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摘要：本文回顧了強(qiáng)夯法處理地基的發(fā)展概況，闡述了其處理地基的技術(shù)特點，總結(jié)了強(qiáng)夯法加固濕陷性黃土地基的加固機(jī)理和適用范圍，并就其設(shè)計難點強(qiáng)夯能級和夯沉量的估算進(jìn)行了表述。以供同行們對強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基進(jìn)行總結(jié)、交流。...

  

強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基

任會明

陜西省建筑科學(xué)研究院   西安  710082

    1、 強(qiáng)夯法處理地基的發(fā)展概況及技術(shù)特點

    1.1強(qiáng)夯法處理地基的發(fā)展概況

    強(qiáng)夯法在國際上通常稱為動力固結(jié)法（Dynamic Consolidation Method），是20世紀(jì)60年代末由法國梅納（Menard）技術(shù)公司首創(chuàng)用于處理地基。這種方法一般是用重錘（一般為80～400kN，最重的達(dá)2000kN），落距10～40m，借夯錘自由下落的強(qiáng)大沖擊能和碰撞產(chǎn)生的沖擊波，反復(fù)夯擊地基，使夯面下一定深度的地基土擠壓密實，從而達(dá)到提高地基承載力，降低壓縮性，改善地基土的工程性能。

    我國于1978年開始從國外資料引進(jìn)強(qiáng)夯法處理地基技術(shù)，并在砂土和碎石為主的地基進(jìn)行了強(qiáng)夯法試驗研究和工程實踐，取得了較好的加固效果。70年代末濕陷性黃土地基采用強(qiáng)夯法處理的研究與應(yīng)用在國內(nèi)也陸續(xù)開展，強(qiáng)夯法處理地基先后被納入國標(biāo)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GBJ25－90）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-91），從而使強(qiáng)夯的設(shè)計、施工有章可循、有據(jù)可依，為強(qiáng)夯法的推廣應(yīng)用提供了質(zhì)量保證，促進(jìn)了強(qiáng)夯技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，從此以后，強(qiáng)夯法處理地基成為我國最常用的地基處理方法之一，尤其表現(xiàn)在新建地區(qū)大面積處理地基、路基和道基方面。

    1.2強(qiáng)夯法處理地基的技術(shù)特點

    強(qiáng)夯法能得以迅速發(fā)展及推廣使用，歸到底為其特點突出，原位處理，技術(shù)優(yōu)勢明顯。主要有以下特點：

    ⑴速度快、工期短。采用強(qiáng)夯法處理地基挖、填方少，節(jié)省勞力，機(jī)械化程度高，施工速度快，尤其在中低能量（3000kN·m強(qiáng)夯能級以下）表現(xiàn)尤為突出。一臺1000kN·m能級的強(qiáng)夯機(jī)械，平均每天能處理200～300m2。

    ⑵施工設(shè)備及工藝簡單，施工質(zhì)量容易保證。當(dāng)強(qiáng)夯設(shè)計參數(shù)選定，按照夯點排布，保證每點的夯擊擊數(shù)、夯錘重量、夯錘高度及夯擊遍數(shù)，即可保證施工質(zhì)量，易于質(zhì)量管理。

    ⑶費用經(jīng)濟(jì)。當(dāng)強(qiáng)夯能級為1000kN·m～2000kN·m時，其每平方米的處理費用僅為20～30元，換算成每立方米地基加固費用為5～6元，遠(yuǎn)低于其他地基處理方法的費用。

    ⑷節(jié)約三材。強(qiáng)夯法處理地基采用原位處理的方法，不需用添加任何建筑材料，符合現(xiàn)行的國家政策及地基處理的發(fā)展方向。

    ⑸強(qiáng)夯振動及噪音對周圍環(huán)境影響較大。一般用于遠(yuǎn)離居住人群的新建小區(qū)或大面積使用的機(jī)場、公路、鐵路等地基處理工程。

    2 、強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的加固機(jī)理

我國的黃土廣泛分布于北方地區(qū)，面積約為64萬平方公里，占世界黃土分布總面積的4.9％。其中濕陷性黃土（一般指晚更新世和全更新世堆積的黃土）約為38萬平方公里，約占黃土地區(qū)總面積的60％以上，主要分布在西北、華北和東北地區(qū)。

    濕陷性黃土的最大特點是大孔隙、欠壓密，遇水后顆粒及團(tuán)粒間的天然粘結(jié)強(qiáng)度急劇降低，引起原狀結(jié)構(gòu)破壞，土粒相互錯位并重新排列，從而引起濕陷；在動荷下也能產(chǎn)生振陷。濕陷性黃土地區(qū)地基處理的目的主要為：⑴消除或降低地基土的濕陷性；⑵提高地基在浸水條件下的承載能力；⑶提高地基土在浸水條件下的變形模量或壓縮模量，減小地基的總沉降量；⑷降低地基土層的透水性。針對以上地基處理的目的，結(jié)合濕陷性黃土的特點，我國濕陷性黃土地區(qū)建筑常用地基處理方案不外乎有三種：挖除換填法、機(jī)械加密法、化學(xué)加固法。由于化學(xué)加固法工程施工成本費用較高，但機(jī)械設(shè)備比較輕便，施工文明，其主要用于事后加固處理；挖除換填法土方量較大，且基坑稍深又需要支護(hù)，一般應(yīng)用于地基處理深度1.0～3.0m的濕陷性黃土；機(jī)械加密法是利用機(jī)械的手段增加土的密實度，減少土中孔隙的體積，機(jī)械手段一般采用壓、夯、擠、振、沉等幾種方法，其中以原位夯、擠密機(jī)械法最為有效，即為強(qiáng)夯法和擠密樁法。擠密樁法一般處理深度為5～20m（包括夯擴(kuò)擠密樁），強(qiáng)夯法一般處理深度為3～6m更能發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)、快捷的特點（相比擠密樁法可節(jié)約造價30％以上）。

    強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基在瞬間強(qiáng)夯沖擊壓縮波能量作用下，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力及鹽類薄膜力均遭到破壞，使土顆粒相互靠攏，顆粒間孔隙中的氣體部分首先被排出，土顆粒重新排列，土孔隙大為減少。土顆粒在這種強(qiáng)大的外荷作用下達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，土體被壓密，宏觀表現(xiàn)為地基土整體被夯下去。根據(jù)濕陷性黃土強(qiáng)夯前后的微觀分析表明，夯后地基土特大孔隙已基本消失，微孔隙顯著增加，土體由松散變得密實，從而使地基土濕陷性消除，水穩(wěn)性得以增加，滿足工程需要。

    3 、強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的適用范圍

    3.1  處理地基的深度范圍

    強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基，適用于地下水位以上，飽和度Sr≤60％的濕陷性黃土，處理深度為3～12m。工程中一般考慮到高能量強(qiáng)夯（強(qiáng)夯能級3000kN·m以上）施工相對緩慢、效率較低、費用較高，同等強(qiáng)夯能級下處理不同土類深度差異較大，使用的相對較少。現(xiàn)工程中大量推廣使用的是1000～3000kN·m強(qiáng)夯能級，處理厚度3.5～6.5m，處理效果相對穩(wěn)定，處理速度快捷、費用經(jīng)濟(jì)。對于處理濕陷性黃土層厚度大于6m時工程中可采用擠密法處理或挖除分層強(qiáng)夯法。

    3.2  處理地基的含水率范圍

    強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基一般是采用重量100～400kN的夯錘先提至一定高度蓄勢能再自由下落變動能反復(fù)沖擊夯面地基土，將夯面以下一定深度的濕陷性黃土的孔隙體積減小，干密度增大，從而消除地基的濕陷性，提高地基承載力，降低地基的壓縮變形。與其他壓密地基處理方法一樣，地基土的含水率是否適合直接影響著強(qiáng)夯施工處理效果的好壞。

    國內(nèi)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基規(guī)定如下：

    ⑴國家標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025－2004）第6.3.4條規(guī)定：“采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基，土的天然含水率宜低于塑限含水率1％～3％。在宜夯實的土層內(nèi)，當(dāng)土的天然含水率低于10％時，宜對其增濕至接近最優(yōu)含水率；當(dāng)土的天然含水率大于塑限含水率3％以上時，宜采用晾干或其他措施適當(dāng)降低其含水率”。其最優(yōu)含水率可通過擊實試驗求得，工程設(shè)計階段估算時對于粉土和粉質(zhì)粘土可分別取為15％和16.5％（約低于塑限含水率2％）。

    ⑵陜西省標(biāo)準(zhǔn)《強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基規(guī)程》（DBJ61-9-2008）第3.1.5 條對于濕陷性黃土場地土層處理厚度內(nèi)土的天然含水量，應(yīng)按其適宜強(qiáng)夯的程度，依次劃分為“適宜”、“較適宜”、“可采用”三類含水量范圍。

    1、“適宜”強(qiáng)夯的土層含水量范圍：　      

    2、“較適宜”強(qiáng)夯的土層含水量范圍：     

    3、“可采用”強(qiáng)夯的土層含水量范圍：      

    式中  ——土層處理厚度內(nèi)，土的天然含水量（%），以擬建場地勘察資料為準(zhǔn)，土層劃分厚度及其值按開夯標(biāo)高下每0.5m～1.5m厚度計取。范圍值中的高含水量土層，宜位于處理厚度的底層。

    土層處理厚度內(nèi)，土的天然含水量的加權(quán)平均值。

    土層處理厚度內(nèi)，土的最優(yōu)含水量op的加權(quán)平均值，宜按室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗確定。當(dāng)無試驗資料時，可近似按（0.56～0.60）取值。

    土層處理厚度內(nèi)，土的液限含水量L的加權(quán)平均值。

    以上是有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基土層含水率適宜范圍的有關(guān)規(guī)定，其中陜西省標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)處理厚度內(nèi)土層天然含水率的加權(quán)平均值與最優(yōu)含水率的加權(quán)平均值差別大小及含水率的范圍值依次劃分含水率適宜強(qiáng)夯處理的程度，更切合實際、易于工程操作。其適宜的含水率范圍能否進(jìn)一步擴(kuò)展還需大量的工程資料進(jìn)一步驗證。

    4、強(qiáng)夯法處理地基的設(shè)計難點

    強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的設(shè)計內(nèi)容包括夯實厚度、強(qiáng)夯能級、處理平面范圍及夯點排布、開夯標(biāo)高、夯擊遍數(shù)和夯點擊數(shù)等參數(shù)。而強(qiáng)夯能級和開夯標(biāo)高的確定是強(qiáng)夯設(shè)計參數(shù)的難點和關(guān)鍵。

    ⑴夯實厚度是由設(shè)計單位根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求（對場地穩(wěn)定性、濕陷性黃土處理厚度、地基壓縮層、下臥層承載力及變形驗算等要求），結(jié)合建（構(gòu)）筑物對地基的物理力學(xué)指標(biāo)要求（或地基處理目的）及巖土工程資料等綜合因素確定。夯實厚度層頂一般即為基礎(chǔ)底或墊層底面。

    ⑵強(qiáng)夯能級一般根據(jù)濕陷性黃土地層時代、夯實厚度、處理深度內(nèi)地層含水率等因素綜合確定。根據(jù)大量工程實例，強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的強(qiáng)夯能級與夯實厚度的關(guān)系，可用下列經(jīng)驗公式表示：

　　式中　W—強(qiáng)夯能級（kN·m）；　Ｄ—設(shè)計的夯實厚度（m）；

    土層含水量適宜系數(shù)，含水量類別為“適宜”、“較適宜”、“可采用”的值，可分別采用1.1、1.0、0.9。

    堅硬土夾層影響系數(shù)，處理深度內(nèi)無堅硬土夾層取1.0，下層有堅硬土夾層取0.9，中層有堅硬夾層取0.85，上層有堅硬夾層取0.80。

    ⑶強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土開夯標(biāo)高應(yīng)按所需夯實厚度頂面即終夯面標(biāo)高加地基夯沉量確定。地基夯沉量宜通過試夯結(jié)果來確定。初步設(shè)計階段可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗結(jié)合巖土工程勘察資料來確定。當(dāng)無試夯資料時，可按下式估算　　　

    式中 △d—強(qiáng)夯地基夯沉量（m）；     D—設(shè)計的夯實厚度（m）；

    地基夯實厚度D內(nèi)，夯后土的估算平均干密度（g/cm3）；

    土層處理厚度內(nèi)夯前土的加權(quán)平均干密度(g/cm3) ；

    土層處理厚度底面處夯前土的干密度（g/cm3）；

    開夯面以下1.0m深度內(nèi)，夯后土的計算干密度（g/cm3）；

     Gs1—開夯面以下1.0m深度內(nèi)土的比重 ，粉質(zhì)粘土Gs1=2.70~2.72，粉土Gs1=2.67~2.69； 

     w1—開夯面以下1.0m深度內(nèi)土的含水量，以小數(shù)計；

    水的密度，一般取1g/cm3。

    5、結(jié)束語

    近幾年來，隨著西部大開發(fā)的深入發(fā)展和國家級新區(qū)在西部的設(shè)立，主要位于西部的濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)工程越來越多，尤其是密集建筑群、機(jī)場、高速公路、削山填溝平整場地，這些地區(qū)大部屬新建開闊地區(qū)，采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土，避免人口密集、噪音污染、管線等，更能發(fā)揮強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基快捷、經(jīng)濟(jì)、以土治土的優(yōu)點。

    參考文獻(xiàn)

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    [5]陜西省標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基技術(shù)規(guī)程，省建筑標(biāo)辦出版，2008.

    [6]師管孝、姚建勇.強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的研究與應(yīng)用，陜西省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，1986.

    [7]任會明碩士論文、強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的應(yīng)用研究，西安建筑科技大學(xué)，2008

    [8]任會明等、強(qiáng)強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基夯沉量估算，陜西建筑，2010-12. 

 (本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核) 

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