建筑工程特殊地基处理应用强夯法施工技术解析

白伦升 贾海鹏

（北京城建七建设工程有限公司，北京 100000）

某开发区产业基地位于西北地区，占地面积49850m2，主体为框架核心筒结构，采用混凝土整体式现浇。该区地基处理深度范围内的地层结构自上而下为0.8m 厚的杂填土+6.2m 厚的湿陷性黄土（自重湿陷性黄土，等级为Ⅱ级）+2m 粉质黏土，采用强夯法消除地基中黄土的湿陷性[1]。

1 强夯法的发展历程

强夯法是应用古人智慧从夯土版筑法发展而来的一种地基处理工艺，将两侧用木板封堵，通过劳动力将木质或石质夯锤提升产生夯击能，而后下落逐层夯实，强夯法只是将夯锤重量增大，提升高度更高，产生的夯击能更大。首次应用强夯施工工艺是法国的梅纳（LMendard）公司在20世纪60年代末的建筑工程地基处理，该公司于1974年在英国组织召开的地基处理会议中正式提出了强夯法的概念，详细介绍强夯法的施工工艺，并在全世界进行了推广应用。我国在1978年的山西省湿陷性黄土地基处理上首次应用了强夯法，随后在国内开展了大规模的施工。发展至今，随着工艺的改进和技术的成熟，强夯法施工产生的夯击能也在逐步提升，地基处理的深度也随之增大[2]。

2 强夯法施工的加固机理

强夯法又称为动力固结法，利用大型履带吊装设备通过自动脱钩装置将夯锤连接在一起，提升到一定高度后，将自动脱钩装置与夯锤分离，夯锤在重力作用下形成自由落体，接触地面的瞬间将重力势能转换为夯击能，破坏土体的结构，被处理的地基达到加固效果。强夯法施工适用于多种复杂的地基处理，因土体的理化性质不同其加固机理也略有不同，但是从理论方面分析，可分为两种，分别是动力固结理论和振动波压密理论。

（1）动力固结理论。梅纳公司认为地基是由悬浮结构组成的物质，分别是固态反应物（土体中的各种岩石碎屑、矿物颗粒）、液态反应物（土体中的水分、溶液）、气态反应物（土体中的空隙部分）。强夯施工过程中，夯锤接触到地基后瞬间变形，在夯锤的作用下土体被剪切开裂，形成固结。地基中的液态、气态反应物顺着剪切的缝隙排出，土体内部结构发生破坏，在夯击能的作用下重新组合，使地基在一定深度范围内承载力满足建设要求。

（2）振动波压密理论。现代学者提出了强夯的振动波压密理论。夯锤接触到地基会产生了3种震动波，即压缩波（P 波）、剪切波（S 波）、面波（R 波），夯锤接触到地面后P波首先对地基原状土的骨架结构进行破坏，形成夯坑使地基趋于密实状态，抗剪强度增加；随后在S波的作用下地基产生细微裂缝，水和气体通过细微裂缝排出，使土颗粒重新排列组合形成密实状态；面波的作用是夯锤接触地基后振动波向四周传递，夯坑四周的地基发放隆起，与周边土体相互挤压使地基密实。

目前，强夯施工技术在地基处理的领域有一定的经验，技术也相对成熟，但是受到处理地基土体的物理力学性质影响，施工前均需进行试夯试验，确定机械型号、夯击能量、夯击遍数、夯沉量、加固深度等，获得大量的试验参数后方可组织开展大面积施工。

3 强夯法施工试验段参数确定

3.1 试验段施工准备

（1）现场准备。做好试验段施工现场的三通一平工作，将施工现场表土进行清理，并详细查看地下情况和周边环境。

（2）技术准备。夯击前采用全站仪对夯点进行测量放样，放出中心位置后采用白灰进行标记，根据中心桩号撒出夯点外轮廓线，并在示意图上标记强夯顺序。对作业人员进行交底教育和风险告知，重点对技术措施、质量隐患、安全隐患进行教育培训。

（3）资源准备。实行机械准入制度，组织强夯机进场，进场后对机械进行全面检查，重点检查起重设备的钢丝绳、门架稳定性、自动脱钩装置是否安全可靠。

（4）夯击选型及安装。强夯施工采用宇通重装FWXH8000 履带式起重机，最大提升高度为28m，夯锤重量为40t，夯锤直径为2m，设置4 个上下贯通的排气孔。施工现场准备就绪后，履带式起重设备驶入施工现场，安装夯锤、门架，安装完成后检测整机的倾斜度，满足规范要求后方可投入使用。

3.2 试验段施工

3.2.1 选定试验段

为了准确获得适用于本工程强夯的相关数据，在场地内选取了3块具有代表性的强夯试验场地，每块试验场地的面积为400m2，采用不同夯击能进行强夯试验。

试验段1：主夯3遍，单击夯击能3000kN·m，夯锤提升高度为7.5m；副夯1遍，单击夯击能2000kN·m，夯锤提升高度为5m；满夯1遍，单击夯击能为1000kN·m，夯锤提升高度为2.5m，夯点按照等边三角形布设，间距为4m。

试验段2：主夯3 遍，单击夯击能4000kN·m，夯锤提升高度为10m；副夯1 遍，单击夯击能2500kN·m，夯锤提升高度为6.2m；满夯1 遍，单击夯击能为1000kN·m，夯锤提升高度为2.5m，夯点按照等边三角形布设，间距为5m。

试验段3：主夯2 遍，单击夯击能5000kN·m，夯锤提升高度为12.5m；副夯2 遍，单击夯击能2500kN·m，夯锤提升高度为6.2m；满夯1 遍，单击夯击能为1000kN·m，夯锤提升高度为2.5m，夯点按照正方形布设，间距为5m[3]。

3.2.2 按照选定的强夯试验段参数组织施工

施工准备工作就绪后，按照拟定的参数组织现场开展强夯施工，将夯锤起吊至预定高度后，开启自动脱钩装置，夯锤脱离起重设备自由下落，形成夯坑后记录夯沉量，夯坑回填后重复上述操作。不同夯击能作用下夯沉量见表1，夯击次数与夯沉量的关系曲线见图1。

图1 夯击次数与夯沉量的关系曲线图

表1 不同夯击能作用下夯沉量统计

3.2.3 夯击次数与夯沉量数据分析

查阅相关规范，单击夯击能在4000kN·m 以下时，最后两击的平均夯沉量应小于50mm；单击夯击能在4000kN·m～6000kN·m范围内时，最后两击平均夯沉量应小于100mm，夯坑四周未发生大的隆起、提锤容易等情况，则认为强夯施工质量合格。根据单击夯沉量数据分析，试验段1主夯单击夯击能3000kN·m，副夯单击夯击能2000kN·m，满夯单击夯击能1000kN·m，最后两击平均夯沉量为58mm，夯击组合参数不满足规范要求；试验段2主夯单击夯击能4000kN·m，副夯单击夯击能2500kN·m，满夯单击夯击能1000kN·m，最后两击平均夯沉量为70mm，夯击组合参数满足规范要求；试验段3 主夯单击夯击能5000kN·m，副夯单击夯击能2500kN·m，满夯单击夯击能1000kN·m，最后两击平均夯沉量为65mm，夯击组合参数满足规范要求[4]。

3.3 强夯加固效果分析

试验段强夯施工结束后，对地基进行加固效果综合评价，通过探坑取样进行土工试验，检测夯击前后的干密度、孔隙比、压缩模量、湿陷等级等，评定湿陷性黄土地基处理效果；通过标准贯入试验，评定地基处理的有效加固深度。

3.3.1 土工试验对比

强夯施工前及结束后的第5d，对试验段地基进行了土工试验，采用人工配合机械开挖探坑，每个探坑深度控制在7m，间隔1m 进行取样，测定土的物理力学性质，相关检测数据见表2。

表2 强夯前后地基土力学性质变化

通过数据分析，相比较原状土，强夯处理后地基土的物理力学性质有了明显的改变，干密度、压缩模量随着夯击能的增大而增加，孔隙比、湿陷系数随着夯击能的增大而减小。3000kN·m 夯击能处理时有效深度范围内的湿陷系数为0.016～0.021（超过规范小于0.015的要求），有效加固深度范围内黄土的湿陷性不能完全消除。

3.3.2 标准贯入试验

强夯结束后的第14d，对试验段地基进行了标准贯入试验，标准贯入试验测试深度为8m，间隔2m 进行数据统计，检测不同夯击能下强夯的处理深度,见表3。

表3 不同夯击能下强夯处理深度

通过数据分析，相比较原状土，强夯处理后地基土的加固深度随着夯击能的增大而增大。3000kN·m 夯击能处理地基时有效加固深度为5m～6m，不满足设计要求的加固深度；4000kN·m 和5000kN·m 夯击能处理地基时的有效加固深度均超过8m，满足设计要求。

3.4 强夯参数选择

通过不同夯击能作用下的夯沉量得知，试验段1最后两击的夯沉量不满足规范要求，该试验段参数不能指导大面积施工；通过强夯前后土工试验、标准贯入试验得知，试验段2、3均能消除有效处理深度范围内黄土的湿陷性，同时满足设计有效加固深度，但从经济及施工组织角度方面考虑，试验段3 存在夯击能过大，造成资源、成本的浪费。根据上述内容综合分析，本工程强夯参数为主夯单击夯击能4000kN·m，副夯单击夯击能2500kN·m，满夯单击夯击能为1000kN·m。

4 强夯施工注意事项

（1）强夯施工前应细致排查周边环境，检查影响深度范围内是否存在管道、光缆、通信线路等，周边结构物的距离应不小于65m，履带式起重设备范围内无高压线塔，周边环境满足要求后方可组织施工。若周边存在建筑物无法迁改时，应设置监测点定期检测，并采取开挖隔振沟（深度不宜小于2m）的措施降低对周边建筑物的破坏。

（2）查阅图纸中地基含水率及地下水分布范围，强夯处理地基的含水率应控制在8%～24%之间。当含水率低于8%时，可通过打孔注水湿润场地；当地基含水率大于24%时，可通过开挖晾晒或降水措施，将含水率控制在最佳含水率范围内再组织施工。

（3）夯锤在满足质量的前提下应设置4 个排气孔，排气孔上下贯通且对称布设，直径为400mm，主要是为了防止夯锤接触地面后，压缩地基空气排出缓慢，夯坑壁紧密地将夯锤吸附，无法提锤。

（4）强夯施工遵循“由内向外、隔行跳打”的原则组织施工，施工前应按照确定的高度在门架上用醒目装置标记，使夯锤的下落高度满足设计要求，从而保证每一次的单击夯击能。夯击前，应对所有夯点进行测量放样，夯击结束后立即进行检测，详细记录夯击遍数、夯沉量、最后两击的平均夯沉量、间隔时间等，绘制夯击次数与夯沉量的关系曲线图，对夯坑进行回填，最终进行强夯施工质量评定[5]。

5 结语

在建筑工程中特殊地基处理上采用强夯施工工艺，除了要根据地质情况选定合适的夯锤、起吊设备，进行试夯试验，确定施工参数，还要掌握强夯施工的核心技术，才能快速高效地解决地基承载不足的问题。

（1）在整个强夯过程中详细记录了每一遍的夯沉量，地基地质条件基本一致的情况下，前期的夯沉量随着夯击次数的增加而增大，后期随着夯击次数的增加，夯沉量基本逐渐趋于稳定，但是各夯点的夯沉量存在差异，主要原因是地质情况略有不同，导致夯沉量不同。

（2）根据夯击次数与夯沉量的关系曲线图得知，随着夯击次数增加，单击的夯沉量呈现由大到小的趋势，根据数据分析第一遍夯沉量在400mm 左右，第二遍迅速增加至600mm，第三到六遍夯沉量稳步提升。通过分析地基中较大的颗粒骨架结构，支撑强度较高，当夯击到第二遍时骨架结构发生位移，强度降低，到第五遍以后地基被压实，夯沉量也趋于稳定。