(shù)應(yīng)略微提高．最終兩擊應(yīng)用質(zhì)量小的夯錘以小夯擊能多遍數(shù)夯擊．

在具體試驗(yàn)中，泥炭和粘性土的強(qiáng)夯次數(shù)一般是4～7遍;砂質(zhì)土、砂礫與碎石土一般是3～4遍．最終利用小夯擊能夯擊一次，將地層表面附近的地基壓密夯實(shí)．

2．5 強(qiáng)夯夯擊的時(shí)間間隔

地基土內(nèi)超孔隙水壓力的排擠時(shí)間決定時(shí)間間隔，兩遍強(qiáng)夯夯擊需存在間隔時(shí)間．場地夯擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺失時(shí)，能通過土體的滲透系數(shù)來推斷，滲透系數(shù)大的土層適合持續(xù)強(qiáng)夯;粘性土層的滲透系數(shù)小，其時(shí)間間隔需大于20d～30d．

2．6 強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)設(shè)置

憑借構(gòu)筑物的構(gòu)造種類并利用長方形或三角形設(shè)置強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)的部位．兩強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)的距離約為4．5m～10m，此后各次兩強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)的距離同前一次一樣，亦能略微縮短．單擊夯擊能略高的土體或地基處理埋深略大的地基，首次夯擊的兩強(qiáng)夯夯擊點(diǎn)的距離應(yīng)略微提高．

2．7 強(qiáng)夯加固的作用范圍

強(qiáng)夯加固地基處理作用的范圍最好不小于構(gòu)筑物基礎(chǔ)的范圍，且所有邊緣是地基底部以下埋深的0．5～0．66倍且超過3m或需大于構(gòu)筑物基礎(chǔ)外邊緣的寬度．

3 強(qiáng)夯法實(shí)例

3．1 強(qiáng)夯法實(shí)例情況

長吉高速公路中某一級(jí)汽車專用公路，其里程為83．555km．此高速的行車道路面及其兩側(cè)路肩寬度之和是19．5m．此高速全程的地層巖性分布較復(fù)雜．粉質(zhì)粘土層厚0．9m～12．5m．土體的壓縮系數(shù)大，含水率很高，故利用強(qiáng)夯法加固此高速K111+14～K111+70段地基土路基．

3．2 地基土性狀和路段地質(zhì)概況

此高速公路的表層是粉質(zhì)黏土組成的，黏土層和粉土層依次分布在粉質(zhì)黏土層之下．地基土層較均勻，土質(zhì)濕度較低，密實(shí)度偏低，粒徑級(jí)配良好．表2為此高速Klll+14～Klll+70段土質(zhì)的物理性質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)．

表2 長吉高速K111+14～K111+70段土質(zhì)的物理性質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)

4 強(qiáng)夯加固公路路基實(shí)驗(yàn)探究

因長吉高速Klll+14～Klll+70段粉質(zhì)粘土層的壓縮系數(shù)較大，我們通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲得一些土體夯沉量的測量數(shù)據(jù)(見表3)．處理此路段應(yīng)先利用強(qiáng)夯法以3，5和7擊加固此高速路段［4］(試夯后，以每個(gè)夯點(diǎn)7擊加固)．則經(jīng)過試驗(yàn)，可得到如下結(jié)果(見表4)．

表3 土體夯沉量的試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

通過表3分析得，利用所有夯點(diǎn)最終2擊在地基土中用重力擊打貫入體時(shí)，貫入體進(jìn)入土體中的深度的均值不大于5．0cm和夯沉量的均值不小于50cm來為強(qiáng)夯質(zhì)量所控制是可以的．故位于此路段之外的路段以每個(gè)夯點(diǎn)7擊加固可符合規(guī)范要求．

表4 利用靜力觸探方法測試得到的夯擊前后的數(shù)據(jù)結(jié)果

通過表3和表4分析得，地基土層被強(qiáng)夯處理后壓密而引起的地基表面下沉量明顯降低，地基土體所能承受荷載的能力被強(qiáng)夯處理后明顯增強(qiáng)．

5 結(jié)語

強(qiáng)夯高效、迅速和經(jīng)濟(jì)的地基處理方法正得到越來越多的應(yīng)用，本文得出以下結(jié)論:

(1)此道路路基通過強(qiáng)夯加固處理后，利用所有夯點(diǎn)最終2擊在地基土中用重力擊打貫入體時(shí)，貫入體進(jìn)入土體中的深度的均值不大于5．0cm～6．0cm和夯沉量的均值不小于50cm～60cm來為強(qiáng)夯質(zhì)量所控制是可以的．地基土層被強(qiáng)夯處理后壓密而引起的地基表面下沉量明顯降低，地基土體所能承受荷載的能力被強(qiáng)夯處理后明顯增強(qiáng);

(2)地基土產(chǎn)生固結(jié)、地基土部分液化、地基土的壓實(shí)作用和孔隙水的外排是強(qiáng)夯加固土體的重要作用原理．在強(qiáng)夯加固土體里，地基土產(chǎn)生固結(jié)、地基土部分液化、地基土的壓實(shí)作用和孔隙水的外排同時(shí)作用．

［1］張慶國，畢秀麗．強(qiáng)夯法加固機(jī)理與應(yīng)用［M］．山東:科技出版社，2003:2-5．

［2］李向群，王巖松．強(qiáng)夯法處理雜填土實(shí)例［J］．工程勘查，2003(3):38-39．

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79-2002)［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，1998．

［4］譚永樂．高速公路路基強(qiáng)夯技術(shù)施工質(zhì)量控制指標(biāo)的研究［M］．濟(jì)南:山東大學(xué)出版社，2007:40-45．