有关强夯技术问题的探讨
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作者: 修思波 阎爱静
强夯是通过振动压实、振动液化、动力固结和触变效应等作用使一定范围内的地基土承载力提高，压缩性降低，渗透稳定性提高和抗液化能力增强等改善地基持力层的物理力学性质，来满足工程的需要。强夯根据单击夯击能的高低可将强夯分为低能级强夯、中能级强夯、高能级强夯。
强夯法在我国已广泛应用于地基的加固处理，强夯技术在工业和民用建筑、公路和铁路路基、飞机场跑道、码头及大型设备基础等地基处理中得到了广泛的应用，在工程效果和经济利益方面均取得了非常瞩目的成效。但就强夯技术发展现状而言还必须进一步加强其加固机理、施工工艺及机具的研究。
1 强夯法的施工工艺和主要参数
强夯施工工艺是通过试夯确定的，遵循先深层、次中层、最后表层，并根据现场的地质条件和工程的要求及建（构）筑物特性正确的选定各个参数来确定相应的工艺及参数。为达到理想的加固效果，设计工艺夯击遍数一般为2~4遍，尤其是高能级强夯一般采用三到四遍成夯施工工艺。高能级强夯主夯点主要是加固深层土层，中能级强夯进行间夯或者复打，夯点在主夯点之间或在主夯点上复打以便加固中层土，而低能级强夯进行满分，目的是夯实表层松土。
1.1有效加固深度
有效加固深度既是选择地基处理的重要依据，又是处理效果的反映。梅纳（menard）提出的有效加固深度的试验公式为H=，其中Q锤重，h落距，H为需要加固的厚度。该计算公式得出的结果比实际工程达到的加固深度偏大，故在公式前应乘以小于1的修正系数k。叶书磷建议软土和粘性土修正系数为0.5，砂性土为0.7，黄土为0.35~0.5。此外对于饱和粉土、粉质粘土、粘土及淤泥质土等地基处理的有效深度除了与上述因素有关，还与排水条件有关。不少学者也提出其他有效加固深度的理论计算方法：王钟琦提出H= 其中A为简谐波的振幅，P为土的密度，W为振动圆频率；张永钧提出H=βfmh β为综合修正系数，f与夯击次数有关因子；刘海冲将块石、碎石、煤矸石和冶金渣划为Ⅰ类：H=13.5log(m.h)-38.5；填土、杂填土、吹填土为Ⅱ类：H=16.9log(m.h)-47.4；粘性土、砂类土和黄土划为Ⅲ类H=19.8log(m.h)-53.0。目前一些学者正研究应用网络BP(Back propation)和相似理论来预估强夯有效加固深度。
1.2最佳夯击能及夯击次数和遍数
最佳夯击能从理论上讲是使地基中出现的孔隙水压力达到土的自重时的夯击能，可用最大孔隙水压力增量值与夯击次数的关系曲线或有效压缩率与夯击能的关系曲线来确定最佳夯击能。每一遍的最佳夯击数应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，通过现场试夯得出夯击次数由夯沉量曲线或有效夯实系数的关系确定为宜。夯击遍数主要应根据地基土的性质确定。
1.3夯点布置和间距
一般采用正三角形、正方形或是梅花形布点，根据工程实例总结出正三角形布置处理的地基均匀性好，而正方形布置时吊机移位比三角形布置方便。夯点间距要根据地基土性质、土层厚度、建筑物结构类型和要求处理深度及试夯确定。
1.4间隔时间及加固范围
孔隙水压消散后即可进行新的夯击作业，故间隔时间主要取决于土的超静力水压力消散时间，应根据地基土的渗透性确定。粘性土较慢，时间一般不小于3~4周；砂土只要2~4min即可，可连续夯击；一般粘性土为1~2周。加固范围要大于建筑物基础的范围，以避免出现不均匀“边界”现象。其具体放大范围，可根据建（构）筑物类型和重要性等因素考虑确定。
2 强夯法处理地基的有关问题
2.1由于岩土是一种高度非线性材料，在不同应力水平下具有很不同的变形特性，其性质具有离散性且土工活动不可避免的存在随机性，因此强夯加固机理和效果的本质尚未得到清楚的认可，这在一定程度上制约着加固深度估算的研究及其他强夯参数的确定，因此设计时需要采用经验公式和现场试夯方法相结合来确定强夯参数，造成可供强夯设计遵循的精准设计计算理论。另外有些勘察单位提交的岩土工程勘察报告建议的地基处理方案与自身的施工能力有很大的倾向性，给设计人员造成误导作用，对工程的复杂因素考虑不周，因此无法形成合理的优化设计方案。强夯技术可以说目前是个实践在前理论设计在后的需不断创新发展的地基处理方法。
2.2强夯技术经济效果显著，但施工设备落后、效率低、安全性差、消耗和维护成本高。目前没有一款专门设计制造的强夯机，改进过的强夯机械结构件和零部件的损坏频繁，降低了生产效率，从而造成施工成本增加，而且这种现状一定时期内将制约强夯工艺、工法的研究与开发。另外在实际施工中，大部分场地土质成分变化无序，各向异性且均匀性也较差，目前强夯工程一般大都采用统一的能量级进行强夯，这样引起不必要的能量浪费，而能量级越高造价越高，若能根据填土的不同深度和上部结构的重要性分高中低不同的夯击能进行强夯，其工程造价会更趋合理，尤其是针对那些大面积强夯工程。
2.3强夯施工中夯锤冲击产生的冲击波对周围环境造成的振动及噪声对人的心理影响和环境振动污染是该技术不可忽略的弊端。尤其是在周围建筑群比较密集或与相邻的建筑较近，会造成周围建筑物的细微裂缝、抹灰脱落开裂、地基下沉等不良影响，其影响程度随既有建筑楼层的增高而增大。
3 强夯技术的发展和展望
3.1发展状况
强夯法自20世纪60年代末由法国技术公司首创。强夯施工机械在初期主要是常辅助于推土机使用的小型履带式起重机。经过几十年的发展，目前国外强夯机主要有三大类，分别为三角形固定桁架臂架式、三角井字架式和大吨位安装用起重机。强夯法适用范围从固砾石和砂性土发展到可加固绝大多数类型的地基土。在第8届欧洲土力学及基础工程学术会议上smoltczyk提出，强夯法适用于塑性指数Ⅰp≤10的土。
1975年我国引进强夯技术，刚开始时普遍采用起重量15t左右的履带式起重机，现在国内常用的强夯机械有履带吊车、三脚架超重机和杭州起重机200型。
3.2加固机理、强夯的某些参数的研究及施工机具
继续深入探讨强夯加固机理，正确评价加固效果的本质和加固深度估算方法需要在大量实际工程中进行研究。加固机理在振动过程中尤其是对大面积加固的基础而言，孔压的扩散和消散需综合分析其对土骨架的影响，结合动力反应与动力固结相耦合的运动微分以及非线性控制方程和迭代计算方法来完善加固机理，强夯参数也会随加固机理的完善得到精确计算。强夯机械的发展应本着智能、高效和环保的原则，结合电子化和信息化互动实现强夯在机械上的信息化施工管理，提高液压系统效率，减少维修；另外为提高强夯设备的利用率，强夯机的多用途发展也将是一种新的趋势。
3.3结合其它地基处理方法提高强夯加固效果以及克服振动和噪声的影响
这方面国外做的研究比国内要多一些，我们可以借助国际技术应用的大平台，洋为中用，因地制宜完善技术。强夯施工产生的的振动影响涉及临近房屋的安全和噪音污染问题应引起足够的重视，开展振动监测是一种可行的方法。
3.4应用与推广
就强夯技术的施工而言，由低有级到高能级也越繁琐，尽管强夯技术适用范围和施工领域不断扩大但是在施工过程中受各种因素影响，施工进步的均衡是暂时的，而不均衡是经常的，必须实行信息施工管理并加强强夯施工现场的管理工作。通过监理人员对施工过程的严格检测来保证强夯施工的控制指标满足设计要求。强夯的经济效果在很多工程实例中得到验证。
近年来，在工程建设与环境保护协调方面例如在垃圾填埋场、沙性地基等处理中强夯技术被合理有效的应用，施工工期大大缩短，并节省了工程投资，取得了良好的经济和社会效益。作为一种适应性广且经济效益好的地基处理方法，强夯技术在我国应用具有良好的发展前景。
4 结束语
强夯地基处理的影响因素甚多，既有场地土本身的因素也有设计和施工工艺以及施工机具等的原因。目前只能通过经验公式和试夯来指导强夯，所以要正确运用强夯技术还要加强技术研究。经过数十年的强夯设计、施工研究和工程实践，国内外强夯的适用范围与施工领域不断扩大，强夯设计和施工正向高能级、工艺多样性与复合性技术发展。目前随着西部大开发，长江和珠江三角洲经济区域的快速发展，强夯法在处理西部山地和湿陷性黄土、三角州的围海造陆、软粘土加固等工程中大量出现，从而给强夯技术的发展和强夯机具的开发带来了挑战和机遇。
参考文献：
[1] 徐至钧主编.强夯和强夯置换法加固地基[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 叶书磷主编.地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版，1998.
[3] 张永钧，平涌潮，孔繁封.等强夯处理大块抛石地基的实验研究. [4] 刘海冲.关于强夯加固地基影响深度的研究[M].勘察科学技术，1993.
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