房屋建筑强夯法加固地基的机理及施工要点

李 华

山西机械化建设集团有限公司（030009）

1 强夯法加固地基的作业机理

1.1 饱和土的加固机理

选择合适重量的夯锤，提升至要求高度后使夯锤自由下落，在动荷载作用下，迫使土体发生压缩变形，由此转变为相对密实、稳定的状态。强夯施工时，孔隙水压力有击穿作用，会在土体中产生丰富的分支排水网，建立更多水的流通渠道，增强水体流通的渗透性，土体中的水分沿着空隙向外渗出。随着强夯能量的增加，孔隙水压力加大，待其达到某限值时，土体有液化的迹象，此时有效应力逐步衰减，土体的抗剪强度降低。经过前述提及的变化过程后，土骨架连接受损，土体强度大幅度降低，原本较强的饱和土的水流阻力明显下降。在该变化之下，超孔隙水压力于短时间内消散，土体受水的干扰作用减弱，饱和土体开始固结，无论变形模量还是抗剪强度均有明显的提升。根据该作用机理，在多次夯击后，土体颗粒间距减小，转为密实状态，强度较原始状态（未处理时）明显提升[1]。

1.2 非饱和土的加固机理

强夯时，待加固土体中有较为强烈的冲击波，土体会受到冲击力的作用，原始状态被破坏，土体颗粒有相互靠拢的变化趋势，孔隙中的气体向外排出，土体颗粒重新组合，具有密实、强度高的特性[2]。

1.3 砂性土的加固机理

从冲击波理论的角度分析，在强夯施工中，土体受到冲击波作用，夯锤底部有明显的压应力，土体在压应力的作用下沉积沉降，由疏松转变为相对密实的状态。夯击时，土体有侧向变形现象，但变性相对较小，锤底土下沉，而此项变化具有突然性，会与周边土体出现相对剪切变形，由于作用差异的存在，周边土体未来得及变形时，冲击已经结束[3]。

1.4 强夯置换的加固机理

强夯冲击力推动砂、碎石等，将此类物质挤压至饱和软土层内，由于外部材料的使用，置换原饱和软土，构成具有密实性的桩柱。此外，砂、石层还可构成高效的排水通道，排水通道作为下卧软弱土中水的流通渠道，因此加速排水固结进程，可在较短的时间内提高地基承载力。强夯置换是地基加固的常见方法，主要适用于如下情况:

下卧层为淤泥质软土（压缩性大）、地基表层为砂垫层时，若采用强夯置换的方法，能够使表层砂挤入软土中，经过组合后，构成一根结构完整、受力稳定的置换砂桩，此桩体具有较高的承载性能。

施工现场存在3～5 m 厚的淤泥质软土层时，可采用强夯置换的方法。首先，在软土层上抛填适量的石块。此部分材料有自重作用，加之夯锤提供的冲击力，推动石块转移至硬土层中。在此期间淤泥被大量挤走，减小淤泥对地基承载性能的制约性影响。此外，石块间的相互接触作用，可进一步提高地基的承载性能。

2 工程实例

某房屋建筑工程项目，拟建场地原为耕地，地形平整性较好，未见明显的起伏。岩土构成情况为:-2.5 m 以上，以粉土、粉质黏土居多，局部夹杂粉砂及圆砾层；-2.5 m 以下，以圆砾层为主，有较强的稳定性。实地勘察结果显示，原始地基的承载力尚未达到工程建设要求，需采取加固措施。经过技术可行性、经济效益性等多方面的对比分析后，最终采用强夯法加固地基。

3 试夯设计

3.1 夯击能选择

根据Menard 修正公式计算:

式中:H——加固深度（m）；w——锤重（t）；h——落距（m）；α——修正系数，取0.5。

勘察结果显示，填土区厚度为8～10 m，表面生活垃圾缺乏足够的承载力，不宜作为基础持力层，因此将该部分清理干净。从基础底标高起夯，标高至少为-2 m。为保证地基加固效果，强夯最大加固深度需达到7 m，按照此深度计算，夯击能为w×H=1 960 kN·m。

以现场试夯结果为准，结合类似工程的强夯施工经验，确定有效加固深度，由此组织强夯作业。

对自地表以下10 m 深度作加固处理，保证地基的稳定性。表面有机质含量超10%的生活垃圾缺乏足够的承载性能，需予以清除。此外，基础底面标高至少为-2 m。根据分析，顺利完成强夯加固的最大深度约为7 m，单次夯击能量控制在3 000 kN·m左右。适配强夯施工装置并确定具体的作业参数，采用直径为2.5 m 的20 t 圆形桩锤，起吊高度15 m，单次夯击能量3 000 kN·m。

3.2 试夯方案

夯坑周边需相对稳定，不允许出现明显的隆起问题。控制夯坑的深度，以免因深度过大而加大起锤的难度。夯击点击数的控制遵循的是适中的原则，若夯点击数不足，难以保证地基加固效果。若夯击数量偏多，虽然地基加固效果良好但需投入较多的资源和时间，影响工程的经济效益和施工效率，且还会削弱地基土的承载力。因此，权衡多方面的要求，经过分析后初步确定15 击和10 击，并且严格控制最后两击的平均沉量，不得大于5 cm。

夯击施工采用两遍法。在本工程中，施工现场以砂类土质居多，为了保证夯实效果，需连续完成两遍夯击作业，夯点布设间距取锤底直径的1.5～2.2 倍。试夯时，考虑两种方式:30 000 kN·m 夯击能时夯点间距为5 m×5 m，10 000 kN·m 夯击能时夯点间距调整为4 m×4 m，但均为正方形布置。

3.3 强夯法施工要点

3.3.1 施工机具的配套

3.3.1.1 夯锤

综合考虑夯锤的尺寸（若为圆形夯锤，则着重控制锤底的直径）、重量、材质、加固的深度、夯击时的落距等，选择操作便捷、地基加固效果好、对周边环境干扰小的夯锤。以材质为例，优质钢为原材料组成的夯锤较为合适，如铸钢。必要时，可采取组合夯锤的方法，即内部混凝土+外部钢板。

3.3.1.2 起重设备

履带式起重机是优质的起重设备，具有运行稳定、安全可靠、效率高的特点。在履带式起重机的选型时，主要根据夯击现场的实际情况而定，平夯地基以15～50 t 履带式起重机为宜，点夯地基时该设备通常以25～50 t 为宜。

3.3.1.3 脱钩装置

夯锤重量较大时，需配套脱钩装置，以便顺利夯击。在采用脱钩装置时，与滑轮组配合使用，相比于单揽锤施工工艺而言，更有利于夯锤的顺利起落。

3.3.2 垫层的施工

施工现场的地表以细粒土为主且地下水位较高时，在表面铺设砂、砂砾或碎石，厚度控制在0.5～2 m，组成稳定、平整的硬层，用于支撑起重设备。同时给各类机械设备的安全通行提供保障。硬层的设置还有助于保护表层土，以免该部分受损。

3.3.3 施工程序

首先，全面整理施工现场，例如清理杂物、适度压实，给地基施工创设良好的条件。在现场修筑排水沟，用于高效排水，以免因积水而影响正常施工。组织地基加固强夯试验，在此期间详细记录信息，如每完成一次夯击后夯坑及周边土体的变化，由此判断不同夯击作业方式取得的应用效果，基于试验的数据作计算与分析，确定最佳的夯击能。

其次，在试验区组织夯击施工，由专业人员操作重锤。施工期间采集并记录孔隙水压力、夯击深度等相关数据，对夯击后的地基作详细的检查，判断实际加固效果，对待加固区域土质的物理力学指标形成准确的认识。

最后，以前期准备工作取得的一系列数据为准，判断夯击施工方案的可行性。若有不足之处，及时指出并予以改正，最终得到优质的夯击施工方案，根据方案中的要求进行夯击。

3.3.4 施工要点

3.3.4.1 测量放样

由专业人员参与，以设计图纸为准，利用测量仪器测定强夯点位，做好醒目的标记，为夯实作业的开展提供基准。

3.3.4.2 垫层及排水施工

垫层必须具有平整性与稳定性。排水施工的关键在于修筑排水沟，材料可选择碎石，避免现场积水问题。

3.3.4.3 强夯

应注重对各项信息的采集与记录，动态分析夯坑周边土质的特性，视实际情况灵活采取控制措施。经过点夯后，再安排满夯，保证夯击施工效果。

3.3.5 振动碾压

强夯地基施工时，优先考虑的是振动碾压的方法。待满夯完成后，全面整平地基，测定标高，再根据实测结果用振动压路机碾压，使地基具有平整性与稳定性，并且场地的高程要满足要求。

4 强夯法在地基加固施工中的质量控制措施

4.1 建立并完善质量保护体系

为充分发挥出强夯法在地基加固方面的应用优势，需建立质量保护体系，并随着工程建设进程的推进而逐步完善。强化员工的责任意识，使其准确掌握质量目标，认识到施工的重要性，悉知施工方法，进而规范夯击，提升地基处理效果。

4.2 注重信息的采集与记录

强夯施工时，及时记录信息，如夯坑的深度、夯击的次数均要满足要求。根据记录的信息，判断夯击期间是否存在问题。除此之外，每一次夯击前，均要重新测量参数，将各项实测参数与设计要求对比分析，确认无误后方可恢复夯击。

4.3 施工质量的系统性分析

强夯施工完成后，要系统性地分析夯击期间的各项数据，对强夯施工效果作出初步的判断。此外，还要与业主配合，由专业人员组织荷载试验，目的在于更为准确地判断地基加固效果。确保强夯后的地基满足设计方案的加固要求。

5 结语

强夯法具有工艺成熟、施工便捷、地基加固效果好等多重优势。为了顺利应用强夯法完成地基加固作业，需从工程实际条件出发，做好垫层施工、排水设施修筑等基础准备工作，再合理适配夯锤等相关设备，按照方案要求控制夯击参数，最终完成夯击作业，保证地基的加固效果。