强夯法加固湿陷性黄土地基的探讨Word文档格式.docx

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在短期雨季，雨水把松散的粉粒粘聚起来，而长期干旱使土中水分蒸发，于是，少量水分同溶于其中的盐类都集中到粗粉粒周围，可溶盐逐渐浓缩成为胶结物。

由于颗粒间的分子引力结合水的作用，形成了以粗粉粒，为主体骨架的多孔结构。

黄土受水浸湿后，土颗粒间结合水膜增厚，结合水粘结力消失，盐溶于水中，骨架强度急剧降低。

在外力作用下，土的结构迅速破坏，土粒滑向大孔，粒间空隙减小，这是黄土湿陷性的内在过程，因此，消除黄土地基湿陷性的办法是击实压密减少孔隙比，增加干容量。

通过强夯使土颗粒重新排列，孔隙比显著减少，干容重增加，湿陷性消除，土性得到改善。

　　夯锤与土体作用时间极短约为0.03秒，夯锤瞬间作用于土体的冲力为锤重的数十倍。

强夯过程从脱钩到落地夯击土体的瞬间作用，分为三个过程。

第一由位能转变为动能，在碰撞土体时位能全部转变为动能。

第二被碰撞的土体发生运动，同时产生冲击波。

主要有纵波P，横波SV和瑞雷等。

第三是波的传播过程，纵波P是由震源向外传播的压缩波，其质点的振动方向与波的前进方向一致，能在固体与液体中传播，不能在空气中传播。

横波SV的质点振动方向与波的前进方向垂直，是由震源向外传播的剪切波，只能在固体中传播。

横波SV和瑞雷波在地表面传播，纵波P即压缩波的传播过程就是土体不断地被压缩的过程，并向深层方向传播。

　　由于强夯的冲击波是间断的，每次夯击都会产生一次冲击波，因此会产生冲击波与地基土的共振现象，使压缩波P传播得更深更远，压缩的土层也愈厚。

由于土质的不均匀性，土层有不同的界面，部分压缩波反射并向四周扩散。

由于强大的冲击力和伴随产生的冲击波使土体得到压密加固，而密实的程度决定于夯击能的大小。

冲击波的扩散与传播由于传播介质的吸收作用而逐渐衰减直到消失。

强夯加固非饱和性粘土，由于冲击力与冲击波在土层强弱不同，加固范围也不同。

根据工程试验可划分为四区，加固影响区示意图见（图1）。

　　Ⅰ区为膨胀区：

在地基的表层，土体在冲击力作用下，大大超过土的极限强度，地面立即产生大量沉降，土受剪切而破坏。

由于冲力和横波SV（剪切波）的作用，使土颗粒移动，形成膨胀区。

　　Ⅱ区为有效加固区：

由于冲击力和冲击波向深层传递，使地基土超过应力极限强度，土体结构破坏，土颗粒重新排列、压密，孔隙减少，形成梨形加固土柱，此层加固效果好，为有效加固区。

　　Ⅲ区为加固影响：

由于冲击力的减少，冲击波的衰减，地下土的应力处于极限强度Pu与塑临荷载强度Pcr之间，土体呈弹一一塑性变形，主要是塑性变形，土的密实度改善甚微，加固效果减弱，为加固影响区。

　　IV区为未加固区：

虽有微弱的冲击力与冲击波的作用，深层的土应力处在塑临荷载强度Pcr以内，地基土属于弹性变形，未起到压密加固效果。

３　夯点布置及夯击遍数问题

　　强夯夯点布置有正方形（井点）和梅花形网格排列两种形式，不同能级的强夯，采用不同的夯距，1000KN.ｍ、2000KN.ｍ、3000KN.ｍ能级的夯点间距分别为3.5－4m、4.5－5m、5－6m。

　　夯点间距的选择，根据我们的经验，对于黄土来说，夯距接近于有效加固深度。

后者是根据修正后的梅那公式：

d=k（式中:

ｄ－有效加固深度；

K－修正系数；

m－锤重；

h－落距）求得，其中修正系数K对于黄土可取0.4。

以1000KN.m能级强夯为例，侧向位移随距夯心的距离增加而逐渐减小，当离夯心距离大于3.5m时，则未发生明显位移。

根据土体侧向位移观测结果，可以确定在最佳夯击击次条件下夯点间距以4-5m为宜，这时能使夯击下沉充分发挥，同时侧挤也发挥作用，从而达到土的竖向压缩和土的侧向挤密最佳效果。

实验结果表明，1000KN.m、2000KN.m、3000KN.m能级的强夯，其有效加固深度大约分别为4－4.5m、5－5.5m、6.5－7m。

由此可见，前面所述的夯点间距与有效加固深度大体上是一致的。

　　取样实验表明，夯距相同，但夯点布置不同的强夯，其有效加固深度相差不大，并且物理力学性的增长率及标贯效果也相接近。

以3000KN.m能级强夯为例，6m梅花形和6m正方形布点有效加固深度大体上都在6.2－6.7m，它们夯点间有效加固深度内的标贯击均为11.6。

但是从夯点间指标绝对值来看，土质改善以梅花点布置优于正方形布置。

以济南绕城高速公路K17+120-K17+400段为例，强夯采用1500KN.m能级，4m间距梅花点夯击后压缩模量Es值从夯前的5.67Mpa，提高到11.62Mpa，而4m间距井点夯击后Es值从夯前的5.67Mpa只提高到9.95MPa。

　　我们在济南绕城高速公路施工中，夯击遍数根据地质条件和地下水位情况来确定。

以该工程为例，地质为黄土，地下水位离地面很深，强夯时不存在孔隙水压力的消散问题（观测资料表明，强夯过程中土的孔隙水压力无明显变化）。

因此，在土的正常含水量下，每点可连续夯击，根据夯击时夯坑周围场地隆起不大（一般为20－30cm）的情况，总的击数一遍完成，而且只需依次夯击一遍，然后紧接着进行搭夯。

通过试验发现，井点布置强夯二遍或梅花点布置强夯三遍（见图2和图3），然后再搭夯一遍，与这两种布置都强夯一遍再搭夯一遍，地基加固的效果基本上相同。

勘察资料表明，经1000KN.ｍ能级井点布置强夯二遍或梅花点布置强夯三遍（每点夯击13－15次），然后再搭夯一遍，有效加固深度为4.2－4.7ｍ，在此深度内湿陷性已消除，黄土承载力由夯前180KPa，提高到250-280KPa，如果1000KN.m级梅花点布置夯点夯击13－15次，然后再搭夯一遍，有效加固深度为4.5m，此深度内湿陷性已消除，承载力由夯前的180KPa提高到210－230KPa，满足设计要求。

由此可见，在夯击效果基本相同的情况下，由强夯二遍或三遍改为一遍，不仅可以缩短施工周期，而且还可以节省施工费用。

４　施夯与夯击顺序

为了施工方便和节省施工费用，不论夯点正方形布置还是梅花形排列，强夯都不分遍进行。

而是一遍完成。

强夯加搭夯总共二遍，第一遍是强夯按次序逐点一次打够指定能级下的最佳击数，第二遍是低能级搭夯。

两遍连续进行，无需间隔时间，因为地基土不存在排水固结问题，不必考虑夯击时间间隔对加固效果的影响。

强夯施工时一锤挨一锤（见图4和图5）打够夯击数，依次连续进行，以夯锤不倾斜，夯坑周围场地隆起不多为原则。

在夯击过程中，落锤须基本上保持平稳，这样才能对土体均匀压实。

也有因土质不匀少数坑底倾斜过大的情况，一般用砂土将坑底整平后再进行下一次夯击。

由于侧向挤出，地面必然要产生隆起现象，但侧向挤出（隆起）过多，必然会影响竖向压缩，从而会减弱强夯的作用，在这种情况下就需要调整夯点间距。

第一遍夯击完毕后，用推土机整平场地，然后再进行下一遍搭夯，一般每点夯3击，搭1/4夯印。

如表土松散干燥，则宜用水喷淋使其湿润后再搭夯，以防夯不密实。

为防止夯坑敞口导致基土变得干燥，并为夯坑免遭雨水浸泡，强夯一部分，夯坑应立即回填推平并进行搭夯。

５　夯击的质量控制

　　为了确保强夯地基的施工质量，必须采用双项指标来控制：

（1）控制每点最低夯击数；

（2）控制每点最后2击或3击的平均夯沉量。

这是因为只设单项指标，往往控制不住强夯施工质量。

如果只控制每点夯击数，则由于地基土质的不均匀，在同一夯击数下，经强夯后的土质将仍会是不均匀的。

为了使土质达到基本均匀，对于夯沉量大的夯击点，即使已经满足最低夯击数，还需继续进行夯击点，直到各夯击点最后2击或3击平均夯沉量达到某个规定数值（例如≤5cm），基本趋于一致为止。

反之，如果只以最后2击或3击平均夯沉量来控制，有时会因强夯中出现的假象而达不到夯实地基土的目的。

如某夯点夯至8击时，出现了反弹，相对夯沉量出现了负值，继续夯击时，相对夯沉量剧增，10击时为10.9cm，而12击时下降到1.3cm，而在13击时又有上升的趋势，当15击时达8.3cm，土体出现挤出。

由此可见，这两项控制指标是相辅相成的，缺一不可。

　　为什么会出现反弹现象呢？

这是因为地基土为一弹塑体，在强力夯击作用下，地基土产生变形，其变形量包括塑性及弹性两部分，对非饱和地基土，初夯变形以塑变为主，能量大部分作用于浅层上，使浅层地基得到加固，随夯次的增加，夯击能通过较密实的浅层土传播至深层，使深层土得到加固，继续增加夯次，浅层土塑变充分发挥，继而出现弹性变形，后者一方面可传递能量向深层传播，从而加固深层土体，另一方面弹性变形可以使表层出现反弹，使能量损耗，减少夯击效果，这时继续夯击或采取在夯坑辅垫砂土减少反弹的措施，就可使夯击能继续向深层传递。

我们在济南绕城高速公路施工中采用的2000KN.m能级强夯，由于反弹有效加固深度度只达4m，后在夯坑加砂垫层继续施夯，使有效加固深度增加到6m，就足以说明这一点。

６　搭夯

　　有关文献：

搭夯的施工，宜在夯点处只夯一击，而夯点间的夯击击数适当加大，其值应随离夯点距离的增加而增加，即挨着夯点处的土，夯击击数可少些，离夯点位置远一点的土，应多夯几击。

这从理论上讲是合乎逻辑的，但施工起来很麻烦。

切实可行的办法是，在搭夯前，用推土机将强夯后的场地推平，然后在夯击范围内作低能级搭夯，要求1/4夯印相重叠搭夯一遍，每点3击－4击，若土质较差，甚至可采用5击。

经测试，就夯间与夯点加固效果比较，夯点好于夯间，但其差异性只在10%左右。

以1000KN.m能级强夯为例，夯后夯间与夯点各层土相对应比贯入阻力，表层2.5m范围内为1.5－1.7MPa，2.5－4.7m范围内为2.3－2.5MPa。

因此可以认为地基土是比较均匀的。

　　强夯时由于落锤激发的剪切波和瑞利波的剪切扰动，冲破了土的自重压力和颗粒间结合力的约束，使夯点周围的土，在地面下0－2m处剪切破坏严重，于是土的表层出现松动区。

为了克服这种松劲，用低能量搭夯来加固浅层地基土，效果很好，夯后压缩模量平均值可比夯前提高70%左右。

　　搭夯夯击能量不宜过大，因为夯坑底面能量过大，土体破碎，导致表层加固效果不佳。

但究竟采用多大夯击能量合适，目前尚无一定规定，但原则上可根据夯坑深浅、夯坑推平后表土松散层的厚薄，作出适当的选择，以每击强夯能量的30%左右为宜。

７　夯锤选择

　　《规范》规定，锤底面积对于砂土一般为3－4m2，对于粘性土不宜小于6m2。

这个规定值得探讨。

锤底面积选择宜适当，锤底面积过大，则锤底动应力过小，土体动应力小，不足以破坏土的结构，加固深度不大；

锤底面积小，虽锤底动应力大，土的结构破坏，但塑性状态的土易于侧向挤出，锤底以下土的加固深度也不大，适当加大面积减少土体挤出，加大影响深度。

因此只有适当的锤底面积才能取得最好的加固效果。

根据我们的实践经验，对于黄土状亚粘土单位面积静压力以25KPa－40KPa是适宜的。

在济南绕城高速公路，10t和15t夯锤底面积分别为4m2和4.5m2，其单位面积静压力分别为25KPa和33KPa，用这样的夯锤对黄土状亚粘土进行强夯，均取得了较好的效果。

　　夯锤中设置通气孔的目的在于有效地降低锤底空气阻力、与土的吸力，但夯锤通气孔的大小宜适当，太大了会减少夯击面积，影响土体的加固，太小了容易被土堵塞，增加锤底空气阻力，损耗夯击能量。

有－10t夯锤，周边高90cm，有6个直径为10cm的通气孔，施夯过程中经常被土堵塞，以后制作的夯锤，有4个直径为30cm的通气孔，施夯时不再发生堵塞情况。

通气孔做成下小上大的喇叭孔，效果会更好。

　　夯锤有两种，一种是钢板包混凝土夯锤，另一种是铸钢锤。

这两种相比，在同样锤重和同样底面积情况下，要以后者为好，因为前者造型笨重，周边高，空气阻力大，与土的摩擦力大，消耗夯击能量多；

而后者造型轻巧，周边薄，空气阻力小，与土的摩擦力小，发挥夯击效能好。

同样夯击15次，用铸钢夯锤强夯后，地基土周围隆起较多；

同样达到最后2击平均夯沉量不大于5cm，钢板包混凝土夯锤要夯击15次，而铸钢锤只需夯击13次。

８　湿陷性与膨胀性

　　强夯法加固黄土类土主要为二种类型，一种是由黄土类土构成的填土地基，另一种是由新近堆积黄土和一般湿陷性黄土构成的新黄土地基。

其共同特点是，强度低，压缩性大，固结成岩作用差，湿陷性强，土质不均匀。

这样的地基土在干燥状态下，由于垂直节理的存在，土质几乎能保持直立状态，但水浸后产生严重湿陷。

因此，消除地基的湿陷性，是保证建构筑物安全使用的重要措施。

采用强夯法消除黄土的湿陷性，效果比较明显，湿陷系数可由夯前的0.041－0.068降为夯的0.003－0.013。

1000KN.m、2000KN.m、3000KN.m能级的强夯，可分别消除4－4.5m、5－5.5m、6.5－7m深度以内的湿陷性。

即使以下尚有部分湿陷性，也可确保建构筑物的安全，因为强夯后地表形成的硬壳已经起到了保护下卧层的隔水作用。

　　为了保证建构筑物的安全和正常使用，一方面固然应十分重视黄土的湿陷性，但另一方面也不能忽视强夯后黄土在受水浸湿时的膨胀性。

有关文献指出，强夯后的黄土地基在受水浸湿时，不但不会湿陷，反而略有膨胀，在强夯后的硬壳土取三个土样，在室内用瓦氏膨胀仪测得膨胀率为8.5－10%，膨胀力为<

0.025－0.0.05MPa。

为什么强夯后的黄土地基受水浸湿会产生膨胀呢？

由于冲击能对土体的压缩，使原来欠压密的黄土颗粒重新排列固结，而成为超压缩的土体，因此可消除湿陷性。

对于超压缩土层，由于土体颗粒间的结合十分紧密，一旦再次浸水，在自由水浸入并转换为吸浮水的过程中，会造成土体的微量膨胀。

地基的膨胀变形可能会使建构筑物不均匀上升，这一点在设计、施工时必须充分注意。

９　合理选用强夯法

　　强夯法处理湿陷性黄土地基，既能消除湿陷？

又能提高地基的承载力，是目前比较先进的方法。

与各种桩基、大面积换土分层压实地基等相比，强夯法加固地基具有施工设备和工艺比较简单效果好、速度快、费用低等优点，因此强夯日益得到推广应用。

　　本着既要技术先进，又要经济合理的原则，对强夯法本身也有个方案优化的问题。

选择哪种能级强夯合适？

一般情况下，应首先考虑1000KN.m能级的强夯，以期得到较高的经济效益。

以山东地区夯打15击为例，1000KN.m、2000KN.m、3000KN.m能级强夯的价格分别为9元/m2、13元/m2、18元/m2。

加固深度在5m以内，选用1000－1500KN.m能级为宜，加固深度要求在5－5.5m，选用2000KN.m能级为宜，加固深度要求在6m以上，选用3000KN.m能级为宜。

最经济合理的强夯能级为1000KN.m左右，大能级的强夯施工难度大，经济效益差，夯后土层恢复时间长，因此没有较高要求时，应尽量采用低能级强夯。

　　强夯能级的选择，还必须取决于需要消除黄土地基湿陷性的厚度。

根据试验结果，对于非自重湿陷性黄土地基，处理厚度为基础底面下1.0－1.5倍柱基基底宽度和1.5－2.0倍条基基底宽度，可基本消除地基的湿陷性。

这是因为在附加压力作用下，浸水后土层的最大湿陷变形发生在1.5倍基础宽度之内，由于侧向挤出的影响，产生变形的主要土层约在相当于0.5－1.0倍基础宽度的深度范围内，从不同面积、不同压力的浸水载荷试验中，各土层湿陷变形沿深度的分布情况表明，在相当于1.5倍基础宽度的深度范围内湿陷量约占总湿陷的70－80%。

因此只要满足上述要求，凡是重锤夯实能解决问题，就不采用强夯；

凡是低能级强夯能解决问题，就不采用高能级强夯。

　　地基土的深层加固，要求采用高能级的强夯，而浅层加固只需低能级的搭夯。

高能级的强夯和低能级的搭夯，在机具和夯锤的选择上应该有所区别，尽量做到合理匹配。

搭夯所需能级的大小，要根据需夯实表层的深度来决定，一般采用小于1000KN.m能级。

　　对于强夯这项技术，还有个合理处理地基和合理选用强夯法的问题。

根据地质情况、建构筑物的特征以及施工条件等因素，因地制宜、经济合理地处理好地基，至关重要。

在工程上有时会遇到人工填土很厚的情况，为了达到设计规定消除其全部湿陷性的要求，不得不分二次强夯，即先挖去一定厚度的填土，进行第一次强夯，然后回填至要求标高，再进行第二次强夯。

但这样做是很不经济合理的，对消除湿陷性黄土层的厚度应有合理的要求。

事实上没有必要一定要消除其全部湿陷性，只要根据建构筑物的实际需要，只要满足在强夯有效加固深度处附加压力小于湿陷起始压力的要求，作一次强夯，消除填土一定厚度的湿陷性即可。

夯实层下面的下卧层可以不必再作处理，因为离地表面越深的地方附加压力越小，况且扩大范围夯击的压密层已经起到了保护下卧层的隔水作用。

工业装置的地坪地基、管沟地基、道路路基等表层只需处理1－2m厚，采用重锤夯实比较经济合理，若重锤夯实以3元/m2（夯击10-12遍）计算，强夯以5.5元/m2（1000KN.m能级、夯打5击）计算，则可节省施工费用83.3%。

强夯适用于替代大面积换土，或需要处理地基的范围大且处理深度大的情况，但小范围的地基处理，采用换土夯实或灰土夯实，比动用履带吊车进行强夯要经济合理。