强夯法在我国的发展 及 应用

张有春，鲁建荣

（滦南交通运输局， 河北 滦南 063500）

目前，强夯法已较广泛地应用于房屋、仓库、油罐、工业设备、公路、铁路、桥梁、机场跑道、港口码头等工程的地基加固，适用于碎石土、砂土、低饱和度土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土、素填土等。

强夯法就是利用起重设备将重锤提升到一定的高度，然后使重锤自由下落，以巨大的冲击能量作用在地基上，使土中产生极大的冲击波，以克服土颗粒间的各种阻力，使地基压变以达到加固地基的一种地基处理技术。这种方法的显著特点是夯击能量大，因此影响深度大，同时具有工艺简单、效果显著、设备简单、费用低廉、质量控制容易、适用土层范围广、施工周期短等突出优点。

1 强夯法的发展历史

强夯法的基本思想源于古代的夯实地基法，万里长城、唐长安大明宫等主要建筑基础均为夯筑。在近代，南斯拉夫、丹麦、苏联等国都试验过较重的锤，从较大的高度落下，以期达到在更大的深度内获得良好的加固效果。特别是罗马尼亚，从20世纪60年代开始，应用夯锤重5～7t，落距5～9m，加固深度可以达到2～4m的重级落锤夯实法。这也可以认为是强夯法的起源。强夯法，是由法国的路易·梅那（L.Menard）于1970年首先创立的地基加固技术。在强夯法施工初期，仅对浅层素填土、碎石填土、砂土进行加固，这时尚处于重锤夯实阶段。随着工程实践的增加，并且对某些条件下的细粒土软弱地基的处理也取得了一定的效果，于是就发展成为动力固结法。

2 强夯法发展现状

我国于1978年9月引进该项技术， 1979年初塘沽率先进行强夯法加固黏土地基的试验研究。同年6月河北廊坊与山西阳泉又分别对软黏土、粉细砂地基与黄土质砂黏性土填方地基进行了处理，这是我国采用强夯技术处理地基最早的两个工程实例。随后该技术迅速推广， 北京、天津、西安等地的地基处理工程都采用了该项技术，并取得了很好的技术经济效果。

我国强夯技术经历了如下几个发展阶段。

第一阶段，自引进到20世纪80年代初，约8年，本阶段工程应用的强夯能级比较小，一般仅为1 000kN·m，处理深度5m左右，以处理浅层人工填土为主。

第二阶段，20世纪80年代初到90年代初，约10年。在该阶段，代表项目是国家重点工程山西化肥厂，在施工过程中为了消除黄土地基的湿陷性，国家化工部组织科研，开发了6 250kN·m强夯能级，使强夯的有效处理深度提高到了10m左右，强夯的应用范围也得到扩展， 强夯技术日臻完善。

第三阶段，20世纪90年代初到2002年，该阶段以兴建国家重点工程三门峡火力发电厂为代表，该项目成功使用了8 000kN·m强夯能级，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到12m。此后， 高能级强夯技术发展迅速，应用范围进一步扩大，包括贵阳龙洞堡机场、上海浦东机场等工程在内的许多国家重点工程都采用了强夯地基处理技术，取得了预期效果，为国家节省了大量投资。

第四阶段，从2002年底至今，为了处理高填方地基，试验开发了10 000kN·m强夯能级，经检测，10 000kN·m能级强夯有效处理深度超过了15m，强夯技术取得了较大突破，缩小了与国外先进技术的差距。为了更进一步扩大强夯的应用范围，在强夯技术的基础上，还形成了强夯置换和柱锤冲扩等新技术。强夯这种工艺于2007年首次投入到了客运专线铁路施工中，用于新建武广铁路客运专线之中。

当前应用强夯法处理地基的工程范围极广，已付诸实践的有工业与民用建筑、重型构筑物、机场、堤坝、公路和铁路路基、贮仓、飞机场跑道及码头、核电站、油库、油罐和人工岛等。近年来强夯法在工程建设与环境保护协调方面己发展应用于垃圾填埋场、沙漠地基、核废料场等的处理。总之，强夯法在某种程度上比其他机械的、化学的或力学的加固方法使用更为广泛和有效。

3 强夯法研究方向

3.1 强夯加固地基的力学模型研究

国内一些学者对强夯法的力学模型进行了一些研究，陆新对软粘土地基在静力固结模型基础上针对强夯特点提出了强夯动力排水固结模型。很多学者还通过室内实验模拟强夯的作用机理，对其动力学特征进行了开拓性研究。钱家欢等曾用自制的动力固结仪模拟强夯， 分别提出了饱和砂土及饱和粘土在冲击荷载作用下压缩模量、卸荷模量以及动孔隙水压力的经验公式。韩文喜等也获得了饱和土在强夯作用下的动应力、动位移、孔隙水压力的变化规律及强夯的应力-应变关系特征。詹金林等也提出了高能级强夯加固机理的数值模拟模型。

3.2 夯击能的传递与作用机理

左名麒提出的振动波理论认为夯击所产生的巨大冲击能将以波的形式向土介质传播。强夯主要是纵波和横波起加固作用，而面波主要是R波，不但不起加密作用，反而对地基表面产生松动，是有害波。针对R波的作用，孔令伟等通过研究三个代表不同土质条件的强夯实践后认为，瑞利波可穿透较深的土层，使得地基在R波作用下产生变形并使土颗粒更为紧密的排列，即认为R波对地基加固起了不可忽视的作用。根据地基土的类别不同，强夯加固基本原理可分为动力夯实、动力固结两种情况，其共同特点都是通过破坏土体的天然结构并达到新的稳定状态。

3.3 强夯作用下的地基性状

根据强夯后标准贯入试验资料分析，郭见扬提出了强夯地基的双层构造理论。他认为对于强夯的加固效果，在某个深度以上夯后N值明显增加，形成良好的持力层，而在这个深度以下N值增加和减小的可能性都存在。但即使强度有所降低，它的抗振动稳定性将有所提高， 这充分肯定了强夯的加固效果。宋修广等综合考虑地基土的流固动力耦合和地基与夯锤接触表面的动力耦合情况，给出了基于三维有限元法的计算方法和迭代格式，并对一具体算例进行了耦合数值分析，总结了地基位移、应力及接触反力等在强夯作用时间内的变化规律和在空间上的分布特征。

在强夯加固的微观机理研究方面，则主要以试验为主。陈东佐曾通过X光衍射和扫描电子显微镜试验，分析研究了陕西潞城湿陷性黄土的全矿物成分及其强夯前后主要物理力学指标的变化规律，研究发现在加固效果最好的夯后土体中存在着旋涡状的微结构。

对于强夯法加固地基的机理，现在一般认为，从加固原理与作用看分为动力夯实、动力固结、动力置换三种形式。对于非饱和土，很高的冲击能使颗粒移动，从而孔隙中气泡迅速排出或者压缩，孔隙体积减小，形成较密实结构，称为动力夯实。饱和粘性土中，夯击破坏了土体原有结构并产生裂隙，引起渗透性增大，孔隙水压力消散后土体固结，称为动力固结。而通过在夯击过程中回填各种散体材料如块石、碎石等并与周围土体共同作用形成复合地基的方法称为动力置换。

3.4 强夯孔隙水压力的消散规律

强夯后孔隙水压力的消散问题是工程界和学术界普遍关注的一个问题，因为它决定着强夯的夯间间隔时间和有效影响范围。研究孔压的产生、增长和消散规律可以防止孔压的快速累积和加速孔压消散，从而减少大面积液化和“橡皮土”的产生，对于提高地基土的加固效果和加快工期，以及强夯加固机理的研究都十分必要。

韩文喜利用土动三轴仪对强夯加固饱和砂土进行了系统的模拟试验，认为饱和砂土在强夯作用下，颗粒在向下压缩和向周围挤压的同时颗粒间的孔隙被压缩，形成超静孔隙水压力，夯击后超静孔压能够迅速消散，没有孔压的叠加现象。

白冰将强夯荷载看作加荷和卸荷过程，并将其离散为若干等幅均布荷载，分析了饱和土层在强夯荷载下孔隙水压力的分布特点，并给出了在加、卸荷阶段土层内部任一时刻的孔隙水压力表达式。

现在，大量的工程实践证明，对于不同类型土，其孔隙水压力的产生、增长和消散规律是不同的。砂性土渗透系数大，孔压消散快，一般可连续夯击，而粘性土渗透性差，需要较长的夯间间隔时间以避免橡皮土的形成。

4 强夯法技术应用展望

虽然强夯理论研究工作取得了一定的进展， 但理论上仍远远满足不了强夯的实际工程需要。目前还没有一套很成熟、完善的设计计算方法， 仍然依靠经验和试验方法来确定。在现阶段我国实施强夯法处理地基土仍存在很多问题没有完全解决。这在一定程度上制约了这种方法的进一步发展。对强夯地基土的研究，特别是高饱度土地基，前人主要集中在强夯机理的分析及影响范围的计算，目前则注重于强夯工艺和强夯技术的研究和开发，对强夯后地基强度和变形的预测方面尚少见报道。对夯后地基特性的检测常通过规范规定的方法，现阶段主要是通过原位测试以及室内土工试验来测定加固效果，评价夯后地基土体的承载力、变形和压缩模量等指标。大都通过载荷试验、标贯试验或其他间接检测方法对比试验结果，或查表格换算求得。但以往的工程实践表明，强夯后某些土质量检测要在夯后一两个月后进行，即在超孔隙水压力完全消散时方可检验，但实际施工工期常不允许，若夯后立即进行质检，其测得的指标值又往往偏离真实的质量状况，甚至低于夯前指标，不能满足工程要求，如何利用夯后实测的参数指标值来预测土的承载力和变形特性成为当前迫切需要解决的问题。

今后针对上述问题开展关于强夯法技术的相关研究显得十分重要，从理论到实践寻求弃土的解快方法，寻求有效减小砂土液化的方法。从而提高工程质量，节约费用和工期。

[1]左名麒，朱树森.强夯法地基加固[M].北京：中国铁道出版社，1990.

[2]胡乃财.强夯法加固地基的设计参数研究[D].济南：山东大学，2007.

[3]吕秀杰，龚晓南，李建国.强夯法施工参数的分析研究[J].岩土力学， 2006， 27（9）：1628-1632.