强夯法在南水北调湿陷性黄土路基处理中的应用

□姬永立 □袁 波（河南省水利第一工程局）

0 前言

强夯法即强力夯实法，是利用大型履带式起重机将8～40t的重锤从6～40m高度自由落下，对土进行强力夯实。强夯法施工具有设备简单、施工工艺简单、操作简单，适用土质范围广，加固效果显著，可取得较高的承载力，一般地基强度可提高2～5倍；压缩性可降低2～10倍，加固影响深度可达6～10m；工效高、施工速度快，较换土回填和桩基可缩短工期一半；节省加固原材料，施工费用低，节省投资。

强夯法不仅能提高地基土的强度，降低其压缩性，还能改善抗振动液化的能力和消除土的湿陷性，因此它不仅适用于处理碎石土、砂土、粉土、黏性土、杂填土和素填土地基，还常用于处理可液化砂土地基和湿陷性黄土地基。

1 工程简介

南水北调中线一期总干渠沙河南-黄河南荥阳段是总干渠沙河南至黄河南段的一个设计单元，位于河南省荥阳市境内，起点在郑州市董岗村西北；终点在荥阳市王村乡王村变电站南（即穿黄工程进口A点），荥阳段线路总长约23.97km，设计流量265m3/s，加大流量320m3/s。

南水北调中线一期总干渠荥阳段渠线上分布有岗地、河谷，是由淮河和黄河冲积的平原，整体的地势为南高北低、西高东低。沿线地表至渠底下5m范围内地层主要由黄土状粉质壤土及重粉质壤土构成。结构类型有黄土状土均一结构、粘性土均一结构和上粘性土为主、下软弱岩结构三种，并以黄土状土均一结构为主。黄土状土沿渠线分布广泛而连续。沿线黄土状土湿陷性在空间分布上的随机性较大，无论水平方向还是垂直方向都具有不均匀性。本渠段黄土状土多属非自重湿陷性黄土，个别地点具自重湿陷性，场地湿陷类型为非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级多为I级（轻微）。全新统冲积成因（alQ4）的黄土状土多为中等湿陷性，湿陷深度一般2～4m；上更新统冲洪积成因（alplQ3）的黄土状土多为轻微～中等湿陷性，局部具强湿陷性，湿陷深度一般3～8m，局部可达10m。

黄土状土在自然的状态下强度相对来说比较高，抗冲刷能力不高，由于黄土状具有湿陷性，在遇到水后会出现湿陷变形的情况，强度会显著降低，会对地基土的强度和渠道边坡的稳定性造成比较大的影响。

2 强夯法在南水北调工程施工中的应用

根据南水北调中线一期总干渠沙河南～黄河南荥阳段工程设计文件要求，强夯基础处理范围主要为地层具有湿陷性黄土的渠段和建筑物地基基础，处理深度为8m，要求消除地基的全部湿陷量，设计荷载为200kPa。强夯采用跳夯，一遍二序夯击方式，单击夯击能3000kN.m，夯击点为正方形布置，Ⅰ序夯击点间距为7m，Ⅱ序夯击点位于Ⅰ序夯击点位之间，点夯后整平夯坑，再以低能量满夯两遍。满夯采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。强夯处理范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外缘宽度为设计处理深度的1/2至1/3，并不得少于3m。

3 强夯法施工工艺

强夯施工工艺流程为：施工准备→场地平整→夯机就位→夯击施工→场地平整→工程验收，见图1。

3.1 施工准备

3.1.1 场地平整

强夯施工前，先用推土机将施工区域表层腐质土（≥30cm厚）推至施工区之外拢成堆，使用挖掘机和10t自卸车装运至监理指定的地点或就进弃渣场，然后再将施工区整平，场内表面平整度不超过10cm。清除场地内障碍物，并标记处理场地范围内地下构造物及管线等。

图1 强夯施工程序图

3.1.2 影响措施

强夯施工中，采取隔震、防震措施，消除强夯对邻近建筑物的有害影响。强夯施工时避开邻近居民的休息时间，以免震动和噪声对周边群众的生活造成影响。

强夯施工在基坑基本无水的情况下进行，对进入强夯施工范围的雨水、溶蚀系统渗水，采取引排或抽排措施排除。

3.1.3 施工设备进场

强夯施工机械宜采用带有自动脱钩装置的履带式起重机或其他专用设备，采用履带式起重机时，在臂杆端部设置辅助门架或采取其他措施，防止落锤时机架倾覆。夯锤其底面形式宜采用圆形或多边形，锤底面积宜按土的性质确定，锤底静接地压力值可取25～40kPa。锤的底面宜对称设置若干个与其顶面贯通的排气孔，孔径可取250～300mm。强夯置换锤底静接地压力值可取 100～200kPa。

3.2 夯击试验

强夯试验以前，按照要求编制强夯试验大纲报监理单位审批。按监理单位指示在施工现场有代表性的场地上选取一个或多个试验区，进行试夯或试验性施工，每个试验区内夯点数目、布置形式、落距、夯击遍数等应经监理人批准。

强夯试验前应按要求进行清基，并对细砂层分层取原状样进行颗粒分析和干密度检测，如：各层原状土的含水量、干容重、湿陷性、压缩性、剪切性试验指标，同时也可以绘制出土层深度与含水量、干密度的曲线图。原状土取样设在试验区内，取样深度距地面8m。

强夯后的检测项目为承载力，可采用原位静载荷试验和室内土工试验。在强夯完成之后的1周后进行，不易在强夯结束后立即进行检验，否则，测得的强度偏低，不能反映实际效果。强夯试验后在试验区内挖一组探坑，取样，得出和试验前对应数据，绘出相应曲线，然后与夯前地质数据进行比较，得出最佳强夯试验参数，出具正式试验报告，上报监理工程师批准后作为强夯施工的控制参数。强夯试验参数可先按单击夯击能＜2000kN·m进行。

3.3 强夯施工工艺

强夯在施工前，夯点的夯击次数应按照现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，夯击遍数根据地基土的性质确定，对于渗透性较差的细颗粒土必要时夯击遍数可适当增加，最后再以低能量满夯2遍，满夯采用轻锤或低落距锤多次夯接，锤印搭接。

施工前，在强夯夯点布置、夯击方式在强夯实验的基础上，按监理的指示进行。平整后的场地表面进行强夯前的控制桩、高程测量，作为进行强夯处理的基础资料，强夯区夯点的布置按图纸要求的参数由测量组先绘出夯点布置图，然后按夯点布置图所示在强夯区准确的用白灰撒出每个夯心点。强夯施工时，夯机所处位置地面要求平整，避免在坡面上施工。起锤之前，夯锤对准夯点，避免夯锤落下时，偏离夯点不完全在夯点上。

强夯施工可按下列步骤进行：

①在整平后的场地上标出第一遍夯击点的位置，并测量场地高程；②起重机就位，使夯锤对准夯点位置；③测量夯前锤顶高程；④将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，测量锤顶高程，若发生坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平；⑤重复上述步骤4，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击；⑥换夯点，重复上述步骤2～5，直到完成第一遍全部夯点的夯实；⑦用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；⑧在规定的间隔时间后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量（最后一遍夯锤落距可降低至4～6m，夯击3次）满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。

强夯法的加固顺序是先深后浅，即先加固深层土，再加固中层土，最后加固表层土。在最后一遍点夯夯击完成后，用推土机将夯坑填平。

当夯锤落下出现锤在夯坑中倾斜现象时，停止夯击，提起夯锤放置在一边，组织工人用铁锹等工具进行夯坑底部整平工作，夯坑底部整平后再进行夯击。

3.4 特殊地貌的施工控制

整个夯区地形地貌复杂，按图纸所示位置，有些夯点正好布在高边坡边缘，在坡边打夯可能导致塌坡、塌孔，达不到夯击效果，在这种情况下，把边坡坡壁垂直削平，坡顶边缘的夯点放样在坡底进行夯击。

如遇夯点在路坡上，路坡做整平处理，再放样夯击。夯点如在高填方地段，高填方段须降低高度，后使用推土机整体推碾整平。

强夯施工后，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。

4 工程质量检测

施工开始前，会同监理人复核现场放样成果，经监理人签认后，方可开始进行强夯施工。

强夯前对基础面进行高程测量，在夯击时对最后两击夯沉量和最终夯沉量进行测量和记录，强夯最后两击相对夯沉量≤5cm。对不符合质量要求应及时进行补夯或采取其他措施。

强夯施工过程中，承包人会同监理人按试验选定的施工参数，定时进行下列项目的检查：强夯点位偏移值；夯击次数、夯锤落距；每个夯点的最后两击夯沉量；夯锤倾斜度。

强夯施工后承载力检验采用原位测试和室内土工试验，夯后承载能力需达到设计要求，强夯土的承载力检测，在地基强夯结束30d左右，采用静载荷试验测定。

强夯质量检查、取样地点按监理工程师指示进行。在强夯施工中或施工结束后，隔7-10d，在每500～1000m2面积内的各夯点之间任选一处，自夯击终止时的夯面起至其下6～12m深度内，每隔1m取1个土样进行室内试验，测定土的干密度、压缩系数和湿陷系数。

5 结论

强夯法与挤密桩法在处理南水北调中线一期总干渠湿陷性黄土路基处理中广泛应用，但强夯法较其他路基处理方法有其独特的优点，尤其适于土质结构不均匀、土质情况差异的地基，更安全可靠,更重要的是强夯法是处理湿陷性黄土地基是最经济、最有效、速度快的一种方法。