快速液压夯实技术在不良地基中的应用分析

□□ 窦启文

(山西省建筑科学研究院检测中心有限公司，山西 太原 030001)

引言

地基决定着上层建筑的稳定及牢固，对整个建筑工程具有非常重要的作用。处理好地基具有较好的经济效益。因而地基处理作为建筑工程施工的第一步，也有着极其重要的作用。根据地质情况的不同，地基处理方式也不尽相同，相比于传统的地基处理技术，快速液压夯实地基处理技术因其施工的灵活性及施工质量的稳定性，成为广为应用的新型施工技术，解决了很多复杂条件下的地基处理。因此，研究分析快速液压夯实技术在建筑工程不良地基中的应用具有重要的意义。

1 快速液压夯实技术

1.1 快速液压夯实技术及力学分析

快速液压夯实机通过使用液压提升设备将夯锤提升至一定高度后释放，利用夯锤的重力以及液压蓄能器向下的冲击力压实土壤，在夯击完成后，通过液压缸快速牵引夯锤进行上下往复动作完成对地基土体的夯实。快速液压夯实机一般采用装载机或挖掘机装配液压夯实系统来工作，利用液压提升系统的高频率，实现不断的快速夯实，完成对作业面的压实要求。其整体结构如图1所示。

图1 快速液压夯实机工作原理

快速液压夯实主要是将机械能与势能的相互转换，最终转换为动能施加于地基。当夯锤接触地面，引起土体的剧烈震动，在地基中产生震荡波，并传向四周。夯锤的夯击过程可以视作自由落体运动，在这个过程中势能转化为动能，而在夯击地面的过程中，动能一部分以声波形式向四周传播，另一部分与土体摩擦变为热能，剩余的动能则以压缩波、剪切波和瑞利波的形式共同在地基内传播，形成一个波场，如图2所示。在应力波的作用下破坏土体原有结构，使得孔隙水压力迅速增大至超孔隙水压力，在原土体内产生新的裂隙，溢出孔隙水。夯击造成的夯击压力消失后，外部压力消失导致超孔隙水压力迅速消散，土体回缩，使土体的密实度更加提高。

图2 振动波加固土体

1.2 不同地基处理技术比较分析

与传统的强夯加固技术相比较，快速液压夯实法的动态压实频率比较高，频率可补充在施工过程中的能量不足，操作相对简便。同时，快速液压夯实法主要是在相关装载机的壁架上进行安装，结合夯实机不断快速的夯实地面来固定地基，安全性更高，且相比较换土垫层等不良地基处理方法，减少了施工工序，有助于加快施工进度。同时快速液压夯实处理技术适应环境能力更强，且对周边建筑物造成的影响较小。两者对比见表1。

表1 不同压实法比较

2 快速液压夯实技术在不良地基处理中的应用

某建筑工程项目规划占地约为5.83 hm2，总建筑面积约为30万m2，项目以居住建筑为主，规划布置有商业、办公等公共建筑；依国家标准配置9个班的幼儿园，总占地为4 000 m2，建筑面积为2 385.7 m2。基础形式包括独立基础及筏板基础两种，设计要求单位荷载为70～220 kN·m-2。通过地质勘察结果来看，该建筑工程项目地表土层平均深度为6.8 m的素填土层，素填土层分布范围大，且基本位于工程所有建筑的基底标高范围内，地基处理涉及的软弱土层较深。考虑不良地基对该工程的影响，拟采用快速液压夯实技术对不良地基进行处理。

2.1 快速夯实法参数确定

结合工程情况，采用快速液压夯实技术处理不良地基，具体的施工参数如下：

(1)选择夯击能。该工程的快速液压夯实设备选择HC36型快速液压夯实机，此设备质量为6.4 t，额定冲击能量为36 kJ，锤体的质量为3 t，整个锤体范围是0.2～1.2 m，具体夯锤的直径为1 m，夯击的频率能够达到30～80次·min-1。

(2)布置夯点。根据快速液压夯实处理技术，该工程的夯点选择半径为500 mm，并按照分散间隔型布设方案布置，夯点之间间距为1.2 m，如图3所示。作业主要使用直线作业方法，按横向或竖向前进夯击，直至夯完该序列。

图3 夯点布置图

(3)夯击的能量和作业锤数量。该工程施工阶段的夯击能主要分为3档，最大的夯击能为36 kJ。第1次进行作业的次数为3锤，并且每次累加3锤，继续进行夯实操作。在进行最后3锤操作中，若相对沉降<1 cm时，则停止夯击操作。

2.2 夯击水平方向影响范围测定

为了了解快速液压夯实技术对该工程不良地基的处理效果，在该工程施工现场布置了压力盒，压力盒量程为2 MPa，灵敏度可以达到0.001 MPa，过载量>150%，并配备相应的智能读数仪器。在布置压力盒时，夯锤进行锤击的下方布置力学传感器，来确保能够快速测量到夯实作用下的响应。在纵向上布置压力盒依据经验和推算结果进行，主要设定为1.5 m，采取相应的固定方式减少作业过程中造成的偏移问题。

确定好夯实位置，将液压夯实机进行相应的操作。作业时，应按照试验和设定的参数进行，需要专门的工作人员进行指挥，确保位置精准。夯实的范围和顺序主要是从边缘向中央进行。压力盒1～4所读取的数值来自于夯实机进行作业的正上方，而5～8选取的数值是夯实机在测量点相邻的南侧所读取的数值。具体测量结果见表2。

表2 压力盒测量结果

从表2可以看出，快速液压夯实机能够产生的有效深度范围在1.5 m左右，部分深度能够达到2 m。在水平范围内，整体的下降速度较快，距离1 m的夯锤水平区域内，可以忽略应力值的影响。可以说明，快速液压夯实处理技术的夯锤的有效影响可以产生的距离≯0.5 m。

2.3 地基土体沉降结果和土体孔隙率

工程中对地基的土体沉降进行了测量。通过现场试验来看，随着夯击的进行，夯坑总沉降量持续变大，呈平滑的上升曲线，但曲线斜率逐渐变小，即相对沉降量逐渐变小，如图4所示。这是因为夯击开始时，土体较为疏松，易夯实，随后土体趋于密实，则较难进一步夯实。

图4 夯击次数与夯坑相对沉降量的关系

进一步对土体孔隙率进行测算，通过现场试验来看，前6次的夯击能够看出，夯点下方深度范围为0.5 m的土体孔隙率出现减小情况，当夯击次数达到11次时，则停止。夯点下方在1 m范围内的土体孔隙率处于夯击次数为第7次和14次之间存在明显的减少状况。这种情况在深度为1.5 m以下的土体孔隙率中并未出现。可以认为是冲击能量对于上层土地能够做出有效压实功，当上层土体难以进行下一步的压实操作时，存在部分能量冲击到下层土体，做出有效压实功，直到能量消散。0.5 m深度的土体孔隙率主要是在第1次进行夯击作业时就产生了相应的变化；当夯击次数达到第3次时，变化的差值到达顶峰，之后开始缓慢下降；当夯击次数达到第7次时，深度为1 m的土体孔隙率产生转变；第8次是整体的转变，差值达到最大，之后出现平台期。在土体受扰前的土地之间接触存在一定的强度，会受到一定的冲击与荷载影响。当受到冲击影响时，没有进行一次性的破坏，存在部分颗粒未产生破坏的现象。

2.4 压实度测定试验

在测量不良地基压实度时，该工程采用灌砂法来检验每个工况的压实程度，进行测量主要使用到3个夯点进行检验，具体夯实后压实度见表3。

表3 快速液压夯实后压实度测定表

从表3中可以看出，压实度的增长速度会伴随着夯击次数的不断增多而变得更加迅速。经过9次夯击后，整体的压实度全部达到了90%以上。经过试验3～9次的夯击后，压实度的增长会出现减缓状况；在9次夯击之后，整体的压实度趋于平缓；并在12次夯击后基本达到压实度99%以上。经过对三档15次夯击后的压实土体进行取样检测，发现压实度降低的土层厚度约为20 cm。在对三档15次夯击后的土体进行1档位3次满夯施工后，压实度达到99%以上，满足了工程的施工要求。

3 结语

综上所述，围绕快速液压强夯技术在建筑地基处理中的应用展开分析，结合实例来看，快速液压夯实技术能够快速解决建筑工程中的不良地基问题，有效深度范围在1.5 m左右，部分深度能够达到2 m，同时压实度可以达到建筑工程施工要求的95%以上。同时，该技术能够有效降低震动，减少对周边建筑物的扰动，且施工周期短，成本较低，具有较高的推广和应用价值。