重锤夯实强夯法施工工艺3.docx
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重锤夯实强夯法施工工艺3
重锤夯实（强夯法）施工工艺
中铁二局机筑公司殷郑海
前言
强夯法又称动力固结法，是法国梅那尔公司于60年代后期创造的一种地基加固方法。
它是在重锤夯实基础上发展起来的动力加固地基的新方法。
70年代后期传入我国，经过近20年在全国各地的推广应用，证明其加固效果十分显著。
一、工艺特点
强夯法以其质量可靠，造价低，进度快，节约三材，经济效益显著等特点，已广泛应用于工业与民用建筑、公路与铁路路基、机场道路及码头仓库等工程的地基加固，强夯能级从1000kN·m发展到8000kN·m，成为国内处理地基的一种较好的实用方法。
二、适用范围
目前，国内外处理地基的手段很多，其中强夯的适用范围最广，适用的土质有：
各种高填土，如素填土、杂填土（建筑垃圾、工业废料）、粘土、黄土、湿陷性黄土等；饱和砂土、粉土等可液化土，淤泥质土，饱和粘性土等。
对于后一类土在正式强夯前须先做试验，证明确有实效时也可采用。
采用强夯处理地基，需要考虑其振动对附近建筑物的影响，必要时应采取隔振、防振措施，以及城市对噪音的控制问题。
三、工艺原理及设计要求
强夯法加固地基虽已经历了几十年，实践证明是一种较好的地基处理方法，但是还没有一套成熟的理论和完整的设计计算方法。
根据国内外近十年来的研究成果，土的强夯作用机理一般可归结为：
非饱和类土：
以直观的加密使土体强度增加为主，如黄土和一般的粘性土，最典型的是湿陷性黄土，通过夯击使土颗粒重新排列成致密结构体，消除其湿陷性。
粉土和粉细砂类土：
夯击作用使土体加密和预液化，从而提高地基土的承载力和抗液化能力。
饱和土：
强夯使空隙水压力瞬时升高，随着水压力的消散，土中自由水和部分弱结合水排出，土体变得紧密，随着时间的延续，触变后的土体结构得以恢复，使地基土得到加固，对于饱和淤泥质土和粘性土，可通过加填料（石块、钢渣等）夯击，增加土体骨架和排水通道，这一措施无疑扩展了强夯处理地基土的适用范围。
（一）、加固原理
强夯法是应用功能转换的原理达到加固地基的目的。
具体地说，它是利用起重设备将几十吨（一般8—40t）重锤，从几十米（一般6—40m）高处自由落下，给土以强烈的冲击和振动。
地基土在强大的冲击能的作用下，土体强制压缩或振密；土体局部液化，夯点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水逸出，经时效压密，使土体重新固结，从而提高了土的承载力，降低其压缩性。
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，士体结构破坏，形成夯坑，并对周围士进行动力挤压。
图3-1为某工程测得的单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况。
目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理:
动力密实、动力固结和动力置换，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
3.2.1动力密实
采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。
非饱和土的夯实过程，就是土中的气相（空气）被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。
实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6～1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍。
非饱和士在中等夯击能量1000～2000kN.m的作用下，主要是产生冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减少，最大可减少60%。
3.2.2动力固结
用强夯法处理细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。
由于软土的触变性，强度得到提高。
Menard根据强夯的实践，首次对传统的固结理论提出了不同的看法，认为饱和土是可压缩的新机理。
归纳成四点:
1.饱和土的压缩性
由于土中有机物的分解，第四纪士中大多数都含有以微气泡形式出现的气体，其含气量大约在1%~4%范围内，进行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水压力就减少。
这样每夯击一遍，液相气体和气相气体都有所减少。
根据实验，每夯击一遍，气体体积可减少40%。
2.产生液化
在重复夯击作用下，施加在土体的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。
因此，土体的沉降量与资击能成正比。
当气体按体积百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。
相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。
图3-2所示的液化度为孔隙水压力与液化压力之比，而液化压力即为覆盖压力。
当液化度为100%时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为"饱和能"。
此时，吸附水变成自由水，土的强度下降到最小值。
一旦达到"饱和能"而继续施加能量时，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。
3.渗透性变化
在很大夯击能作用下，地基土体中出现冲击波和动应力。
当所出现的超孔隙水压力大于颗粒间的侧向压力时，致使土颗粒间出现裂隙，形成排水通道。
此时，土的渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出。
在有规则网格布置夯点的现场，通过积聚的夯击能量，在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。
当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合，土中水的运动重新又恢复常态。
国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土颗粒间吸附水转化成为自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。
4.触变恢复
在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，使土的强度达到最低值。
此时土体产生裂隙，而土中吸附水部分变成自由水，随着孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。
这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水，这也是具有触变性土的特性。
图3-3为夯击三遍的情况。
从图中可见，每夯击一遍时，体积变化有所减少，而地基承载力有所增长，但体积的变化和承载力的提高，并不是遵照夯击能的算术级数规律增加的。
鉴于以上强夯法加国的机理，Menard对强夯中出现的现象，又提出了一个新的弹簧活塞模型，对动力固结的机理作了解释。
图3-4表示静力固结理论与动力固结理论的模型间区别，主要表现为以下四个主要特性，见表3-1。
表3-1静力固结和动力固结理论对比
静力团结理论（图3-4a）
动力固结理论（图3-4b）
I.不可压缩的液体
I.含有少量气泡的可压缩液体
2.固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的
2.固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的
3弹簧刚度是常数
3.弹簧刚度为变数
4.活塞无摩阻力
4.活塞奋摩阻力
3.2.3动力置换
动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图3-5。
整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。
桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩（或墩）间隔地夯入软土中，形成桩式（或墩式）的碎石墩（或桩）。
其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩，它主要是靠碎石内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用。
（二）、工艺设计要求
多年实际证明，强夯法加固地基，一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求，正确的选用强夯参数，才能达到经济有效的目的
强夯参数包括：
加固深度（或影响深度）、单点夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、相邻两次夯击遍数的间歇时间、加固范围和夯点布置等
1、加固深度的确定
影响加固深度的因素很多，有锤重、落距、地基土性质、不同土层的厚度和埋藏顺序、地下水位以及其他强度设计参数等。
我国学者根据前人的研究和大量的试验，提出了有效的加固深度修正公式：
D=K（WH/10）1/2
D----有效加固深度，m;
K----修正系数，K的变化范围一般为0.5~0.8。
比如软土取0.5，黄土为0.34~0.5；
W——锤重，KN；
H——落距（锤底至起夯面距离）（m）。
2、夯击能
1）单点夯击能等于锤重乘以落距，一般根据加固土层的厚度以及选用吊机的大小来确定，采用如下公式：
E=W·h（kN·m）
W——锤重（kN）；
h——落距（m）。
我国选用的锤重为80~250KN，个别达400KN，落距为8~25米。
世界上最大的锤重2000KN，落距25米，其加固深度可达40米。
2）最佳夯击能的确定
从理论上讲，在夯击能作用下，当地基中出现的孔隙水压力达到土的自重压力时，这样的夯击能称为最佳夯击能。
（1）粘性土最佳夯击能的确定方法
在粘性土中，由于孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力也相应叠加。
因而在粘性土中，可依据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。
（2）砂性土最佳夯击能的确定方法
在砂性土中，由于孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟时间，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加。
为此，可绘制最大孔隙水压力增量与夯击次数（夯击能）的关系曲线（如下图）来确定最佳夯击能。
3、夯点布置及间距
按建筑面积均匀布点时，以最外围基础中心线或外边线算起，增加一排夯点。
按基础位置相应布点时，同上或按基础持力层厚度一半扩出。
布点形式和间距依地质情况、能级和夯锤面积等定。
为更好的达到设计要求，多数情况需试夯确定。
（1）单点间距一般为1.5D—2.5D（D为锤底直径），呈正方形、梅花形和等边三角形布置（图2）。
（2）满夯为挨点错位相切（图2）
4、单点夯击数
对单个夯点，一次连续夯击次数控制标准如下：
（1）夯坑标高控制：
打到要求标高或夯坑达到某一深度，以至不好继续操作（粘锤、埋锤），此击数时形成的标高。
（2）贯入度控制：
夯到最后一击，或最后三击的平均贯入度，小于或等于一定数值时的击数。
a.较硬土、湿陷性黄土、砂性土3—5cm。
b.软弱土5—10cm。
c.对于饱和软粘土，淤泥质土以及大能级强夯而相应的锤底面积小的情况下，贯入度达20—30cm。
（3）地面发生较大隆起（一般不超过30cm）或夯坑内出现溢水等情况时，需停止夯击。
5、夯击遍数
以一定的连续击数，对整个场地的一批点，完成一个夯击过程叫一遍，单点的夯击遍数加满夯的夯击遍数，为整个场地的夯击遍数。
（1）单点的夯击遍数：
除坚硬土和粒料土外，一般都有孔隙水压力的消散和土体恢复问题。
这两个因素是控制强夯遍数的主要因素，一般含水量大的遍数较多。
对在夯击过程中有填料要求的饱和软土的遍数也较多。
夯坑过深，需在坑内填满料，再在原点夯击，这种情况也增加了遍数。
（2）满夯的夯击遍数，一般为一至二遍。
满夯的锤击数一般对每个夯点连续夯击数一般为3—5击。
6、加固范围
加固范围比加固地基的长度L和宽度B各大出加固深度H，即（L+H）*（B+H）。
加固宽度应根据建筑物的种类和重要性等因素考虑，例如为保持边坡稳定应考虑加固到最危险的滑弧范围处。
7、相邻夯击两遍之间的间歇时间的确定
关于相邻夯击两遍之间的间歇时间，有科学家指出，一旦孔隙水压力消散，即可进行新的夯击作业。
四、工艺流程
①清理、平整场地→②现场标出第一遍夯点位置、测量场地高程→③起重机就位、夯锤对准夯点位置→④测量夯前锤顶高程→⑤将夯锤吊到预定高度脱钩自由下落进行夯击，测量锤顶高程→⑥往复夯击，按确定夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击→⑦重复以上工序，完成第一遍全部分点的夯击→⑧用推土机将夯坑填平，测量场地高程
→⑨在规定的间隔时间后，按上述程序逐次完成全部夯击遍数→⑩用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。
五、操作要点
1、场地整平及标高要求
（1）为便于机械行走和施工，强夯场地整平应大于强夯布点范围，以夯点外边缘向外扩3—5m或以外排基础边扩8—10m，（图1）如在挖填方地带施夯，需考虑放坡。
（2）强夯场地的标高，以所夯建筑物的基础底标高，加预留夯沉深度来定（图1）。
夯沉深度与地质情况，能级等有关。
此值可参照已完工程暂定，经过试夯确定。
2试夯
根据设计指标和地质报告，参照有效影响深度公式、结合实际经验，首先确定试夯能级，然后选择不同的锤底面积、布点间距、施工顺序、夯击遍数、单点夯击数等。
夯后经过测试，得出满足设计要求的最佳数据，确定施工工艺和参数。
有条件时，对含水量较大的地基土。
为能提供各遍准确的间隔时间，最好做孔隙水压力消散试验。
试夯场地可选在本工程场地内或附近，有经验时也可在工程开始部分安排试夯。
3、强夯施工
（1）按试夯确定的施工工艺对作业人员进行安全、技术交底。
（2）先夯击第一遍，记录每一夯点最后两击的沉降差值在设计规定的限值内即可进行下一夯点的夯击。
（3）按规定间隔一定时间后，进行第二遍夯击，夯击要求同第一次。
夯击点要布置在上一遍两相邻夯击点的中间。
（4）满夯（或搭夯）
一般用点夯时30%~50%的夯击能满布夯击，主要为加固表层松散土体，夯锤搭接上次夯击点1/4直径进行下一点的夯击，直至全部夯完为止。
六、推荐使用的主要机具设备
（1）起重设备：
为强夯的主要机械，一般额定起重能力为夯锤重量的1.5—3倍，我国大都用履带式吊车改装。
根据工程所采用的夯锤和起重高度来选用起重机的型号。
可单机作业，也可主、副机（移锤）联合作业。
（2）门架：
由横梁和二个支腿组成，支腿的结构形式有格构式或管式。
门架上部横梁中心绞接于吊杆顶部。
（3）脱钩装置：
由带拉杆的吊钩和滑轮组成，配上牵引钢丝绳，当夯锤起到规定高度时能自动脱钩落锤。
（4）夯锤：
夯锤的选择系根据土质条件、设计要求和强夯能级决定。
夯锤重一般为80—400kN。
设数个上下贯通的通气孔。
夯锤的材质为铸钢、铸铁或钢壳包混凝土几种。
其锤底形状多为圆形，锤底面又有平底、锅底、球形等，地面投影面积一般为4—8m2。
（5）推土机：
是强夯必不可少的辅助机械，作为场地整平压实之用。
七、劳动力组织
（1）起重工：
1000—2000kN·m配4人；
3000—4000kN·m配5—6人；
5000kN·m以上配6—7人；
填料工若干人（指需填料强夯）。
（2）起重机车司机：
2人。
（3）推土机司机：
1—2人。
（4）机修工：
3人。
（5）测量工：
1—2人。
（6）其它管理人员和工人依工程情况可作必要的调整
八、质量要求及质量控制要点
（一）强夯中需要测定的数据
（1）夯前的场地标高，各遍夯后整平标高。
（2）各遍夯点最后三击的夯沉量，计算出夯坑的总下沉深度，各遍在整个夯区内均匀的选一定数量的点测每一击的下沉量，作为与试夯比较和检测参考、满夯只在开始时，以贯入度控制，得出锤击数，以后以此数为准施打，不再作测量。
（3）强夯中若发现地面变化较大时，需作隆降观测。
（4）强夯形成的夯抗直径，主要在试夯时测定，作为计算土体压缩及填料量的参考。
（5）对有填料要求的强夯，需记录各夯坑的填料数量。
（二）施工要求
（1）施工前必须用仪器，准确放出夯点中心位置，并划出圆圈，施夯时对点要准。
（2）必须按规定的起锤高度、锤击数和控制指标施工，不得随意改变。
（3）施工中如发现偏锤，应重新对点。
（4）施工中如发现歪锤时，需用填料（或土）将坑底垫平，才能继续施夯。
（5）如遇夯锤的通气孔堵塞，应立即开通。
（6）表层土过干（尤其是满夯）应采取增加含水量的措施。
（7）雨期施工，要防止雨水浸泡现场，夯坑内有积水应及时排出后方可施工。
（8）强夯中的满夯是重要的一环，必须精心施工，否则表层质量不好，将造成建筑物沉降过大和发生不均匀沉降。
冬期施工时，不宜进行满夯。
九、交工验收
施工完毕，建设单位以施工现场交工资料和检测试验报告进行验收。
交工资料包括：
竣工图、施工记录、各种观测数据、各阶段标高数值。
十、安全措施
（1）由于强夯机组高大，稳定性较差，因此对施工场地要求较严，不得软硬不匀，不得有虚填坑洞和浅层墓坑。
（2）强夯时有土块石子等飞出，现场人员必须戴安全帽。
吊车上应安装防护网，非施工人员不得进入现场。
（3）应随时注意检查机具的工作状态，经常维修和保养，发现不安全之处应及时处理。
（4）在强夯施工区附近有建筑物时，应经常观察振动的影响，对较近的建筑物应挖防震沟，其深度应超过该建筑物的基础深度。
（5）强夯机械使用交流电源时，应特别注意各用电设施的接地防护装置，施工现场附近有高压线路通过时，必须根据机具的高度、线路的电压，详细测定其安全距离，防止高压放电，发生触电事故。
十一、质量检测
（1）强夯法处理地基后，由检测得出夯后地基土的各项物理力学指标。
其指标主要是地基土的承载力，对饱和粘土还要提出压缩模量。
对湿陷性黄土，要测出消除湿陷的深度，对于液化地基土应测出消除液化的深度。
（2）检测点布置在夯点上和夯间：
强夯过的场地较均匀，可取少量点检测。
为检测结果更可靠，在夯打过程中发现的较软弱区域可多布点。
（3）夯后开始检测的时间，根据土质情况决定。
砂质土可在竣工后一周左右或立即检测。
含水量在塑限左右的粘性土，可在2—4周或稍长一些时间检测，饱和粘土要视孔隙水消散时间而定，淤泥质土要视孔隙水消散时间及土体恢复而定。
后两种土开始检测时间一般较长。
（4）强夯测试手段有静载荷试验、动力触探、标准贯入、静力触探、旁压、土工试验等。
可选一种或数种方法检测。
含水量低的地基土、饱和砂类土、可选标贯。
湿陷性黄土用静探与探井取样做土工试验两手段结合。
夯后场地一般不做载荷浸水试验。
饱和粘土、淤泥质土应以标贯为主，配合静探分析（单独使用静探则结果偏低）、碎石类土用重
（2）测试。
对各类地基土均可用静载荷试验，但费用高，一般场地不宜采用。
十二、重锤夯实（强夯法）的应用
强夯机具（履带吊机和夯锤）
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