强夯加固理论及研究综述

叶国良，徐宾宾

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

强夯法又称动力固结法，是上世纪60年代末由法国梅纳德（Menard） 技术公司首先提出并开始大规模应用于地基加固处理。强夯法利用起重设备将重锤提升到一定的高度，然后使其自由落下在地基中产生很大的冲击能量，压密地基，从而提高地基的强度。我国于1978年11月—1979年初首次由交通部一航局科研所（现中交天津港湾工程研究院有限公司）及其协作单位在天津新港三号公路进行了强夯法试验研究。在初步掌握了这种方法的基础上，于1979年8—9月又在秦皇岛码头煤堆场细砂地基进行了试验，效果显著。之后该工法在我国迅速发展并逐步开发出适应粉土和黏性土地基的改良工法。

本文通过对国内外强夯理论和技术的调研，总结了强夯法中地基加固机理、有效加固深度、强夯影响范围以及强夯联合其他地基处理技术等，并提出强夯研究的发展方向，可供工程技术人员参考。

1 强夯加固机理

目前国内外关于强夯法加固地基的机理看法还不一致，强夯加固理论主要体现在强夯对地基土的作用机理。

从加固原理与作用来看，强夯法加固地基的机理可大致分为以下3种形式：动力固结、振动波压密和动力置换。动力固结理论[1]是Menard基于饱和黏性土强夯瞬间产生数十厘米沉降的现象而提出的，原有的固结理论认为饱和黏性土在瞬时荷载作用下，由于渗透性低，孔隙水无法在瞬间排出，因而被看作是不可压缩体；而强夯由于巨大的冲击能量使土体产生强烈的振动和压力，导致土中孔隙压缩，土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水迅速溢出，土体得以固结，从而减少沉降并提高承载力。

振动波压密理论认为强夯法中夯锤的冲击能量以振动波的形式在地基中传播，重锤自由下落的过程就是势能转化成动能的过程，即随着重锤的下落，势能越来越小，动能越来越大，在落地的瞬间，势能的绝大部分都转换成动能。振动波以体波（压缩波与剪切波）和面波（瑞利波与勒夫波）的形式从夯点向外传播。Leon[2]考虑到强夯法加固地基的方式，指出强夯中存在加密作用、固结作用和预加变形作用。Gambin[3]认为强夯过程中表层土直接受夯锤冲击作用而深层土主要受波动影响。坂口旭[4]将夯锤下土层分为松动区、主压实区、次压实区和弹性影响区，符合弹性波动理论计算结果。郑颖人等[5]将强夯法分为4个阶段：能量转换与夯坑受冲剪阶段、土体液化与破坏阶段、固结压密阶段和触变固化阶段，并在此基础上提出了适用于软黏土地基的强夯工艺。

动力置换法是在土中通过强夯形成相对独立、完整和连续的置换体，形成复合地基，当用于淤泥类土中时称为强夯挤淤。置换深度通常与夯击能、土性、夯击条件等因素有关，加固机理包含置换、挤密、排水等多方面效果。

2 强夯有效加固深度

强夯有效加固深度是强夯设计与施工中最为重要的问题之一，不仅是选择上部结构基础形式的重要依据，而且是选择强夯能级和确定施工工艺的最主要指标。影响强夯有效加固深度的因素很多，包括与施工工艺有关的如落距、锤重、夯点布置、夯击顺序、夯击遍数等因素，还包括与场地类型有关的如粒径分布、相对密度、饱和度、地下水位、地层构成等因素。Menard[1]从单夯击能的角度提出了以下公式来估算有效加固深度H：

式中：M为锤重；h为落距。但该公式量纲不统一，只能进行夯锤重量与落距的初步设计，另外大量工程实践表明，此公式计算结果偏差较大[6]。许多学者经过大量实践与现场测试，提出了修正的有效深度预测公式：

式中：α为修正系数，据不同的土质和施工工艺而定。由于影响修正系数的因素较多，JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》中建议α取值范围大致为0.34～0.80，根据不同土类选用不同修正系数。

另外大量学者通过研究也给出了α取值范围。Leonard等[7]针对印第安纳州砂土地基强夯试验，提出α值为0.5，并认为其与能级、夯击顺序、击数、土层构造有关。Lukas[8]总结了低能级强夯加固碎石回填土和天然软弱地基土的加固深度，建议α取0.65～0.8之间，随土体类型和饱和度变化。Charles等[9]通过对5个软黏土和人工回填黏土强夯工程进行检测，提出α取0.35～0.4。Mayne等[10]总结分析了124项强夯工程的现场实测数据，研究了包括吹填土、回填黏土、杂填土、天然砂土等在内的各种地基场地，结果表明有效加固深度、地面振动和夯坑深度随夯击能的增加而增加，并发现绝大多数工程中α值在0.3～0.8之间，与JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》建议相同。范维垣[11]分析了近百个工程实例得到α的取值在0.5～0.8之间，软土取0.5，黄土取0.34～0.5。

除了Menard的能量开方公式，学者们也试图建立夯击能与有效加固深度的线性或指数关系，并利用量纲分析法引入夯击遍数和含水量的影响。Slocombe[12]认为有效加固深度与夯击能存在非线性关系，给出了考虑夯击能的经验公式：

Luongo[13]结合30多项工程实测资料，总结出如下经验公式：

式中：k1为深度系数，通常取2.0～10.1；k2为能量系数，取 0.009～0.016。

Poran等[14]在干砂模型上进行强夯试验，通过测量夯后砂土密度得到了沿深度方向半椭球面分布的密度等值线，并以此拟合出有效加固范围的经验公式。

王成华[15]根据强夯时土体塑性变形对加固地基有效的事实，按塑性能量守恒，采用等效拟静力法估算加固深度，并提出如下有效加固深度计算公式：

式中：dw为地下水位埋深；γ和γ′分别为土的天然重度和有效重度；a和b为锤形常数；D为夯锤边长或直径。该公式考虑了夯击能量、机具效率、夯锤尺寸及形状、地下水位和地基土性等多方面的影响，易于工程应用。等效拟静力pe为：

式中：η为能量效率系数；Q为夯锤重量；H为落距；k为模量系数；E0为变形模量；μ为泊松比；ω为沉降系数。

张平仓等[16]根据量纲统一的原则建立了有效加固深度公式：

式中：A为夯锤底面积；γd为加固土的干重度；ω为含水率。

费香泽等[17]对黄土进行了模型试验研究，重点分析了夯锤重量、落距、夯点间距、击数等对有效加固深度的影响，得到了如下计算公式：

式中：N为夯击数；d为夯点间距；γd为加固土的干重度；ω为含水率。

石亮等[18]分析了4种低能级强夯作用下单击能、锤重、夯锤直径以及干重度对有效加固深度的影响，并提出了有效加固深度的拟合方程。另外，除上述方法外，还有学者通过量纲分析、神经网络法、最小二乘法、相似理论法、能量守恒等方法[19-20]对强夯有效加固深度进行了研究，取得了丰硕的科研成果。

3 强夯振动影响范围

强夯法加固地基时，夯坑周围土体会在巨大的夯击能作用下产生隆起，夯击能以波动的形式向夯点四周传播，对周围建筑物产生不利的振动影响。与地震相比，强夯引起的振动是一种低频（＜50 Hz）的瞬态振动，且随着距离的增大而减小。目前国内外多采用质点振动速度或振动加速度值来评价建筑物的振动安全，但对强夯振动危害的判定仍存在不同意见，工程界一般采用GB 6722—2011《爆破安全规程》。

Mayne等[10]根据120个强夯实测资料得到了强夯冲击能与质点最大速度之间的关系：

式中：s为测点与夯点间距离。Rollins等[21]提出了相似的公式，并认为当建筑物旁边为塌陷性土时可直接进行强夯加固。Lukas[22]根据现场实测数据给出了不同土性下测点最大速度与夯击能的关系。由上可知，尽管强夯振动影响距离的公式很多，但大都是经验公式并未考虑土性参数，因此利用理论和数值计算确定不同土性参数对强夯影响距离十分有必要。

方磊等[23]根据《构筑物抗震设计规范》认为，当某点地震加速度值小于0.1 g时，可将该点至夯点中心的距离视为振动影响的安全距离。秦小勇等[24]利用LS-DYNA软件对强夯过程中土体变形瞬态过程进行模拟，得到的速度时程数据与实测数据较为接近，同时利用量纲分析法，拟合得到质点振动速度、距离和锤重的关系。蒋鹏等[25]利用大变形有限元模型，对强夯振动特性、强夯振动对建筑物的影响进行了定量分析，总结出有关强夯振动的规律。

4 强夯应用拓展

强夯与真空降水联合法。强夯法与真空降水法是两种常用的地基处理法，但两者的加固机理完全不同。强夯法的加固机理在本文中已有总结，但不适用于透水性较差的黏土地基，真空降水法则是通过抽真空设备在地基中形成压力差，能有效地加快饱和黏土地基的排水固结。强夯联合真空降水法是基于饱和黏土的动力特性和动力固结机理，将强夯技术和真空井点降水技术结合起来的一种新的动力排水固结法。在联合处理软基过程中，真空降水主要是通过设置排水通道，利用真空产生的负压主动进行排水，同时作为强夯的排水通道，加速强夯产生的超静孔隙水压力消散和孔隙水排出，加速固结沉降。

快速冲击夯实法。传统的强夯技术使用履带吊车施工，夯击频率为2～3min/击，且夯锤较重，对周围环境影响大。快速冲击夯实法使用强夯技术原理，将重7～9 t的锤体安放在液压马达上，锤体落高为1.2 m，可夯击40～60次/min，对地面夯击能量最高可达108 kN·m。夯击能量通过直接放在地面的1.5 m直径的钢锤脚传递给地基，不仅可以减少能量传递的损失，还可以保证邻近建筑物和设备的安全。快速冲击夯实法可加固各种非黏性土，尤其是碎石和砂土，也可用于人工填土。

5 强夯研究存在问题及展望

强夯作为一种经济有效的地基处理方法在国内外得到了广泛的应用，但强夯加固机理复杂，影响因素较多，很难在一个统一的理论框架内进行分析，因此需要理论研究、室内/现场试验、数值计算方法相结合，为实际工程提供合理的指导。具体应在以下几点展开研究：

1）从土体微观角度出发研究强夯加固前后土体微观结构变化，借助离散元等软件探明强夯加固机理及加固效果。

2）对层状地基进行强夯处理时，强夯能量在地层交界处的能量耗散（反射、折射）研究较少，需要进一步研究存在饱和软弱下卧层时能量的传播特性。

3）对夯点间距、重叠夯点及相邻夯点的研究有待进一步探索，在数值计算中考虑群夯效应能更加符合现场工程，为强夯设计施工提供依据。

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