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摘要：介绍了地基强夯法的由来、加固机理以及施工工艺，结合工程实例，根据监测资料，说明了强夯法对地基加固处理的效果显著。
关键词：强夯法 ；加固机理；施工工艺；工程实例
Abstract: this paper introduces the origin of the dynamic compaction method, the reinforcement mechanism and construction technology, combined with the engineering practice, according to the monitoring data, that the dynamic compaction method to foundation reinforcement effect is remarkable.
Keywords: dynamic compaction method; Strengthening mechanism; The construction technology; Engineering example
中图分类号：TU47 文献标识码：A文章编号：
1前言
强夯法属于地基深层密实法，又称动力固结法，使用的设备简单，适用范围广泛，可用于填土、失陷性黄土、粘土、砂砾、碎石、石碴等各种土质。此法适用于房建、市政公用、公路、机场跑道、水利、港口码头等项目地基处理工程，并且具有速度快、效果显著和节省投资等优点，是一种比较理想的地基加固处理方式之一，目前在工程上已经得到广泛的应用，取得了显著地经济效益。
2强夯法的由来
强夯法是用起重机械将大吨位重锤（一般为5~40t，目前国外最重的为200t）起吊到很高的高處（一般6-30m）自由落下，对土进行强力夯实，以提高其强度，降低压缩性的一种地基加固方法[3]。
早在1957年，英格兰的道路研究所就曾运用普罗克特（Proctov）击实原理进行过深层土体的压实处理，但直到1970年前后，强夯法才在法国工程师路易斯•梅那（Louis•Mēnard）的开发和倡导下，真正大规模地应用于深层土体的加固处理中。
强夯法国外自1970年使用以来，迅速得到推广应用。我国从1978年在塘沽港首次试用以后发展很快，北京、上海、山西、陕西等省市相继引进。并且取得良好的技术经济效果，为国家节省了不少基础工程费用。
3强夯法加固机理
3.1 动力固结理论
梅那（L.Menard）教授根据饱和粘性土经受强夯瞬间产生数十厘米沉降的现象，结合传统的固结机理，提出了一个新的模型来解释动力固结机理。
动力固结理论考虑了饱和土的压缩性、土体液化、渗透性变化以及土体触变的恢复四大点，以下就此四点作进一步介绍。
3.1.1 饱和土的压缩性
土由固体颗粒、土中水和土中气体三部分组成，其中土中水和土中气体体积占总体积的1%~4%。在强夯进行时，气体体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，而固体体积始终不变。这样每夯一遍，土中水体积和土中气体积都有所减少。据有关资料介绍，每夯击一遍，气体体积可减少40％，夯5遍之后，气体的体积仅是原来气体体积的8%左右。
3.1.2 土体液化
在重复夯击下，土体沉降与夯击能成正比，当夯击能达到一定程度时，即当气体的体积百分比接近于零时，土质具有不可压缩性，此时孔隙水压力等于总压力，此时的界限值称为饱和能。当夯击能达到饱和能时，土体产生液化，吸着水变成自由水，土体强度下降到最小值。必须注意的是，一旦达到饱和能，如果继续施加夯能，土体固结条件被破坏，孔隙水反而不易排出，土体强度降低后难以恢复，因此此时的能量纯属浪费。
3.1.3 土体渗透性变化
强夯时土体局部液化，即这一瞬间的孔隙水压等于总压力产生的超孔隙水压力，当超孔隙水压力大于土颗粒之间的横向压力时，土颗粒之间出现裂隙，形成排水通道，同时土的渗透系数剧增使孔隙水顺利排出。当孔隙水压力消散，达到小于土颗粒之间的横向压力时，裂隙闭合，土中水的运动又恢复常态。
3.1.4 土体触变的恢复
在强夯重复夯击的作用下，土体的抗剪强度逐渐降低，当土体液化或接近液化时，抗剪强度为零或最小，吸附水变成自由水。当孔隙水压力消散，土体抗剪强度和变形模量大幅度增长，土体颗粒间的接触更加紧密，新的吸附水层逐渐固定，这是由于自由水重新被土体颗粒所吸附变成吸附水的缘故。这就是具有触变性的土的特性。[1]
3.2 震动破压密理论
除了梅那（L.Menard）教授的动力固结理论对强夯机理作解释外，还有震动波理论对强夯也作了解释。在实施强夯时，将机械能转化为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面一瞬间，使土体产生强烈震动，在地基土中产生震动波，从震源向四周扩散，能量释放于一定范围的地基中，使土体得到不同程度的加固。
震动波根据其作用、性质和特点主要分为体波和面波，体波又分为纵波和横波，面波分为瑞利波和乐浦波。纵波(P波)是由震源向外传递的压缩波，质点振动方向与波前进方向一致，这种波使孔隙水压力增大，同时伴随真体积的变化。横波(S波)是由震源向外传递的剪切波，质点振动方向与波前进方向垂直，不产生体积的变化。
由于强大的夯击能，使土体表层产生剪切压缩和侧向挤压等，而横波的存在，使土体表层松动，当达到一定深度范围时，只有压缩波（纵波）的存在，才对土体起压密加固作用。随着加固深度的增加，纵波强度在衰减，而压密作用也逐渐减少。[1]
震动波地基压密理论将地基加固区分为四层，见图1地基压密固结模式图。第一层是松弛区，地基土因受冲击力而扰动，主要是横波和面波的干扰。因横波方向和质点方向垂直，瑞利波和乐浦波分别按椭圆形运动和按地面水平向运动，所以都只在地基表面传播使土体产生上下运动，土体松动而产生松弛区。第二层是固结效果最佳区，由于压缩波在此层反复作用，使地下应力超过了地基的破坏强度，土中吸收纵波放出的能量最多，所以这层的固结效果也最好。第三层效果减弱区，这层压缩波渐减，地下应力界于地基破坏强度和屈服强度之间，致使固结强度迅速下降。第四层是无效固结区，此层地下应力处于地基的弹性界限内，能量消耗已经无法克服土体的塑性变形，顾此层基本上没有固结作用。
图 1地基压密固结模式图
4强夯法施工工艺
4.1 施工程序
施工准备→典型施工试验（试夯）→监测、修正并确定强夯参数→大面积强夯→监测→验收
4.2 强夯施工工艺流程
(1) 清理、平整施工场地；
(2) 标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；为掌握夯沉量，夯前夯后应细测夯区的地面高程。
(3) 起重机就位，夯锤对准夯点位置；
(4) 测量夯前锤顶高程；
(5) 将夯锤起吊到预定高度脱钩自由下落进行夯击，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平；
(6) 重复步骤(5)，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击；
(7) 换夯点，重复(3)～6)，完成第一遍全部夯点的夯击；
(8) 用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；
(9) 在规定的间隔时间后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数；
(10) 最后用低能量锤满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。
由于强夯场地场地地质变化较大，会有部分夯点难以达到收锤标准，此时应在夯坑内添加填料继续强夯。
4.3 施工控制
4.3.1 施工前控制
对强夯班组进行技术质量安全交底，确保各参与人员有技术质量安全意识。
4.3.2 施工过程控制
(1) 强夯施工过程中派专人负责下列监测工作。
(2) 开夯前检查锤重和落距，以确保单击夯击能量符合设计要求。
(3) 在每遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差或漏夯应及时纠正。
(4) 按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量。
(5) 施工过程中应对各项参数及施工情况进行详细记录，有专人查看现场，监理派人旁站，设专人做好记录。在纵向每打完10米左右，旁站监理应用水准仪检查一次锤击深度，以检查与记录是否相符，并根据每次的锤击变化，了解填土高度及地基强度，认真做好强夯记录。
4.4 安全措施
由于强夯时石子等可能飞击伤人和强夯时机架可能倾倒造成机械损毁和人员伤亡。因此现场施工、管理人员必须戴安全帽，吊车上应安装防护网，非施工人员不得进入现场，在臂杆端部设置辅助门架，防止机械倾覆；施工现场必须杜绝违章指挥、违章作业，违反劳动纪律的“三违”行为；必须在施工区域边界设警示绳、警示牌，禁止强夯施工时接近危险区域。
5工程实例
5.1 工程概况
福州港可门作业区4#、5#泊位陆域形成斗轮机基础地基加固处理工程采用强夯法进行地基加固，共5条斗轮机基础，强夯面积约20万平方米，夯能2500KN.M。该工程根据场区内岩土的地质年代、成因类型、工程地质性质，将地基土划分为若干个工程地质层组，自上而下为抛石层（6-9m）、淤泥（18-32m）、粘土～粉质粘土、砂混淤泥、角砾混粘性土、强风化火山凝灰岩。
5.2 设计要求
(1) 强夯采用能量2500kJ进行强夯，夯锤的底面积应不小于4m2(直径2.5m)，施工工艺按二遍点夯一遍普夯，夯点布置为正方形，跳档夯间距、每击能量和每点夯击数表1执行，每遍点夯的最后两击平均夯沉量小于10cm，普夯要求夯印搭接为1/3锤底直径。普夯能量为1200 kJ。
表 1
遍数 跳档夯距离(m) 每击能量(KJ) 每点夯击数
1 7×3.5 2500 >12
2 7×3.5 2500 >12
普夯 1200 3
(2) 地基加固强夯整平后，每条斗轮机基础各做2块承载板试验，要求地基承载力特征值≥180kPa。
5.3 强夯后监测
5.3.1载荷板试验
强夯整平后进行载荷板试验，每条斗轮机基础区域选择适当位置布置2块1.5m×1.5m载荷板，试验基坑宽度不应小于载荷板或直径的三倍，加荷等级为8～12级，最大加荷量为三倍设计荷载。每级加荷后按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔半小时读一次沉降，连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，认为已稳定，可加下一级荷载。在试验时出现承压板周围的土明显的侧向挤出或出现裂缝和隆起，沉降急剧增大，荷载～沉降曲线出现陡降段；或在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；或s/b大于等于0.06(b为承压板宽度或直径)，可以终止加载。满足其中一条时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。
承载力确定可按p～s曲線上有明确的比例界线所对应的荷载值，或取s＝0.01b、0.02b、0.03b所对应的荷载值。
5.3.2 试验结果
本次试验加荷方式为慢速维持荷载法，各试验点分10级进行加载，每级荷载增量均为85kN，最大试验荷载均加至850kN，静载检测载荷板尺寸为1.5m×1.5m，试验进展顺利，均未出现异常现象。各试验点在最大荷载作用下桩顶总沉降量平均为6.12 mm，Q-s曲线均呈缓变型未出现明显沉降增大现象，s-lgt曲线尾部均未出现明显向下弯曲，各试验点均未达到极限承载状态。因此本工程5条斗轮机地基土的承载力特征值均大于180kpa，符合设计要求，试验结果如图2（本文仅列举一个测试点）。
图 2第一条斗轮机基础测点1实测P-S曲线
6结语
实践证明，强夯法施工工艺简单，施工速度快，适用范围广，地基加固处理效果显著，经济效益明显。经过几十年来的应用和发展，强夯法地基加固处理受到各国工程界的重视，并得以迅速推广应用。
参 考 文 献 ：
[1] 左名麟，朱树森 .强夯法地基加固[M] .北京：中国铁道出版社，1990.
[2] 张庆国，毕秀丽 .强夯法加固机理与应用[M] .济南：山东科学技术出版社，2003.
[3] 徐至钧 .强夯和强夯置换法加固地基[M] .北京：机械工业出版社，2004.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：强夯法 ；加固机理；施工工艺；工程实例
Abstract: this paper introduces the origin of the dynamic compaction method, the reinforcement mechanism and construction technology, combined with the engineering practice, according to the monitoring data, that the dynamic compaction method to foundation reinforcement effect is remarkable.
Keywords: dynamic compaction method; Strengthening mechanism; The construction technology; Engineering example
中图分类号：TU47 文献标识码：A文章编号：
1前言
强夯法属于地基深层密实法，又称动力固结法，使用的设备简单，适用范围广泛，可用于填土、失陷性黄土、粘土、砂砾、碎石、石碴等各种土质。此法适用于房建、市政公用、公路、机场跑道、水利、港口码头等项目地基处理工程，并且具有速度快、效果显著和节省投资等优点，是一种比较理想的地基加固处理方式之一，目前在工程上已经得到广泛的应用，取得了显著地经济效益。
2强夯法的由来
强夯法是用起重机械将大吨位重锤（一般为5~40t，目前国外最重的为200t）起吊到很高的高處（一般6-30m）自由落下，对土进行强力夯实，以提高其强度，降低压缩性的一种地基加固方法[3]。
早在1957年，英格兰的道路研究所就曾运用普罗克特（Proctov）击实原理进行过深层土体的压实处理，但直到1970年前后，强夯法才在法国工程师路易斯•梅那（Louis•Mēnard）的开发和倡导下，真正大规模地应用于深层土体的加固处理中。
强夯法国外自1970年使用以来，迅速得到推广应用。我国从1978年在塘沽港首次试用以后发展很快，北京、上海、山西、陕西等省市相继引进。并且取得良好的技术经济效果，为国家节省了不少基础工程费用。
3强夯法加固机理
3.1 动力固结理论
梅那（L.Menard）教授根据饱和粘性土经受强夯瞬间产生数十厘米沉降的现象，结合传统的固结机理，提出了一个新的模型来解释动力固结机理。
动力固结理论考虑了饱和土的压缩性、土体液化、渗透性变化以及土体触变的恢复四大点，以下就此四点作进一步介绍。
3.1.1 饱和土的压缩性
土由固体颗粒、土中水和土中气体三部分组成，其中土中水和土中气体体积占总体积的1%~4%。在强夯进行时，气体体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，而固体体积始终不变。这样每夯一遍，土中水体积和土中气体积都有所减少。据有关资料介绍，每夯击一遍，气体体积可减少40％，夯5遍之后，气体的体积仅是原来气体体积的8%左右。
3.1.2 土体液化
在重复夯击下，土体沉降与夯击能成正比，当夯击能达到一定程度时，即当气体的体积百分比接近于零时，土质具有不可压缩性，此时孔隙水压力等于总压力，此时的界限值称为饱和能。当夯击能达到饱和能时，土体产生液化，吸着水变成自由水，土体强度下降到最小值。必须注意的是，一旦达到饱和能，如果继续施加夯能，土体固结条件被破坏，孔隙水反而不易排出，土体强度降低后难以恢复，因此此时的能量纯属浪费。
3.1.3 土体渗透性变化
强夯时土体局部液化，即这一瞬间的孔隙水压等于总压力产生的超孔隙水压力，当超孔隙水压力大于土颗粒之间的横向压力时，土颗粒之间出现裂隙，形成排水通道，同时土的渗透系数剧增使孔隙水顺利排出。当孔隙水压力消散，达到小于土颗粒之间的横向压力时，裂隙闭合，土中水的运动又恢复常态。
3.1.4 土体触变的恢复
在强夯重复夯击的作用下，土体的抗剪强度逐渐降低，当土体液化或接近液化时，抗剪强度为零或最小，吸附水变成自由水。当孔隙水压力消散，土体抗剪强度和变形模量大幅度增长，土体颗粒间的接触更加紧密，新的吸附水层逐渐固定，这是由于自由水重新被土体颗粒所吸附变成吸附水的缘故。这就是具有触变性的土的特性。[1]
3.2 震动破压密理论
除了梅那（L.Menard）教授的动力固结理论对强夯机理作解释外，还有震动波理论对强夯也作了解释。在实施强夯时，将机械能转化为势能，再变为动能作用于土体。在重锤作用于地面一瞬间，使土体产生强烈震动，在地基土中产生震动波，从震源向四周扩散，能量释放于一定范围的地基中，使土体得到不同程度的加固。
震动波根据其作用、性质和特点主要分为体波和面波，体波又分为纵波和横波，面波分为瑞利波和乐浦波。纵波(P波)是由震源向外传递的压缩波，质点振动方向与波前进方向一致，这种波使孔隙水压力增大，同时伴随真体积的变化。横波(S波)是由震源向外传递的剪切波，质点振动方向与波前进方向垂直，不产生体积的变化。
由于强大的夯击能，使土体表层产生剪切压缩和侧向挤压等，而横波的存在，使土体表层松动，当达到一定深度范围时，只有压缩波（纵波）的存在，才对土体起压密加固作用。随着加固深度的增加，纵波强度在衰减，而压密作用也逐渐减少。[1]
震动波地基压密理论将地基加固区分为四层，见图1地基压密固结模式图。第一层是松弛区，地基土因受冲击力而扰动，主要是横波和面波的干扰。因横波方向和质点方向垂直，瑞利波和乐浦波分别按椭圆形运动和按地面水平向运动，所以都只在地基表面传播使土体产生上下运动，土体松动而产生松弛区。第二层是固结效果最佳区，由于压缩波在此层反复作用，使地下应力超过了地基的破坏强度，土中吸收纵波放出的能量最多，所以这层的固结效果也最好。第三层效果减弱区，这层压缩波渐减，地下应力界于地基破坏强度和屈服强度之间，致使固结强度迅速下降。第四层是无效固结区，此层地下应力处于地基的弹性界限内，能量消耗已经无法克服土体的塑性变形，顾此层基本上没有固结作用。
图 1地基压密固结模式图
4强夯法施工工艺
4.1 施工程序
施工准备→典型施工试验（试夯）→监测、修正并确定强夯参数→大面积强夯→监测→验收
4.2 强夯施工工艺流程
(1) 清理、平整施工场地；
(2) 标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；为掌握夯沉量，夯前夯后应细测夯区的地面高程。
(3) 起重机就位，夯锤对准夯点位置；
(4) 测量夯前锤顶高程；
(5) 将夯锤起吊到预定高度脱钩自由下落进行夯击，放下吊钩，测量锤顶高程，若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平；
(6) 重复步骤(5)，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击；
(7) 换夯点，重复(3)～6)，完成第一遍全部夯点的夯击；
(8) 用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；
(9) 在规定的间隔时间后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数；
(10) 最后用低能量锤满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。
由于强夯场地场地地质变化较大，会有部分夯点难以达到收锤标准，此时应在夯坑内添加填料继续强夯。
4.3 施工控制
4.3.1 施工前控制
对强夯班组进行技术质量安全交底，确保各参与人员有技术质量安全意识。
4.3.2 施工过程控制
(1) 强夯施工过程中派专人负责下列监测工作。
(2) 开夯前检查锤重和落距，以确保单击夯击能量符合设计要求。
(3) 在每遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差或漏夯应及时纠正。
(4) 按设计要求检查每个夯点的夯击次数和每击的夯沉量。
(5) 施工过程中应对各项参数及施工情况进行详细记录，有专人查看现场，监理派人旁站，设专人做好记录。在纵向每打完10米左右，旁站监理应用水准仪检查一次锤击深度，以检查与记录是否相符，并根据每次的锤击变化，了解填土高度及地基强度，认真做好强夯记录。
4.4 安全措施
由于强夯时石子等可能飞击伤人和强夯时机架可能倾倒造成机械损毁和人员伤亡。因此现场施工、管理人员必须戴安全帽，吊车上应安装防护网，非施工人员不得进入现场，在臂杆端部设置辅助门架，防止机械倾覆；施工现场必须杜绝违章指挥、违章作业，违反劳动纪律的“三违”行为；必须在施工区域边界设警示绳、警示牌，禁止强夯施工时接近危险区域。
5工程实例
5.1 工程概况
福州港可门作业区4#、5#泊位陆域形成斗轮机基础地基加固处理工程采用强夯法进行地基加固，共5条斗轮机基础，强夯面积约20万平方米，夯能2500KN.M。该工程根据场区内岩土的地质年代、成因类型、工程地质性质，将地基土划分为若干个工程地质层组，自上而下为抛石层（6-9m）、淤泥（18-32m）、粘土～粉质粘土、砂混淤泥、角砾混粘性土、强风化火山凝灰岩。
5.2 设计要求
(1) 强夯采用能量2500kJ进行强夯，夯锤的底面积应不小于4m2(直径2.5m)，施工工艺按二遍点夯一遍普夯，夯点布置为正方形，跳档夯间距、每击能量和每点夯击数表1执行，每遍点夯的最后两击平均夯沉量小于10cm，普夯要求夯印搭接为1/3锤底直径。普夯能量为1200 kJ。
表 1
遍数 跳档夯距离(m) 每击能量(KJ) 每点夯击数
1 7×3.5 2500 >12
2 7×3.5 2500 >12
普夯 1200 3
(2) 地基加固强夯整平后，每条斗轮机基础各做2块承载板试验，要求地基承载力特征值≥180kPa。
5.3 强夯后监测
5.3.1载荷板试验
强夯整平后进行载荷板试验，每条斗轮机基础区域选择适当位置布置2块1.5m×1.5m载荷板，试验基坑宽度不应小于载荷板或直径的三倍，加荷等级为8～12级，最大加荷量为三倍设计荷载。每级加荷后按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔半小时读一次沉降，连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，认为已稳定，可加下一级荷载。在试验时出现承压板周围的土明显的侧向挤出或出现裂缝和隆起，沉降急剧增大，荷载～沉降曲线出现陡降段；或在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；或s/b大于等于0.06(b为承压板宽度或直径)，可以终止加载。满足其中一条时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。
承载力确定可按p～s曲線上有明确的比例界线所对应的荷载值，或取s＝0.01b、0.02b、0.03b所对应的荷载值。
5.3.2 试验结果
本次试验加荷方式为慢速维持荷载法，各试验点分10级进行加载，每级荷载增量均为85kN，最大试验荷载均加至850kN，静载检测载荷板尺寸为1.5m×1.5m，试验进展顺利，均未出现异常现象。各试验点在最大荷载作用下桩顶总沉降量平均为6.12 mm，Q-s曲线均呈缓变型未出现明显沉降增大现象，s-lgt曲线尾部均未出现明显向下弯曲，各试验点均未达到极限承载状态。因此本工程5条斗轮机地基土的承载力特征值均大于180kpa，符合设计要求，试验结果如图2（本文仅列举一个测试点）。
图 2第一条斗轮机基础测点1实测P-S曲线
6结语
实践证明，强夯法施工工艺简单，施工速度快，适用范围广，地基加固处理效果显著，经济效益明显。经过几十年来的应用和发展，强夯法地基加固处理受到各国工程界的重视，并得以迅速推广应用。
参 考 文 献 ：
[1] 左名麟，朱树森 .强夯法地基加固[M] .北京：中国铁道出版社，1990.
[2] 张庆国，毕秀丽 .强夯法加固机理与应用[M] .济南：山东科学技术出版社，2003.
[3] 徐至钧 .强夯和强夯置换法加固地基[M] .北京：机械工业出版社，2004.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。