強夯加固理論及研究綜述

葉國良，徐賓賓

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

0 引言

強夯法又稱動力固結法，是上世紀60年代末由法國梅納德（Menard） 技術公司首先提出并開始大規模應用于地基加固處理。強夯法利用起重設備將重錘提升到一定的高度，然后使其自由落下在地基中產生很大的沖擊能量，壓密地基，從而提高地基的強度。我國于1978年11月—1979年初首次由交通部一航局科研所（現中交天津港灣工程研究院有限公司）及其協作單位在天津新港三號公路進行了強夯法試驗研究。在初步掌握了這種方法的基礎上，于1979年8—9月又在秦皇島碼頭煤堆場細砂地基進行了試驗，效果顯著。之后該工法在我國迅速發展并逐步開發出適應粉土和黏性土地基的改良工法。

本文通過對國內外強夯理論和技術的調研，總結了強夯法中地基加固機理、有效加固深度、強夯影響范圍以及強夯聯合其他地基處理技術等，并提出強夯研究的發展方向，可供工程技術人員參考。

1 強夯加固機理

目前國內外關于強夯法加固地基的機理看法還不一致，強夯加固理論主要體現在強夯對地基土的作用機理。

從加固原理與作用來看，強夯法加固地基的機理可大致分為以下3種形式：動力固結、振動波壓密和動力置換。動力固結理論[1]是Menard基于飽和黏性土強夯瞬間產生數十厘米沉降的現象而提出的，原有的固結理論認為飽和黏性土在瞬時荷載作用下，由于滲透性低，孔隙水無法在瞬間排出，因而被看作是不可壓縮體；而強夯由于巨大的沖擊能量使土體產生強烈的振動和壓力，導致土中孔隙壓縮，土體局部液化，夯擊點周圍產生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水迅速溢出，土體得以固結，從而減少沉降并提高承載力。

振動波壓密理論認為強夯法中夯錘的沖擊能量以振動波的形式在地基中傳播，重錘自由下落的過程就是勢能轉化成動能的過程，即隨著重錘的下落，勢能越來越小，動能越來越大，在落地的瞬間，勢能的絕大部分都轉換成動能。振動波以體波（壓縮波與剪切波）和面波（瑞利波與勒夫波）的形式從夯點向外傳播。Leon[2]考慮到強夯法加固地基的方式，指出強夯中存在加密作用、固結作用和預加變形作用。Gambin[3]認為強夯過程中表層土直接受夯錘沖擊作用而深層土主要受波動影響。坂口旭[4]將夯錘下土層分為松動區、主壓實區、次壓實區和彈性影響區，符合彈性波動理論計算結果。鄭穎人等[5]將強夯法分為4個階段：能量轉換與夯坑受沖剪階段、土體液化與破壞階段、固結壓密階段和觸變固化階段，并在此基礎上提出了適用于軟黏土地基的強夯工藝。

動力置換法是在土中通過強夯形成相對獨立、完整和連續的置換體，形成復合地基，當用于淤泥類土中時稱為強夯擠淤。置換深度通常與夯擊能、土性、夯擊條件等因素有關，加固機理包含置換、擠密、排水等多方面效果。

2 強夯有效加固深度

強夯有效加固深度是強夯設計與施工中最為重要的問題之一，不僅是選擇上部結構基礎形式的重要依據，而且是選擇強夯能級和確定施工工藝的最主要指標。影響強夯有效加固深度的因素很多，包括與施工工藝有關的如落距、錘重、夯點布置、夯擊順序、夯擊遍數等因素，還包括與場地類型有關的如粒徑分布、相對密度、飽和度、地下水位、地層構成等因素。Menard[1]從單夯擊能的角度提出了以下公式來估算有效加固深度H：

式中：M為錘重；h為落距。但該公式量綱不統一，只能進行夯錘重量與落距的初步設計，另外大量工程實踐表明，此公式計算結果偏差較大[6]。許多學者經過大量實踐與現場測試，提出了修正的有效深度預測公式：

式中：α為修正系數，據不同的土質和施工工藝而定。由于影響修正系數的因素較多，JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》中建議α取值范圍大致為0.34～0.80，根據不同土類選用不同修正系數。

另外大量學者通過研究也給出了α取值范圍。Leonard等[7]針對印第安納州砂土地基強夯試驗，提出α值為0.5，并認為其與能級、夯擊順序、擊數、土層構造有關。Lukas[8]總結了低能級強夯加固碎石回填土和天然軟弱地基土的加固深度，建議α取0.65～0.8之間，隨土體類型和飽和度變化。Charles等[9]通過對5個軟黏土和人工回填黏土強夯工程進行檢測，提出α取0.35～0.4。Mayne等[10]總結分析了124項強夯工程的現場實測數據，研究了包括吹填土、回填黏土、雜填土、天然砂土等在內的各種地基場地，結果表明有效加固深度、地面振動和夯坑深度隨夯擊能的增加而增加，并發現絕大多數工程中α值在0.3～0.8之間，與JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》建議相同。范維垣[11]分析了近百個工程實例得到α的取值在0.5～0.8之間，軟土取0.5，黃土取0.34～0.5。

除了Menard的能量開方公式，學者們也試圖建立夯擊能與有效加固深度的線性或指數關系，并利用量綱分析法引入夯擊遍數和含水量的影響。Slocombe[12]認為有效加固深度與夯擊能存在非線性關系，給出了考慮夯擊能的經驗公式：

Luongo[13]結合30多項工程實測資料，總結出如下經驗公式：

式中：k1為深度系數，通常取2.0～10.1；k2為能量系數，取 0.009～0.016。

Poran等[14]在干砂模型上進行強夯試驗，通過測量夯后砂土密度得到了沿深度方向半橢球面分布的密度等值線，并以此擬合出有效加固范圍的經驗公式。

王成華[15]根據強夯時土體塑性變形對加固地基有效的事實，按塑性能量守恒，采用等效擬靜力法估算加固深度，并提出如下有效加固深度計算公式：

式中：dw為地下水位埋深；γ和γ′分別為土的天然重度和有效重度；a和b為錘形常數；D為夯錘邊長或直徑。該公式考慮了夯擊能量、機具效率、夯錘尺寸及形狀、地下水位和地基土性等多方面的影響，易于工程應用。等效擬靜力pe為：

式中：η為能量效率系數；Q為夯錘重量；H為落距；k為模量系數；E0為變形模量；μ為泊松比；ω為沉降系數。

張平倉等[16]根據量綱統一的原則建立了有效加固深度公式：

式中：A為夯錘底面積；γd為加固土的干重度；ω為含水率。

費香澤等[17]對黃土進行了模型試驗研究，重點分析了夯錘重量、落距、夯點間距、擊數等對有效加固深度的影響，得到了如下計算公式：

式中：N為夯擊數；d為夯點間距；γd為加固土的干重度；ω為含水率。

石亮等[18]分析了4種低能級強夯作用下單擊能、錘重、夯錘直徑以及干重度對有效加固深度的影響，并提出了有效加固深度的擬合方程。另外，除上述方法外，還有學者通過量綱分析、神經網絡法、最小二乘法、相似理論法、能量守恒等方法[19-20]對強夯有效加固深度進行了研究，取得了豐碩的科研成果。

3 強夯振動影響范圍

強夯法加固地基時，夯坑周圍土體會在巨大的夯擊能作用下產生隆起，夯擊能以波動的形式向夯點四周傳播，對周圍建筑物產生不利的振動影響。與地震相比，強夯引起的振動是一種低頻（＜50 Hz）的瞬態振動，且隨著距離的增大而減小。目前國內外多采用質點振動速度或振動加速度值來評價建筑物的振動安全，但對強夯振動危害的判定仍存在不同意見，工程界一般采用GB 6722—2011《爆破安全規程》。

Mayne等[10]根據120個強夯實測資料得到了強夯沖擊能與質點最大速度之間的關系：

式中：s為測點與夯點間距離。Rollins等[21]提出了相似的公式，并認為當建筑物旁邊為塌陷性土時可直接進行強夯加固。Lukas[22]根據現場實測數據給出了不同土性下測點最大速度與夯擊能的關系。由上可知，盡管強夯振動影響距離的公式很多，但大都是經驗公式并未考慮土性參數，因此利用理論和數值計算確定不同土性參數對強夯影響距離十分有必要。

方磊等[23]根據《構筑物抗震設計規范》認為，當某點地震加速度值小于0.1 g時，可將該點至夯點中心的距離視為振動影響的安全距離。秦小勇等[24]利用LS-DYNA軟件對強夯過程中土體變形瞬態過程進行模擬，得到的速度時程數據與實測數據較為接近，同時利用量綱分析法，擬合得到質點振動速度、距離和錘重的關系。蔣鵬等[25]利用大變形有限元模型，對強夯振動特性、強夯振動對建筑物的影響進行了定量分析，總結出有關強夯振動的規律。

4 強夯應用拓展

強夯與真空降水聯合法。強夯法與真空降水法是兩種常用的地基處理法，但兩者的加固機理完全不同。強夯法的加固機理在本文中已有總結，但不適用于透水性較差的黏土地基，真空降水法則是通過抽真空設備在地基中形成壓力差，能有效地加快飽和黏土地基的排水固結。強夯聯合真空降水法是基于飽和黏土的動力特性和動力固結機理，將強夯技術和真空井點降水技術結合起來的一種新的動力排水固結法。在聯合處理軟基過程中，真空降水主要是通過設置排水通道，利用真空產生的負壓主動進行排水，同時作為強夯的排水通道，加速強夯產生的超靜孔隙水壓力消散和孔隙水排出，加速固結沉降。

快速沖擊夯實法。傳統的強夯技術使用履帶吊車施工，夯擊頻率為2～3min/擊，且夯錘較重，對周圍環境影響大。快速沖擊夯實法使用強夯技術原理，將重7～9 t的錘體安放在液壓馬達上，錘體落高為1.2 m，可夯擊40～60次/min，對地面夯擊能量最高可達108 kN·m。夯擊能量通過直接放在地面的1.5 m直徑的鋼錘腳傳遞給地基，不僅可以減少能量傳遞的損失，還可以保證鄰近建筑物和設備的安全。快速沖擊夯實法可加固各種非黏性土，尤其是碎石和砂土，也可用于人工填土。

5 強夯研究存在問題及展望

強夯作為一種經濟有效的地基處理方法在國內外得到了廣泛的應用，但強夯加固機理復雜，影響因素較多，很難在一個統一的理論框架內進行分析，因此需要理論研究、室內/現場試驗、數值計算方法相結合，為實際工程提供合理的指導。具體應在以下幾點展開研究：

1）從土體微觀角度出發研究強夯加固前后土體微觀結構變化，借助離散元等軟件探明強夯加固機理及加固效果。

2）對層狀地基進行強夯處理時，強夯能量在地層交界處的能量耗散（反射、折射）研究較少，需要進一步研究存在飽和軟弱下臥層時能量的傳播特性。

3）對夯點間距、重疊夯點及相鄰夯點的研究有待進一步探索，在數值計算中考慮群夯效應能更加符合現場工程，為強夯設計施工提供依據。

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