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摘要：在地基工程施工中，当承载力和变形不能满足设计要求时，就需要对天然的不良软土地基进行处理或加固，强夯法在加固地基方面有着重要的作用。本文对强夯法加固不同类型土的机理进行了阐述，提供了强夯法加固软土地基的设计方法，供业内人士参考。
关键词：强夯法；软土地基；加固机理；设计方法
1 引言
强夯法(动力固结法)就是用起重机将一个很重的锤(8～30t，最大200t)吊到十几米,甚至几十米高处,利用自动脱钩法,使锤自由落下，对软土地基进行夯击加固。对地基土施加很大的冲击能，一般能500kN·m～8000kN·m。在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时夯击能还可以提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。
2 加固机理
强夯法加固地基的机理是一个复杂的问题,不同的地基、不同的工艺加固机理是不同的。首先，应该分为宏观机理和微观机理。其次，对饱和土和非饱和土应加以区分，而饱和土中，又分黏性土与无黏性土，另外，对于特殊土，如湿陷性黄土等，应该考虑它的特征。再次，在研究强夯机理时应该首先确定夯击总能量中真正用于加固地基的那一部分，而后再分析此部分能量对地基土的加固作用。
2.1加固非饱和土原理
采用强夯法加固非饱和土是基于动力压密的概念，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙体积减小，土体变得更为密实，从而提高其强度。非饱和土的固相由大小不等的颗粒组成，按其粒径大小可分为砂粒、粉粒和黏粒。在土体形成的漫长过程中，由于各种非常复杂的风化过程，各种土颗粒的表面通常包裹着一层矿物和有机物的多种新化合物或胶体物质的凝胶，使土颗粒形成一定大小的团粒，这种团粒具有相对的水稳性和一定的强度。而土颗粒周围的孔隙被空气和液体所充满，即土体是由固相、液相和气相三部分组成。在波动能量作用下，土颗粒和其间的液体也受力而可能变形，非饱和土的夯实变形主要是由于颗粒间的相对位移而引起的，非饱和土的夯实过程，就是土中气相被挤出的过程。
2.2加固饱和土原理
传统的固结理论认为，饱和软土在快速加载条件下，由于孔隙水无法瞬时排出，所以是不可压缩的，因此用一个充满不可压缩液体的圆筒，一个用弹簧支承着活塞和供排出孔隙水的小孔组成的模型来表示。根据饱和土在强夯后瞬时产生数十厘米的压缩这一事实，提出了新的模型，得出饱和土强夯加固的机理可概述为两方面：渗透系数随时间变化；饱和土的可压缩性。这两种模型的不同点如图（1）所示。
a 太沙基模型bmenard模型
图（1）太沙基模型与动力固结模型对比图
2.2.1渗透系数随时间变化
在强夯过程中，土体有效应力的变化十分显著，且主要为垂直应力的变化，由于垂直向总应力保持不变，超孔隙水压力逐渐增长且不能迅速消散，则有效应力减小，因此在强夯饱和土地基中产生很大的拉应力。水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝，使孔隙水从裂缝中排出，土体的渗透系数增大，加速饱和土体的固结，当土中的超孔隙水压力很快消散，水平拉应力小于周围压力时，这些裂缝又闭合，土体的渗透性又减小。
此外，由于饱和土中仍含有1%～4%的封闭气体和溶解在液相中的气体，当落锤反复夯击土层表面时，在地基中产生极大冲击能，形成很大的动应力，同时在夯锤下落过程中会和夯坑土壁发生摩擦，土颗粒在移动过程中也会摩擦生热，即部分冲击能转化成热能。这些热量传入饱和土中后，就会使封闭气泡移动，而且加速可溶性气体从土中释放出来。由于饱和土体中的气相体积增加，并吸收夯击动能后具有较大的活性，这些气体就能从土面逸出，使土体积进一步减少，并且又可减少孔隙水移动时的阻力，增大了土体的渗透性能，加速了土体固结。
2.2.2饱和土的可压缩性
对于理论上的二相饱和土，由于水的压缩系数β=5×10-4MPa-1，土颗粒本身的压缩性更小，约为6×10-4MPa-1。因此当土中水未排出时，可以认为饱和土是不可压缩的。但对于含有微量气体的水则不然，如无气水的压缩系数β0，水在压力p时的含气量为x，β此时的压缩系数为，则二者之间的关系为：
假定p=1 以及x=1%（即含气量为1%），则此含气水的压缩系数为β=（1/ p- β0）X+β0=1005×10-4MPa-1。也就是含气量为1%的水的压缩系数比无气水的压缩系数要增大200倍左右。因此，含有少量气体的饱和土是具有一定的可压缩性的。在强夯能量的作用下，气体体积先压缩，部分封闭气泡被排出，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，超孔隙水压力减少。在此过程中，土中的固相体积不变，这样每夯一遍液相体积就减小，气相体积也减小，即在重锤的夯击作用下会瞬时发生有效压缩。
2.2.3饱和土的局部液化
在夯锤反复作用下，饱和土中将引起很大的超孔隙水压力致使土中的有效应力减小，当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力（对于饱和粉细砂）或等于上覆土压力加上土的黏聚力（对于粉土、粉质黏土）时，土中的有效应力完全消失，土的抗剪强度降为零，土颗粒将处于悬浮状态达到局部液化。当液化达到100%，土体的结构破坏，渗透系数大大增加，处于很大水力梯度作用下的孔隙水迅速排出，加速了饱和土的固结。
土中渗透系数随孔隙水压力与总应力之比（液化度）而变化的情况如图 2 所示。
图 2 土的渗透系数与液化度关系曲线图
2.2.4饱和土的触变恢复
饱和土在强夯冲击波的作用下，土中原来相对平衡状态的颗粒、阳离子、定向水分子受到破坏，水分子定向排列被打乱，颗粒结构从原先的絮凝结构变成一定程度的分散结构，粒间联系削弱，强度降低，经过强夯后一定时间的休置期后，图骨架中的细小颗粒——胶体颗粒的水分子膜重新逐渐联结，恢复其原有的稠度和结构，与自由水又黏结在一起，形成一种新的空间结构，于是土体又恢復并达到新的更高强度，这一工程即为饱和软土的触变特征。
据实测饱和细颗粒土夯实后6个月的平均抗剪强度能增加20%~30%，变形模量可提高30%~60%。触变恢复期饱和细颗粒土对振动极为敏感，其后续施工工艺和检测评价方法均应避免振动。
3 强夯技术设计方法及常见问题
采用强夯技术进行地基处理，一定要根据工程的地质条件和使用要求来确定，并合理正确地选择各种参数，才能达到有效而经济的目的。设计中经常遇到下列问题：锤重和落距，最佳夯击能，夯点布置，夯击遍数，间歇时间和加固范围。
3.1锤重和落距
通常根据试验选择的最佳夯击能来去确定锤重和落距。在条件不许可时，可按Menard修正公式进行计算
式中，H为加固深度，m；ω为锤重，kN；h为落距，m；α为修正系数，对湿限性黄土取值0.35～05，通常可取0.4，亦可以采用表 1 初步估算强夯的有效加固深度。
表 1 强夯法有效加固深度
注：强夯法的有效加固深度应从起夯面算起。
3.2最佳夯击能
在某一夯击能作用下，地基中出现的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能称为最佳夯击能。被加固地基土中的孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力亦相应的迭加，可按此迭加值确定最佳夯击能。必须指出，孔隙水压力沿深度的分布规律是上大下小，而土的自重压力是上小下大，因此，对被加固的地基土的最佳夯击能应根据有效影响深度确定为宜。在一般情况下，对于粗颗粒土可1000kN·m/m2～3000kN·m/m2，细颗粒土可取1500//kN·m/m2～4000/kN·m/m2
3.3夯点布置
夯点可根据施工工程的结构类型，按等边三角形、等腰三角形或正方形布置。夯点间距一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。为了使深层土得以加固，第一遍夯点的间距，可取5m～9m，以后各遍夯点间距可与第一遍相同，也可以适当减小。这样才能使夯击能量传递到深处。下一遍点往往布置在上一遍夯点的中间。最后一遍是以較低的夯击能进行夯击，彼此重叠搭接，以确保近地表土的均匀性和较高的密实度。如果夯距太近，相邻夯点的加固效应将在浅处叠加而形成硬层，则将影响夯击能向深部传递。夯击黏性土时，一般在夯坑周围会产生辐射向裂隙，这些裂隙是动力固结的主要因素。如夯距太小时，等于使产生的裂隙重新又闭合。对处理深度较深或单击夯击能较大的工程，第一遍夯点间距宜适当增大。
3.4夯击遍数
选择每遍的最佳夯击数，可根据静力触探、动力标贯及土工试验结果给出夯击数与有效影响深度的关系曲线，在满足有效加固深度的条件下，一般以曲线上明显变化的起点所对应的夯击数为每遍的最佳夯击数，且应同时满足以下条件。
1）最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当夯击能量较大时不大于100mm；
2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起；
3）不因夯坑过深而发生起锤困难。
夯击遍数应根据地基土的性质确定，一般情况下，可采用2遍~4遍，最后再以低能量满夯一遍。对于渗透性弱的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。且宜采用多遍数，少击数的施工方案。
3.5间歇时间
两遍夯击之间有一定的时间间隔。间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，应不小于3周～4周；对于渗透性好的地基可连续夯击。
3.6加固范围
强夯的加固范围应大于建筑物基础的范围，否则会出现四周为外部没有夯击过和内部已夯击过的边缘。为避免在夯击后的土中出现不均匀的“边界”现象，从而引起建筑物的差异沉降，必须规定对夯击面积增加一个附加值，放大宽度可自建筑物基础外侧边线起增加加固深度的
1/3～1/2距离，并不宜小于3m。亦可按照下列公式计算。
式中，A为夯击范围m2；B、L分别为加固区的宽度和长度m，h为设计加固深度，m。
4 结语
通过对强夯技术软土地基加固机理的研究和设计方法的分析，强夯加固法是一种非常好的地基处理方法，具有较大的经济技术效益。据不完全统计，强夯法的造价为挤密碎石桩的65%，为混凝土灌注桩的50%，而且还具有施工进度快，工期缩短，项目提前运行的特点，将产生十分显著的经济与社会效益。
【参考文献】
【1】JGJ 79 2002 建筑地基处理技术规范[S].
【2】龚晓南，等.地基处理手册（第三版）[M].北京：海潮出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：强夯法；软土地基；加固机理；设计方法
1 引言
强夯法(动力固结法)就是用起重机将一个很重的锤(8～30t，最大200t)吊到十几米,甚至几十米高处,利用自动脱钩法,使锤自由落下，对软土地基进行夯击加固。对地基土施加很大的冲击能，一般能500kN·m～8000kN·m。在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时夯击能还可以提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。
2 加固机理
强夯法加固地基的机理是一个复杂的问题,不同的地基、不同的工艺加固机理是不同的。首先，应该分为宏观机理和微观机理。其次，对饱和土和非饱和土应加以区分，而饱和土中，又分黏性土与无黏性土，另外，对于特殊土，如湿陷性黄土等，应该考虑它的特征。再次，在研究强夯机理时应该首先确定夯击总能量中真正用于加固地基的那一部分，而后再分析此部分能量对地基土的加固作用。
2.1加固非饱和土原理
采用强夯法加固非饱和土是基于动力压密的概念，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙体积减小，土体变得更为密实，从而提高其强度。非饱和土的固相由大小不等的颗粒组成，按其粒径大小可分为砂粒、粉粒和黏粒。在土体形成的漫长过程中，由于各种非常复杂的风化过程，各种土颗粒的表面通常包裹着一层矿物和有机物的多种新化合物或胶体物质的凝胶，使土颗粒形成一定大小的团粒，这种团粒具有相对的水稳性和一定的强度。而土颗粒周围的孔隙被空气和液体所充满，即土体是由固相、液相和气相三部分组成。在波动能量作用下，土颗粒和其间的液体也受力而可能变形，非饱和土的夯实变形主要是由于颗粒间的相对位移而引起的，非饱和土的夯实过程，就是土中气相被挤出的过程。
2.2加固饱和土原理
传统的固结理论认为，饱和软土在快速加载条件下，由于孔隙水无法瞬时排出，所以是不可压缩的，因此用一个充满不可压缩液体的圆筒，一个用弹簧支承着活塞和供排出孔隙水的小孔组成的模型来表示。根据饱和土在强夯后瞬时产生数十厘米的压缩这一事实，提出了新的模型，得出饱和土强夯加固的机理可概述为两方面：渗透系数随时间变化；饱和土的可压缩性。这两种模型的不同点如图（1）所示。
a 太沙基模型bmenard模型
图（1）太沙基模型与动力固结模型对比图
2.2.1渗透系数随时间变化
在强夯过程中，土体有效应力的变化十分显著，且主要为垂直应力的变化，由于垂直向总应力保持不变，超孔隙水压力逐渐增长且不能迅速消散，则有效应力减小，因此在强夯饱和土地基中产生很大的拉应力。水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝，使孔隙水从裂缝中排出，土体的渗透系数增大，加速饱和土体的固结，当土中的超孔隙水压力很快消散，水平拉应力小于周围压力时，这些裂缝又闭合，土体的渗透性又减小。
此外，由于饱和土中仍含有1%～4%的封闭气体和溶解在液相中的气体，当落锤反复夯击土层表面时，在地基中产生极大冲击能，形成很大的动应力，同时在夯锤下落过程中会和夯坑土壁发生摩擦，土颗粒在移动过程中也会摩擦生热，即部分冲击能转化成热能。这些热量传入饱和土中后，就会使封闭气泡移动，而且加速可溶性气体从土中释放出来。由于饱和土体中的气相体积增加，并吸收夯击动能后具有较大的活性，这些气体就能从土面逸出，使土体积进一步减少，并且又可减少孔隙水移动时的阻力，增大了土体的渗透性能，加速了土体固结。
2.2.2饱和土的可压缩性
对于理论上的二相饱和土，由于水的压缩系数β=5×10-4MPa-1，土颗粒本身的压缩性更小，约为6×10-4MPa-1。因此当土中水未排出时，可以认为饱和土是不可压缩的。但对于含有微量气体的水则不然，如无气水的压缩系数β0，水在压力p时的含气量为x，β此时的压缩系数为，则二者之间的关系为：
假定p=1 以及x=1%（即含气量为1%），则此含气水的压缩系数为β=（1/ p- β0）X+β0=1005×10-4MPa-1。也就是含气量为1%的水的压缩系数比无气水的压缩系数要增大200倍左右。因此，含有少量气体的饱和土是具有一定的可压缩性的。在强夯能量的作用下，气体体积先压缩，部分封闭气泡被排出，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，超孔隙水压力减少。在此过程中，土中的固相体积不变，这样每夯一遍液相体积就减小，气相体积也减小，即在重锤的夯击作用下会瞬时发生有效压缩。
2.2.3饱和土的局部液化
在夯锤反复作用下，饱和土中将引起很大的超孔隙水压力致使土中的有效应力减小，当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力（对于饱和粉细砂）或等于上覆土压力加上土的黏聚力（对于粉土、粉质黏土）时，土中的有效应力完全消失，土的抗剪强度降为零，土颗粒将处于悬浮状态达到局部液化。当液化达到100%，土体的结构破坏，渗透系数大大增加，处于很大水力梯度作用下的孔隙水迅速排出，加速了饱和土的固结。
土中渗透系数随孔隙水压力与总应力之比（液化度）而变化的情况如图 2 所示。
图 2 土的渗透系数与液化度关系曲线图
2.2.4饱和土的触变恢复
饱和土在强夯冲击波的作用下，土中原来相对平衡状态的颗粒、阳离子、定向水分子受到破坏，水分子定向排列被打乱，颗粒结构从原先的絮凝结构变成一定程度的分散结构，粒间联系削弱，强度降低，经过强夯后一定时间的休置期后，图骨架中的细小颗粒——胶体颗粒的水分子膜重新逐渐联结，恢复其原有的稠度和结构，与自由水又黏结在一起，形成一种新的空间结构，于是土体又恢復并达到新的更高强度，这一工程即为饱和软土的触变特征。
据实测饱和细颗粒土夯实后6个月的平均抗剪强度能增加20%~30%，变形模量可提高30%~60%。触变恢复期饱和细颗粒土对振动极为敏感，其后续施工工艺和检测评价方法均应避免振动。
3 强夯技术设计方法及常见问题
采用强夯技术进行地基处理，一定要根据工程的地质条件和使用要求来确定，并合理正确地选择各种参数，才能达到有效而经济的目的。设计中经常遇到下列问题：锤重和落距，最佳夯击能，夯点布置，夯击遍数，间歇时间和加固范围。
3.1锤重和落距
通常根据试验选择的最佳夯击能来去确定锤重和落距。在条件不许可时，可按Menard修正公式进行计算
式中，H为加固深度，m；ω为锤重，kN；h为落距，m；α为修正系数，对湿限性黄土取值0.35～05，通常可取0.4，亦可以采用表 1 初步估算强夯的有效加固深度。
表 1 强夯法有效加固深度
注：强夯法的有效加固深度应从起夯面算起。
3.2最佳夯击能
在某一夯击能作用下，地基中出现的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能称为最佳夯击能。被加固地基土中的孔隙水压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力亦相应的迭加，可按此迭加值确定最佳夯击能。必须指出，孔隙水压力沿深度的分布规律是上大下小，而土的自重压力是上小下大，因此，对被加固的地基土的最佳夯击能应根据有效影响深度确定为宜。在一般情况下，对于粗颗粒土可1000kN·m/m2～3000kN·m/m2，细颗粒土可取1500//kN·m/m2～4000/kN·m/m2
3.3夯点布置
夯点可根据施工工程的结构类型，按等边三角形、等腰三角形或正方形布置。夯点间距一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。为了使深层土得以加固，第一遍夯点的间距，可取5m～9m，以后各遍夯点间距可与第一遍相同，也可以适当减小。这样才能使夯击能量传递到深处。下一遍点往往布置在上一遍夯点的中间。最后一遍是以較低的夯击能进行夯击，彼此重叠搭接，以确保近地表土的均匀性和较高的密实度。如果夯距太近，相邻夯点的加固效应将在浅处叠加而形成硬层，则将影响夯击能向深部传递。夯击黏性土时，一般在夯坑周围会产生辐射向裂隙，这些裂隙是动力固结的主要因素。如夯距太小时，等于使产生的裂隙重新又闭合。对处理深度较深或单击夯击能较大的工程，第一遍夯点间距宜适当增大。
3.4夯击遍数
选择每遍的最佳夯击数，可根据静力触探、动力标贯及土工试验结果给出夯击数与有效影响深度的关系曲线，在满足有效加固深度的条件下，一般以曲线上明显变化的起点所对应的夯击数为每遍的最佳夯击数，且应同时满足以下条件。
1）最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当夯击能量较大时不大于100mm；
2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起；
3）不因夯坑过深而发生起锤困难。
夯击遍数应根据地基土的性质确定，一般情况下，可采用2遍~4遍，最后再以低能量满夯一遍。对于渗透性弱的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。且宜采用多遍数，少击数的施工方案。
3.5间歇时间
两遍夯击之间有一定的时间间隔。间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，应不小于3周～4周；对于渗透性好的地基可连续夯击。
3.6加固范围
强夯的加固范围应大于建筑物基础的范围，否则会出现四周为外部没有夯击过和内部已夯击过的边缘。为避免在夯击后的土中出现不均匀的“边界”现象，从而引起建筑物的差异沉降，必须规定对夯击面积增加一个附加值，放大宽度可自建筑物基础外侧边线起增加加固深度的
1/3～1/2距离，并不宜小于3m。亦可按照下列公式计算。
式中，A为夯击范围m2；B、L分别为加固区的宽度和长度m，h为设计加固深度，m。
4 结语
通过对强夯技术软土地基加固机理的研究和设计方法的分析，强夯加固法是一种非常好的地基处理方法，具有较大的经济技术效益。据不完全统计，强夯法的造价为挤密碎石桩的65%，为混凝土灌注桩的50%，而且还具有施工进度快，工期缩短，项目提前运行的特点，将产生十分显著的经济与社会效益。
【参考文献】
【1】JGJ 79 2002 建筑地基处理技术规范[S].
【2】龚晓南，等.地基处理手册（第三版）[M].北京：海潮出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。