素填土地基强夯加固机理现场试验分析

白维卿 栗金文

中国核电工程有限公司郑州分公司 河南 郑州 450000

随着国民经济快速发展，西部山区基础设施建设工程愈来愈多，因山区地形复杂，存在许多高挖深填项目。对于该类高挖深填地基处理，关键是控制地基沉降和不均匀变形。强夯技术自1980年左右被引进国内，因强夯地基处理技术具有地基加固质量明显、施工工艺简单、施工迅速和经济性好等优点，在许多重大工程项目中得到广泛应用。但强夯技术理论研究是一项极其复杂的工作，目前其理论体系尚不完整。如果充分结合具体工程实践，利用日渐成熟的计算手段，既能提高强夯工作机理的认知水平，也是推进强夯工程应用的有效途径。

1 强夯原理

1.1 强夯法概述

强夯法即动力固结法，是将大吨位夯锤提升到一定高度，使其自由下落，按特定的施工工艺对欠固结地基进行强力夯实，能量转换次序为：将机械能转化为势能，再转变为动能，即夯击能。在冲击能作用下，夯击能使地基土出现动应力和冲击波，以提高地基土的强度和承载力，降低地基土的压缩性，提高地基土的抗液化能力，并能消除湿陷性黄土的湿陷性，改善地基土的均匀性等。

1.2 夯击能传递机理

强夯在极短的时间内对地基土体作用一个巨大的冲击能量，冲击能转化为各种能量波型，在地基土体内传播。强夯的结果是在地基中沿深度形成性质不同的三个区：地基表层松动；松动区下面某一深度，受到体波的作用，使土层产生沉降和土体的压密，形成加固区；加固区下面冲击波逐渐衰减，不足以使土产生塑性变形，对地基土不起加固作用，即为弹性区。

2 现场试验

2.1 试验方案

现场试验依托某工业项目现场已经填筑完毕的工程区，工程区填方厚度约为12m，由于场地整理时未进行碾压密实，需对素填土深填地基进行地基加固。在工程区内选取3个具有代表性的30mx30m区域作为试验区，分别进行强夯能级为3000 kN·m、4000 kN·m、6000 kN·m的强夯补强试验。通过现场试验，研究素填土深填地基的强夯加固工作机理。

2.2 设计参数

强夯设计参数见表1。强夯处理后地基参数要求：承载力特征值不小于150kPa，压缩模量不小于12MPa。素填土主要成分为砂质粉土、粉砂。

表1 强夯设计参数

3 试验结果分析

3.1 载荷板试验

现场试验结束后，在3个试验区选取测点，分别进行3组平板载荷试验，共计9个测点。

表2为载荷板实验结果表。由表2可知，载荷板试验均能满足设计要求。当强夯能级为3000～6000kN·m时，承载力特征值在237～248之间浮动，变化幅度较小。考虑到现场回填料的不均匀性和施工质量局部不可控性，建议强夯处理后，砂质粉土素填土的地基承载力特征值可按180～200kPa考虑。

表2 载荷板试验结果表

3.2 标准贯入试验

现场试验结束后，在3个试验区选取测点，分别3组标准贯入试验，共计9个测点。通过标准贯入试验可检验地基的均匀性，进而判断地基处理效果。

试验一区夯击能为3000kN·m，标贯深度在小于7m时，标贯击数大于10击，均值为12.4击，中密状态，0～7m为均匀性地基；标贯深度大于7m时，标贯击数小于10击，均值为8.5击，稍密状态。

试验一区夯击能为3000kN·m，标贯深度在小于8m时，标贯击数大于10击，均值为12.8击，中密状态，0～8m为均匀性地基；标贯深度大于8m时，标贯击数小于10击，均值为8.2击，稍密状态。

试验一区夯击能为3000kN·m，标贯深度在小于9.5m时，标贯击数大于10击，均值为13.2击，中密状态0～9m为均匀性地基；标贯深度大于9.5m时，标贯击数小于10击，均值为8.7击，稍密状态。

4 有效加固深度

强夯有效加固深度一项重要的设计参数，既是反映强夯处理效果的重要参数，也是地基处理方案选择的重要参考。

强夯创始人梅纳提出的计算加固影响深度H的梅纳公式：

式中，W—夯锤重（KN）；h—落距（m）。

采用梅纳公式计算出来的有效加固深度均大于工程中实测的有效加固深度，且相差较大。通过梅纳公式计算的加固影响深度仅与夯锤落距和锤重有关。而事实上有很多额外因素影响有效加固深度的大小，除了夯锤落距和锤重以外，如夯击遍数、夯锤底压力、地基土类别、夯锤间距、土层分布和埋藏顺序及地下水位埋深等都密切影响着实际加固深度。

由于有效加固深度计算的复杂性，以及目前尚无完整的理论支撑，通过梅纳公式计算的有效加固深度与工程实测值差距较大，故须对梅纳公式进行修正。

式中，W—夯锤重（kN）；h—落距（m）;α为修正系数，与多种因素有关。

因此强夯的有效加固深度一般依据工程经验进行设计，并依据强夯试夯结果调整设计参数，并指导大面积施工。

图1 不同强夯能级下有效加固深度曲线

通过梅纳公式计算的有效加固深度随着强夯能级的增大基本呈线性增长。有效加固深度的实测值与通过梅纳公式计算的理论值差距较大，须对梅纳公式进行修正。

经计算，强夯能级为3000kN·m时，修正系数α=0.40；强夯能级为4000kN·m时，修正系数α=0.40；强夯能级为6000kN·m时，修正系数α=0.39。当强夯能级在3000kN·m～6000kN·m时。修正系数变化幅度不大，修正系数可取为0.40。

对本项目砂质粉土素填土地基，建议强夯能级为3000 kN·m时，有效加固深度取为7.0m，强夯能级为4000kN·m时，有效加固深度为8.0m，强夯能级为6000kN·m时，有效加固深度为9.5m。

5 结论和意义

1、强夯能级为3000～6000kN·m时，砂质粉土地基承载力及其均匀性均能满足工程要求，其地基承载力特征值建议按180～200kPa考虑。

2、对砂质粉土素填土地基，强夯能级为3000kN·m、4000kN·m、6000kN·m时，有效加固深度建议取为7.0m、8.0m、9.5m。

3、强夯夯击能在3000kN·m～6000kN·m时，对砂质粉土素填土地基，通过梅纳公式计算其强夯有效加固深度时，建议修正系数取为0.40。

4、本研究成果已成功应用于某工业项目，对类似素填土强夯地基的设计施工具有一定的参考意义。