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建筑工程地基处理中强夯法的应用分析

发表时间：2020/10/13 来源：《基层建设》2020年第19期作者：甄科

[导读] 摘要：随着我国经济建设的高速发展，开发利用地质条件差的土地可有效地使用我国有限的土地。

        中国化学工程重型机械化有限公司北京大兴 102600
        摘要：随着我国经济建设的高速发展，开发利用地质条件差的土地可有效地使用我国有限的土地。强夯法作为地基处理的一种方法，加固效果显著，已广泛应用于民用建筑、基础设施等工程的地基处理中。在建筑工程中，地基处理极为重要，是工程项目实施的基础环节，其处理效果直接决定着工程的质量。工程项目中，各种地基基础处理技术相对多样，而强夯法是一种应用最为广泛的技术，该技术实现了地基的加固处理，为工程施工提供了基础保障。基于此，文章首先分析了强夯法理论概述，并探讨了强夯地基基础处理技术的具体应用与施工质量控制的措施，有利于提升强夯法在地基处理中的有效性。
        关键词：建筑工程；强夯法；地基处理
        引言
        近年来，我国经济建设高速发展，而我国人口众多，人均耕地面积少，如何有效使用土地成为一项难题。随着各地商品房的开发，我国可使用的土地资源越来越少。因此，利用地质条件差的土地并对其采取的加固措施显得尤为重要。
        强夯法作为地基处理的一种方法，加固地基的效果明显，可以提高土层的压缩模量和地基承载力，减小地基的不均匀沉降，并且消除特殊土地基的湿陷性以及膨胀性，防止砂性土地基发生振动液化，极大地改善了地基的地质条件，使地基经过强夯处理后可直接投入使用。同时，强夯法主要运用推土机和起重机直接对地基进行处理，无需添加其他建筑材料，具有施工设备简单，建筑用料节约，处理成本低，工期短等优点，并可广泛应用于建筑工程地基处理中。
        1.强夯法理论概述
        应用强夯法，需要借助相关的强夯设备来实现，以强夯锤为例，将其从高处进行自由落体运动，其运动会产生一定的重力势能，从而实现对土地的捶打。这种作业使得土地原有的剪切结构被破坏，实现了土地的加固，提高了地基基础结构的稳定性。相比较而言，强夯法在地基基础中的应用，提高了地基的承载力，为工程项目的实施提供了基础结构保障。根据工程实践经验，强夯法在碎石土、砂土、非饱和细粒土、湿陷性黄土、杂填土地基的处理上，具有良好的应用效果。而对于含有良好透水性夹层的饱和细粒土地基而言，往往要经由相应的试验后再应用。如果是采用桩基的湿陷性黄土地基、可液化地基、填土地基等，需首先应用强夯法进行地基的预处理，随后再开始桩基施工。根据相关的标准，强夯能级主要包含了以下标准。低能级:500～4000kN•m；中等能级:4000～6000kN•m；高能级:6000～8000kN•m；超高能级:8000KN•m以上。
        2.强夯法基本原理
        2.1基本原理
        强夯法广泛的应用于地基沉降处治工程中。强夯法一般采用100~400kN的重锤，从6~40m的高处自由落下，对地基土施加强大的冲击能，在地基中形成冲击波和动应力，将地基土压密、振实，以加固地基土，达到提高地基强度、降低其压缩性的目的。对地基的强夯处治，一方面是对地基产生压实和挤密作用；另一方面是通过强夯对地表下一定深度土层施加动力荷载，达到破坏土体结构强度、结构性大孔隙的作用。
        2.2强夯处治的作用
        （1）提高承载能力，对于天然地基采用强夯处治后，地基承载能力将会成倍提高。对于粘土，承载力可提高1~3倍；对粉质砂土，承载力可提高4倍以上；对砂土及泥灰岩土，承载力可提高2-4倍。
        （2）减少不均匀沉降，通过一系列均匀的夯击及严格的施工控制，地基土体压缩性可降低2~10倍，大大改善了地基的均匀性，能使施工加荷后的地基差异沉降值控制在规定限度以内，即在工程使用上可以忽略不计地基的差异沉降。
        （3）强夯法处理地基是利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基密实，这种由冲击引起的振动在土中是以波的形式向地下传播的。在夯锤夯击地面时，由势能转化来的动能除一部分以声波形式向四周传播，一部分由于夯锤和土体摩擦而变成热能外，其余的大部分冲击动能则使土体产生自由振动，并以压缩波、剪切波和瑞利波的波体系联合在地基内传播。强夯理论认为，压缩波大部分通过液相运动，使隙水压力增大，同时使土粒错位，土体骨架解体，而随后到的剪切波使土颗粒处于更密实的状态。占总能量67%的瑞利波，其竖向分量起到松动土的作用，但其水平分量可使土得到密实。对于不同类型的土、不同的强夯施工技术参数来说，强夯在处理地基时，土体中各个振动冲击波分量所起的作用各不相同。从总体来说，强夯对土体作用的结果可概括为动力亚密作用、局部液化作用、固结作用和时效作用。下面作逐一对其进行说明。
        ①动力压密作用
        在强夯冲击型动力荷载作用下，使土体中的孔隙体积减少，土体变得密实，从而提高其强度。对于非饱和土的强夯加固原理主要由强夯的动力压密作用引起的。
        ②局部液化作用
        在夯锤反复作用下，饱和土中将引起很大的超孔隙水压力，随着夯击次数的增加，超孔隙水压力也不断提高，致使土中有效力减少。当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力或等于上覆土压力加上土压力加上土的粘聚力（对粉土和粉质粘土）时，土中的有效应力完全消失，土中的抗剪强度降为零，土颗粒将处于悬浮状态一达到局部液化。
        ③固结作用
        有上强夯产生的局部液化作用可知，土在产生局部液化时，土的渗透性改变，渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出，加速了土的固结；而无规则的紊乱夯击，则可破坏这些强夯产生的排水通道的连续性。
        ④时效作用
        土的时效作用一方面指由于土的固结作用，土体结构随时间的增长过程，强夯处理后的地基强度存在随时间增长的过程，为时效特性。不同类型的土，其时效特性是不一样的。碎石土和砂土地基大约为一到两周时间，而饱和细粒土的延续时间可能有几个月的时间。因此强夯施工后不宜立即进行有关现场检测工作，必须考虑土基土的时效作用。

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        强夯法地基处理原理相当复杂，以上只是简要说明了在强夯冲击振动波作用下，非饱和土和饱和土（还应有粘性土和非粘性土）存在的四种强夯加固作用，即动力压密作用、局部液化作用、固结作用和时效作用。当然强夯地基处理原理讨论的深度与广度还需要今后进一步学习和加以运用。
        2.3强夯法的适用范围
        强夯法在开创之初，仅用于加固砂土和碎石土地基，经过多年的发展和应用，它已经适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与载性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基的处理，它也可和其他技术结合处理高饱和度的粉土与软塑一流塑的载性土地基。
        3.强夯地基基础处理技术的具体应用
        以某住宅小区地基处理为例，其上部结构将4根截面尺寸为600mm×600mm的柱子作为承重构件，每根柱子上的结构荷载设计值为M=850kN•m，N=7580kN；绝对高程为857m，该施工现场的地势相对平坦，在地基上部覆盖的黄土层在72m以上。从该区域内的地质勘察结果来看，其主要包含了黄土状粉土、黄土状粉质粘土与老黄土。
        在该工程中，由于其为黄土层，在地基处理过程中，需要进行黄土湿陷性的评价。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》，由于此住宅工程为非用水建筑物结构，再加上其在周围地质环境相对稳定的情况下，地下水水位上升至勘察深度范围的概率极其小，这就使得该湿陷性黄土可以以自重Ⅲ级严重湿陷性加以施工规划。湿陷性黄土的性质相对特殊，当黄土在一定的压力与水的作用下，土体的结构会被破坏，最终会引发湿陷变形情况，降低了地基的强度与承载力。根据该工程现场的具体情况，需采用强夯法与桩基础相结合的方式避免黄土湿陷性对地基产生的不利影响。
        3.1强夯能级
        由于施工区域内是湿陷性黄土，在强夯法施工过程中，需结合湿陷深度，分析使用哪种能级能够达到消除湿陷深度的目的，消除湿陷深度与能级之间存在的紧密的联系，消除的湿陷深度越深，其所对应的能级也相对较大。通常情况下，可以借用相应的计算公式进行加固深度的估算，比如，用Menard修正公式可以保障加固深度估算的准确性，在该工程现场，综合计算结果，采用6000kN•m能级强夯处理，加固深度为7.5m。
        3.2夯击点布置与间距
        在工程中，根据其施工要求，夯击点采用等边三角形布置方式，而夯点间距需由基础布置、加固土层厚度、土质条件等综合因素确定。由于基础结构的特殊性，存在应力的扩散作用，因此，在强夯法施工过程中，要使得强夯面积大于基础范围，强夯要超出基础外缘的一定宽度。由于该区域内的黄土层厚度在72m以上，属于厚土层，土质较差，需尽量维持较大的夯点间距，将夯点间距控制在6.5m左右。
        3.3夯击次数与间歇时间
        在强夯法的应用过程中，夯击次数是一个关键指标，其会直接影响整个强夯施工的效果。因此，在夯击次数的确定上，需考虑地层特点等因素，经由相应的试验选择最佳的夯击次数。在该工程中，单点一次连续夯击次数在8～10次，在具体的施工过程中，可以根据施工的具体情况加以科学调整。由于湿陷性黄土的孔隙水压力峰值处于夯击完成后的瞬间，因此，总夯击能越大，孔隙水压力就越需要较长的时间才能完全消散，当其压力消散以后，方可进行夯击作业。在工程中，其间歇时间在4周左右。
        4.强夯地基基础处理的质量控制
        4.1施工放线误差控制
        在实际的施工过程中，施工放线时，由于会受到人为操作等因素的影响，造成放线误差的存在，因此为了减少夯点放线错误的发生情况，在工程施工过程中，相关人员必须严格加强施工放线的全过程管理，保证放线的规范性。施工单位在每一遍夯击开始之前，都需要进行夯点放线的严格审核，当强夯结束以后，要进行夯坑位置的审核，如果存在位置偏差，要及时进行必要的调整，以保障强夯法的施工效果。
        4.2夯击能量控制
        强夯机械作为重要的施工设备，在长期的使用过程中，必然会存在强夯设备的损坏与磨损。比如，夯锤在长时间的使用下，其重量会逐步减小，在一些工程建设中，甚至会出现夯锤的误用、夯锤落距难以达到强夯的高速要求等情况，这些情况都会使得强夯夯击能较小，难以符合地基加固处理的要求。因此，在强夯法应用中，相关人员还需要加强对夯击能量的控制，在夯击开始之前，进行夯锤质量与落距等的检查，以提高每次夯击时的夯击能。
        结语
        强夯法施工简单，对地基的加固、处理效果好，尤其是湿陷性黄土特征改良明显，不仅能提高了地基土的强度，而且还能降低其压缩性，强夯法在地基基础处理中的应用具有较好的适用性、便捷性与经济性优势，是地基基础处理中最为常用的施工技术。为保障强夯法应用的效果，有关工程人员需要结合地基基础环境，确定最优的工程施工参数，严格遵守强夯法施工的效果，提高地基基础结构的稳定性与安全性，保障工程质量，为今后类似地基处理积累了经验，以及强夯法处理地基在此类地质推广应用起到了促进作用。
        参考文献
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