强夯施工技术

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强夯法和强夯置换2基本概念

强夯法在国际上称动力压实法(DynamlccompactionMethod)或动力固结法(Dynamicconsolidati0nMethod。它通过8～30t的重锤(最重可达200t)和8～20m的落距(最高可达40m)，对地基土施加很大的冲击能，一般能量为500～8000kN·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、消除湿陷性黄士的湿陷性等。同时，夯击能还能提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。

强夯置换:对于高饱和度的粉土和黏性土地基,采用在夯坑内回填块石、碎石或其他粗颗粒材料．强行夯入并排开软土,最终形成砂石桩(墩)与软土的复合地基，此法称之为强夯置换(或动力置换、强夯挤)(DynamicReplacementMethod)。3适用范围：

对于强夯法和强夯置换法的适用范围．中华人民共和围行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)规定，“强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软流塑的黏性土等地基上对变形控制要求不严的工程”。

4加固机理

对于土的不同的物理力学特性(颗粒大小、形状、级配，密实度．内聚力，内摩擦角．渗透系数)．土的不同类型(饱和士．非饱和土．砂性土，黏性土)和不同的施工工艺(夯击能，夯点布嚣，特殊排水措施)，强夯法的加固机理和效果也是不相同的。

目前．强夯法加固地基有三种不同的加固机理：

动力密实(Dynamiccompaction)

动力固结(Dynamicconsolidation)

动力置换(DynamicReplacement)5动力密实

采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体内的孔隙减小．土体变得密实，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。

概念：最佳夯击能6动力固结

用强夯法处理细颗粒饱和土时．则是借助于动力固结的理论．即巨大的冲击能量在土体

中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构．使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增

加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变

性．强度会逐渐得到提高。7动力固结

Menard认为饱和土是可压缩的新机理。归纳成以下四点：

1.饱和土的压缩性；

2.产生液化；

3.渗透性的变化；

4.触变恢复。8动力置换

动力置换可分为整式置换和桩式置换，如图36所示。9动力置换

整式置换是采用强夯将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩(或墩)间隔地夯人软土中，形成桩式(或墩式)的碎石桩(或墩)。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩．它主要是靠碎石内摩擦角和桩(或墩)间土的侧限来维持桩体的平衡，并与桩(或墩)间土起复合地基的作用。

10强夯法设计要点

1.有效加固深度

2.夯锤和落距

3.夯击点布置和间距

4.夯击击数和遍数

5.垫层铺设

6.间歇时间

11强夯法设计要点

1.有效加固深度

目前，国内外尚无关于有效加固深度的确切定义，但一般可理解为：经强夯加固后，该土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围。12强夯法的有效加固深度单击夯击能（KN·m）

碎石土、砂土等

粉土、黏性土、湿陷性黄土等-------------------------------------------------------------------

1000

5.0～6.0

4.0～5.0

2000

6.0～7.0

5.0～6.0

3000

7.0～8.0

6.0～7.0

4000

8.0～9.0

7.0～8.0

5000

9.0～9.5

8.0～8.5

6000

9.5～10.0

>8.5～9.0

------------------------------------------------------------------

注：强夯法的有效加固深度应从起夯面算起。

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强夯的单击夯击能：为锤重与落距的乘积。应根据地基土类别、结构类型荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。在一般情况下，对于粗颗粒土可取1000～6000KN·m/m2；细颗粒土可取1000～3000KN·m/m2。

夯锤重：一般国内可取10～25t，最大夯锤为40t。夯锤的平面：一般有园形和方形等形状．其中又分为有气孔式和封闭式两种。锤底面积：按土的性质确定，强夯锤底静压力值可取25～40kPa，对细颗粒土锤底静压力宜取较小值；据国内外资料报道：对砂性土和碎石填土，一般锤底面积为2～4m2；对一般第四纪黏性土建议用3～m2；对于淤泥质土建议采用4～6m2；对于黄土建议采用4．5～5．5m2。14

同时应控制夯锤的高宽比，以防止产生偏锤现象．如黄土．高宽比可采用1：2.5～l：2.8。有的文献也提出，夯坑深度不超过夯锤宽度的一半，否则将有一部分能量损失在土中。

夯锤材料，特别是大吨位的夯锤，多数采用以钢板为外壳和内灌混凝土的锤。也有混凝土的锤上能临时装配钢板的组合锤。由于锤重的日益增加．锤的材料已趋向于由钢材铸成。

落距：夯锤确定后，根据要求的单点夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距是8～25m。对相同的夯击能量，常选用大落距的施工方案，这是因为增大落距可获得较大的接地速度．能将大部分能量有效地传到地下深处。增加深层夯实效果，减少消耗在地表土层塑性变形的能量。15

3.夯击点布置

强夯夯击点位置可根据基底平面形状．采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。同时夯击点布置时应考虑施工时吊机的行走通道。

强夯置换墩位布置宜采用等边三角形或正方形。对独立基础或条形基础可根据基础形状与宽度相应布置。强夯和强夯置换处理范围应大于建筑物基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。到一般建筑物．每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的l／2～2／3，并不宜小于3m。

夯击点间距(夯距)：一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定．以保证使夯击能量传递到深处和保护邻近夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则。强夯第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2．5～3．5倍；第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间。以后各遍夯击点间距适当减小。最后一遍以较低的能量进行夯击．彼此重叠搭接，用以确保地表土的均匀性和较高的密实度，俗称“普夯”(或称满夯)。16

4.夯击击数和遍数

概念：整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。强夯夯点的夯击击数和最佳夯击能一般可通过现场试夯确定．根据试夯得到的强夯击数和夯沉量、隆起量的监测曲线来确定。对于饱和度较高的黏性土地基，根据夯击击数和地基有效压缩量的关系曲线来确定。对于碎石土、砂土、低饱和度的湿陷性黄土和填土等地基，夯击次数可根据现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定．且应同时满足下列条件：

(1)最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能量小于4000kN·m时为50mm；当夯击能为4000～6000kN·m时为l00mm；当夯击能大于6000kN·m时为200mm；

(2)夯坑周围地面不应发生过大隆起；

(3)不因夯坑过深而发生起锤困难。17

4.夯击击数和遍数

强夯夯点的夯击击数和最佳夯击能也可通过试夯过程中地基中孔隙水压力的变化来确定。在黏性土中，可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。在砂性土中，孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，但孔压增量会随着夯击次数的增加而有所减小。为此可绘制孔隙水压力增量与夯击能的关系曲线，当孔隙水压力增量随着夯击击数(夯击能)减小而逐渐趋于恒定时，此能量即为最佳夯击能。

夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯2～3遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。最后再以低能量满夯2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。

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5.垫层铺设作用：施工前要求拟加固的场地必须具有一层稍硬的表层：（1）使其能支承起重没备；（2）便于对所施工的“夯击能”的扩散；（3）加大地下水位与地表面的距离．要求：对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石土层，可直接施行强夯，无需铺设垫层；对地下水位较高的饱和黏性土与易液化流动的饱和砂土，都需要铺设砂、砂砾或碎石垫层才能进行强夯，否则土体会发生流动。垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及其形状等条件而定。当场地土质条件好，夯锤小或形状构造合理，起吊时吸力小时．也可减少垫层厚度。一般为0.5～2.0m。铺设的垫层不能含有黏土。

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6.时间间隔夯击之间时间间隔，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，可根据低级土的渗透性确定，对于渗透性较差的黏性土地基的间隔时间，应不少于3～4周；对于渗透性好的地基土可连续夯击。

20强夯置换的设计要点：1.

强夯置换墩材料宜采用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的粗颗粒材料．粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30％。2.强夯置换墩的深度由土质条件和锤的形状决定，一般不宜大于7m，采用柱锤时不宜大于10m。当软弱土层较薄时，强夯置换墩应穿透软弱层：当软弱土层深厚时，应按地基的允许变形值或地基的稳定性要求确定。3.墩位布置墩位布置宜采用等腰三角形、正方形布置．或按基础形式布置。强夯置换墩间距应根据荷载大小和原土的承载力选定．当满堂布置时可取夯锤直径的2～3倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.5～2.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.1～1.2倍。

21强夯置换的设计要点：

4.置换墩地基承载力软黏性土，可只考虑置换墩，不考虑桩间土的作用，其承载力应通过现场单墩载荷试验来确定。对饱和粉性土可按复合地基考虑，其承载力可通过现场单墩复合地基载荷试验确定。

22降水联合低能级强夯法设计要点：降水联合低能级强夯法是在强夯过程中．同时结合降排水体系降低地下水位，以提高地基处理效果。降水联合低能级强夯法适用了“夹砂饱和黏性土地基。其设计要点如下：

1.降排水系统

2.夯击能

3.间歇时间

4.夯击击数

5.其它23

强夯施工步骤：

(1)清理并平整施工场地；

(2)铺设垫层，在地表形成硬层，用以支承起重设备，确保机械通行和施工，同时可加大地下水和表层面的距离，防止夯击的效率降低；

(3)标出第一遍夯击点的位置，并测量场地高程；

(4)起重机就位，使夯锤对准夯点位置：

(5)测量夯前锤顶标高；

(6)将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后放下吊钩，测量锤顶高程；若发现坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平；

(7)重复步骤6．按设计规定的夯击次数及控制标准．完成一个夯点的夯击；

(8)重复步骤4～7，完成第一遍全部夯点的夯击；

(9)用推土机将夯坑填平，并测量场地高程；

(10)在规定的间隔时间后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，将场地表层土夯实，并测量夯后场地高程。24

根据初步确定的强夯参数，提出强夯试验方案，进行现场试夯。应根据不同土质条件待试夯结束一至数周后，对试夯场地进行测试，并与夯前测试数据进行对比，检验强夯效果，确定工程采用的各项强夯参数。强夯置换施工步骤：

1)

清理并平整施工场地；

2)

标出第一遍夯点位置，并测量场地高程；

3)

起重机就位，使夯锤对准夯点位置；

4)

测量夯前锤顶高程；

5)

夯击并逐级记录夯坑深度；注意填碎石料；

6)

由内而外，隔行跳打原则，完成全部夯点的夯击；

7)

推平场地，用低能满夯，将表层松土夯实，并测量场地高程；

8)

铺设垫层，并分层碾压密实。25强夯施工过程中现场监测工作：

1)开夯前应检查夯锤重和落距，以确保单击夯击能量符合设计要求；

2)在每遍夯击前，应对夯点放线进行复核，夯完后检查夯坑位置，发现偏差和漏夯应及时纠正；

3)按设计要求检查每个夯点的夯击次数和夯沉量。

对强夯置换还应检查置换深度。国内强夯机现状

国内强夯施工从1975年开始介绍和引进至今，虽经历了二十多年发展，能级也已达到10000kN·m，但施工设备仍大多以中小吨位(150~500kN)安装用履带起重机作为改造对象，增加辅助装置来实现8000kN·m以下能级的强夯作业。这种改造的目的是增加作业时的抗倾覆稳定性，减轻重量或改善桁架臂杆的抗弯能力。应该说，这种改装后的“代用强夯机”，虽然在8000kN·m能级以下的夯实作业中具有机具使用一次性投入成本低的特点，但同时存在安全性差、使用效率低、消耗和维护成本高的缺陷。26

目前，国内强夯机主要形式有二种，一种是以W200A起重机为代表的，在强夯臂杆中后部加装防后倾装置而成的强夯机(图4)；它能满足夯锤重量不大于180kN，能级低于3000kN·m的强夯施工。另一种以W1001、QU25、W200A起重机等为代表；加装辅助门架形成的“代用强夯机”(图5)。但所有这些“代用强夯机”都存在着起重能力小（150~500kN）、自重大(W200A进行3000kN·m强夯时的作业自重达760kN；包括夯锤的工作重量达94kN)、接地比压高(W200A自重下接地比压0.123MPa)、工作级别低、稳定性差的缺陷；而且，这些机型大部分都产生于70~80年代，设计思想落后、传动与控制简单(全部属机械传动、液压或气动控制或机械控制)、传动效率低、可靠性差；外形尺寸庞大，给远距离运输带来不便的同时也增加了运输成本[8]。更大的隐患来自作业安全，所以，没有技术支持和技术改进的设备，淘汰是必然的。从施工实践来看，由于这些机型在设计中末考虑强夯机的使用特性，工作级别又偏低，所以结构件和零部件的损坏十分频繁，强夯作业的机械可靠性根本无法保证，强夯作业中的维修时间大大增加，使施工成本增加；生产效率降低。27序号主机型号最高能级(kN.m)适用工艺辅助机具1强夯机CGE1800A强夯18000

置换8000强夯、强夯置换、柱锤置换

2强夯机CGE1800B强夯18000

置换10000强夯、强夯置换、柱锤置换

强夯施工机具---------强夯机(履带吊,夯锤,辅助机:推土机,装载机,挖掘机)28

强夯机械设备

强夯机---------16000kN.m(1600吨.米)工程施工29CGE-1800B型强夯机进行16000kN.m型式试验30CGE-1800A型与CGE-1800B型强夯31

大型原油罐区地基处理8000kN.m强夯32

大连港矿石专用码头8000kN.m强夯333435363738

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强夯的问题:1．影响强夯有效加固深度的因素很多，除了夯击能量外，还同土的阻尼性质、夯锤的形状、锤底的单位压力、土层孔隙中存在的气体和空气，不同土层的埋藏条件，地下水位状况、夯击次数等不同有关，因此，目前还没有任何一种计算方法可精确地计算出各种不同地质条件下的强夯影响深度。强夯法的有效加固深度应根据当地经验并经现场试夯确定，试夯及试夯检验是强夯施工中确定夯击能量、夯击次数、夯击遍数及间歇时间的关键工序。402．由于在相同的夯击能下，底面较小的夯锤其有效影响深度较深。针对我国施工机械起吊能力一般较小的现状，采用铸铁夯锤可在不加大起吊重量与起吊高度的条件下，提高夯击效果与增大加固深