强夯法加固地基的原理和设计

山西一建集团有限公司 张江涛 邮政编号043000

关键词：强夯法、布点形式、加固深度、机械设备、最佳夯击能、强夯施工、质量

摘 要：本文简要介绍了强夯法加固地基的原理和设计、施工方法以及质量控制。

一、 强夯法的施工优点

强夯法地基处理是以重锤从高处自由落下，给地基土施以冲击力，使土体得以夯实，从而达到提高地基地的强度，降低压缩性，消除湿陷性，并改善其抗振液化的能力。

机具简单，施工方便，加固地基效果显著。

适用范围广：碎石土、砂土、低饱和度的粉土、湿陷性黄土、杂填土、素土。

缩短工期，降低工程造价（与达到同样处理要求的施工方法相比较）。

二、 强夯加固机理

关于强夯法加固地基的机理，目前有关专家学者意见还不很一致，但对于地基处理中经常遇到的几种类型的土，一般的观点认为：强夯法是在极短的时间内对地基土体施加一巨大的冲击能量（一般而言此冲击能量不小于1000kN-m），加荷历时约几十毫秒，对含水量较大的土层，加荷时间约100毫秒左右。这种突然释放的巨大能量，将转化为各种波型传到地下。首先到达某指定范围的波是压缩波，它使土体

受压或受拉，能引起瞬时的孔隙水汇集，因而使地基土的抗剪强度大为降低，据理论计算这种波以振动能量的7%传播出去，紧随压缩波之后的是剪切波，以振动能量26%传播出去，剪切波会导致土体结构的破坏。此外的瑞利波（面波）以振动能量的67%传出，在夯点附近造成地面隆起。土体在这些波的综合作用下，土体颗粒重新排列相互靠拢，排出孔隙中的气体，使土体挤密压实，强度提高。

根据上述观点，地基土经强夯法加固后，其强度提高过程大致可分为四个阶段：

1.夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密（表现为土体中水及气体排出，孔隙水压力上升）；

2.土体液化或土体结构破坏（表现为土体强度降低或抗剪强度丧失）；

3.排水固结压密（表现为渗透性能改变，土体裂隙发展，土体强度提高）；

4.触变恢复并伴随固结压密（包括部分自由水又变成薄膜水，土的强度继续提高）。 三、 强夯设计 1、设计依据资料

1) 拟加固处理的建（构）筑物的使用用途，结构形式及上部荷载，整平后地面标高及基础埋深。整个建（构）筑物总平面布置图和基础平面图。 2) 工程勘察资料。

3) 加固后的地基承载力标准值fk（特征值），压缩模量Es（或变形模量）。有效加固深度值，消除湿陷性或砂土液化，保持场地稳定性及均匀性等技术指标。

4) 拟建场地地下管网，电缆、地下构建筑物资料以及强夯振害范围内已有的需要保护的建构筑物基础资料。 2、强夯参数的选择

强夯设计的目的是求得有效加固深度同其他参数的变化规律。但现阶段并没有成熟的理论和设计计算方法。通常是通过试验来定。（首先根据地区经验确定参数）

强夯设计的有关参数：有效加固深度、夯击能、夯击次数、夯击遍数、间隔时间、夯点布置及处理范围。 3、选择强夯参数的程序

根据强夯加固深度确定单击夯击能；根据地基土的岩性特征以及设计条件确定加固地基的平均夯击能；根据单点夯击试验确定最佳夯击次数；确定布点形式及间距、夯击遍数、间隔时间、确定范围；确定夯锤参数。

1) 单击夯击能的确定

根据强夯的有效加固深度经验公式（梅纳德公式）进行估算： H=√Mh 式中：H为有效加固深度（m），M为夯锤重量（t），h为夯锤落距(m)。

近年来国内外的试验研究和我们所施工工程的实测资料表明，采

用梅纳德公式估算加固深度会得出偏大的值。大多研究人员给出为梅纳德公式加折减系数。但从梅纳德公式中可以看出，其影响深度仅与夯锤重和落距有关。而实际上影响有效加固深度的因素很多，除了夯锤重和落距外，地基土的性质，（土的含水率、天然干容重、土的孔隙比）不同土层的厚度和埋藏顺序，地下水位，夯击次数，锤底单位压力，锤形等都与加固深度有着密切的关系。

设计时可参考JGJ79-2002规范中的强夯有效加固深度（m）来初步确定：

单击夯击能 Kn.m 1000 2000 3000 4000 5000 6000 8000 碎石土、砂石土 m 5.0~6.0 6.0~7.0 7.0~8.0 8.0~9.0 9.0~9.5 9.5~10.0 10.0~10.5 粉土、粘性土、湿陷性土 m 4.0~5.0 5.0~6.0 6.0~7.0 7.0~8.0 8.0~8.5 8.5~9.0 9.0~9.5 有效加固深度的概念：系指夯前地面整平标高到能满足设计要求的土层的垂直深度。工程实践中一般是从以下三方面来确定： ①、从原位测试指标来定义，地基土工程性能有明显改变的深度；②、从现场测量来确定，地基土竖向变形（应变）比较明显的深度。具体指标因工程地质条件的不同会有一定差异。 3试夯后现场确定强夯的有效加固深度： ○Z=a△Z

其中：Z为有效加固深度，a为系数，△Z为第一遍单坑夯沉量。 系数a可以根据夯击次数与夯沉量曲线来初步确定。一般为2~3。

单击夯击能一般根据工程要求的加固深度来确定。 2）夯击次数的确定

夯击次数是强夯设计中的一个重要参数。夯击次数应通过现场试夯确定。常以夯坑的压缩量最大，夯坑周围隆起量最小为原则。一般根据夯击次数—夯沉量关系曲线取累计夯沉量占总沉降量85%所对应的夯击数为最佳夯能。

对于碎石土，砂土，低饱和度的湿陷性黄土和填土等地基，夯时夯坑周围往往没有隆起或虽有隆起但其量很小，在这种情况下，应尽量增多夯击次数，以减少夯击遍数。但对于饱和度较高的粘性土地基，随着夯击次数的增加，土的孔隙体积因压缩而逐渐减少，但因这类土渗透性较差，故孔隙水压力逐渐增长，并促使夯坑下的地基土产生较大的侧向挤出，而引起夯坑周围地面的明鲜隆起。如此时再继续夯击，并不能使地基土得到有效加固，反而造成浪费。 3）夯点布置：

①.根据能级的不同采用不同的间距，一般情况按此经验值来确定:

能级 1000 2000 3000 4000 5000 6000 8000 锤重 100~150 150~200 150~200 200 250 300 300~400 落距 6.7~10 10~13.3 15~20 20 20 20 20~26.7 锤面积 4~5 5 5 5 5 5 5 直径 2.25~2.52 2.52 2.52 2.52 2.52 2.52 2.52 间距 3.0 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.0 倍数 1.2~1.3 1.587 1.786 2.0 2.18 2.38 2.38 形式 三角形 三角形 三角形 三角形 三角形 三角形 三角形 采用同一夯距，不同遍数之间采用相同或不同的能级组合。

第一遍采用5.0~8.0m，正方形间距，第二遍采用插行、插点夯

击。最终形成等腰三角形布点。

②.强夯能级与夯点间距的关系

强夯能级越大，加固深度越大。相应的夯点间距也应越大。这与强夯加固原理相关。在强夯时，经过一定次数的夯击，夯坑的深度有时可达数米。这样不但夯坑底一定深度内的土层被夯实，（约2~3倍的坑深）周围的土体也同时被挤密。侧向挤密的宽度，不仅同土质情况、夯点的击数有关，也和能级有关。设计时可以考虑侧向挤密的宽度即为第一遍夯点的间距。

强夯的加固区可分为三个区域，第一区为地面至第一遍夯坑底一定深度，第二区域为强夯加固区，第三区是强夯弱加固区。强夯分遍、分能级采用相同或不同的间距组合施工方能达到加固深度和地基均匀的要求。第一区域的深度是随着夯点间距和能级的增大而增大。因此，强夯施工工艺要求，大夯距加固深层，中等夯距加固中层，小夯距加固浅层。 4)强夯处理范围

由于基础的应力扩散作用，强夯处理范围应大于建筑物基础范围。根据建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002J220-2002）要求，每边应超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3，并不宜小于3.0米。 四、 强夯法施工 1、强夯机械设备选用：

根据设计夯能选择起重设备作为强夯机，一般点夯选用起重量为

15t~100t的履带式起重机；平夯选用起重量为15t~50t履带式起重机，采用自动脱钩装置；夯锤选用10t～50t，锤底面积3～5m2。 推平机械宜选用发动机功率不低于100KW的履带式推土机，同时应配备18吨以上振动式压路机作为最终振动碾压机械。 2、施工程序：

1）平整场地挖掘排水沟形成排水系统；

2）一般情况下应在大面积施工前进行地基加固强夯试验； 1根据设计单击夯能预估值，进行最佳夯能试验； ○

2实施单击夯击能试验，对选定的单击夯击能试验坑，测定每次夯○

击所对应夯坑的体积V0m3和夯坑周围土体隆起或沉降的体积V1m3，求出有效夯实系数β值β=（V0-V1）/V0，通过夯击能量与土体有效夯实系数的关系绘成曲线来确定最佳夯击能；

3依据初步选定的设计参数进行试验区施工，期间同时测量试验区○

孔隙水压力数据，分析总结其变化规律及其消散度，确定强夯的影响深度和土体在强夯作业时的固结过程，研究确定土层最佳夯击能及施工间歇时间，避免出现橡皮土；

5进行试验区地基检测，测试强夯加固地基的各项物理力学指标； ○

6根据试夯结果，应对试夯前选定的技术参数进行必要的分析、校○

正，以确定最终强夯施工技术参数，以指导大面积施工； 3）进行大面积地基加固施工；

4）强夯加固地基检测，办理交工验收手续。 3、强夯施工工艺

1）点夯施工

1准确测放第一遍夯点位置； ○

2会同业主、监理根据设计单击夯能及锤重确定落锤的有效高度； ○

3强夯机就位，使夯锤对准夯点位置； ○

4测量夯前锤顶标高及场地标高，并做好记录； ○

5将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落，夯入地面后，再○

测量夯锤顶标高，计算出第一击夯沉量，并做好原始记录； 6重复步骤○5，按设计要求的夯击次数及控制标准完成一个夯坑的○点夯施工；

⑦重复步骤○3~○6，完成所有点夯作业（分遍施工时必须严格按照试夯确定的时间进行间歇，防止因孔隙水来不及消散而形成橡皮土）。 2）满夯施工

1点夯全部施工完成，应区分不同土质，静养不同的时间，等孔隙○

水基本消散后，方可进行满夯施工；

2满夯施工时，夯击能一般为主夯点夯击能的一半。主要是对主夯○

点高能级夯击时震松的表层土进行加固；

3满夯施工一般采取1/4锤径双向搭接，夯击遍数、每点击数以及○

搭接均应按试夯参数施工，不得出现漏夯现象。 3）振动碾压

一般的强夯地基处理设计最后都要求采用振动碾压，满夯结束后进行场地整平并测量其标高（整平时考虑相应的沉降量），最后用振动压路机振动碾压，测量最终场地高程作为交工验收基础资料。

五、 施工质量保证措施

1、建立健全高效的质量保证体系和施工人员树立高度的质量意识是工程项目质量保证的首要措施。

2、 “含水率”对强夯法处理地基工程质量有着举足轻重的关系，施工时必须对此有足够的认识。采取切实有效地措施控制地基土含水量在合理的范围内施工。对我国南方地下水位较高、多降雨地区，认真重视施工排水工作，尽量降低地基土的含水量；对于北方地下水位偏低、少降雨地区，在地基土含水量偏低时可考虑向夯坑中加注适量水分，保持地基土接近最佳含水量以取得理想的地基处理效果。

3、强夯法处理地基施工机械中的夯锤对工程质量的影响比较显著，施工中夯锤的有关参数应与试夯时选定夯锤参数相一致；技术人员在开夯前应检查夯锤参数、落距是否正确，以确保单位夯击能符合设计要求。

4、测量人员必须精心测量记录每坑每击的夯沉量和每个夯点的夯击次数，发现夯锤倾斜时应将夯坑底部填平后继续夯击。测量应在仪器精平和水准塔尺垂直状态下进行，确保施工过程满足设计要求。 5、强夯定位放线偏差，控制点允许位移±20mm；夯点定位允许偏差为±50mm；夯击时，夯击点中心位移偏差应小于150mm。在每遍点夯施工过程中及结束后，质检人员进行严格认真地检查，及时发现并杜绝少击漏夯现象。

6、严格按照试夯确定的时间间隙控制每遍夯击时间。

7、夯击施工过程中，当发现异常情况时应及时与设计、监理联系，

共同商讨处理，严禁擅自改变施工参数。 8、施工记录应详实齐全，以备日后查阅。 结论：

强夯是地基处理众多方法中的一朵奇葩，它具有设计简便，方法可靠，施工直观，效果明显等多项优点。对改善不宜直接作为地基的软弱土、湿陷性黄土等土质更有着不可替代的作用。我们在近30年的工程实践中，对它更有着一种不可名状的感情。无论是高速路路基的高填方，还是几十万平米的工业厂房，甚至是1200 m3的高炉地基处理，强夯都立下了不可抿灭的功劳。它的效果直观，造价低廉，施工便捷等等优点，也是其它方法不可比拟的。

当然，强夯也有它的短板，这就是因为震动大，对周围已有建筑物的影响比较大。但在采取挖防震沟或加固等措施后，能确保安全的情况下，我们一般的还是建议设计采用强夯法，因为它毕竟还是一顶比较成熟的地基处理工艺。