對高能級強夯技術的發展展望

?來源：《高能級強夯技術發展研究與工程應用》（2006-2015），版權歸原始作者：王鐵宏、水偉厚、王亞凌，本文發布已經授權，未經授權，禁止其他平臺再次發布與更改！

1.高能級強夯加固技術的發展前景

     目前，我國的能源形勢相當嚴峻。我國的人均煤炭儲量只占世界人均儲量的50%、原有占12%、天然氣僅占6%、水資源占16.7%。我國已成為世界上第三能源生產國和第二大能源消耗國。作為能耗大國，我國建筑總能耗已占社會能耗的近30%，有些城市高達70%，建筑節能潛力巨大。

     節能專項規劃是我國中長期發展規劃的重要組成部分。國家發展改革委《節能中長期專項規劃》中明確指出：節能是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。為推動全社會開展節能減耗，緩解能源瓶頸制約，建設節能型社會，促進經濟社會可持續發展，實現全面建設小康社會的宏偉目標，必須提高能源的利用效率，大力推廣節能環保技術的開發和應用。

      地基處理除應滿足工程設計要求外，尚應做到因地制宜、就地取材、保護環境和節約資源等。那么在進行巖土改造的同時，如何保障巖土及相關工程可持續發展便被提上了日程。美國綠色建筑中心編著的《綠色建筑技術手冊》，其中對綠色的敘述市：“這種‘發源地——發源地’的方法稱之為‘綠色’或‘可持續’建筑技術。它從原材料的使用、產品的制造到產品的運輸，建筑設計、建造、運行與維護，以及建筑的再使用或報廢的全過程均考慮其經濟性、對環境影響和性能。”它告訴我們：①盡可能少地擾動；②從自然中來，到自然中去；③結束是新的開始；④循環式高層次往復；⑤永恒的持續下去；⑥重視過程。綠色巖土亦然，要求重視巖土工程的綠色性或可持續性，其核心在工程上，根本點在于：①認識、改造影響環境的巖土工程問題；②強調巖土工程本身的可持續性。這些觀點正是切合了強夯加固法的特點。強夯法將土作為一種能滿足技術要求的工程材料，在現場對土層本身做文章，以土治土，充分利用和發揮土層本身的作用，符合巖土工程“要充分利用巖土體本身作用”的總原則，且對于土層沒有化學性質上的損害，是一種綠色的地基處理方法。

      我國節能技術政策大綱明確指出，逐步實現城市垃圾分類收集和處理，積極推行廢品回收和綜合利用。有條件的城市應試行建設垃圾利用等工程，這是節約能源，實現環境保護，促進經濟可持續發展的有效之舉。當前，我國生活垃圾產生量驚人，但由于資金等原因生活垃圾的無害化處理率卻不到10%；換而言之，有90%的城市生活垃圾只能運往城郊常年露天裸露堆放。全國200余座城市陷入垃圾的包圍之中，“垃圾城”已成為威脅人們生活環境的一大公害。這些城市生活垃圾中含有各種病原體和寄生蟲，甚至含有各類有毒有害物質，既污染土壤和水源，也占用土地資源、破壞環境衛生。其中占很大比例的建筑垃圾、工業礦渣爐渣等可以作為強夯的填料加以處理和應用。因此，強夯技術處理垃圾等固體廢棄物，蘊藏著巨大的可利用潛力，這也是化害為利、變廢為寶、實現經濟及環境效益雙贏的資源之一。

      為了節約耕地和充分利用土地資源，國內外已出現加大開山填溝和填海造陸工程的趨勢，因此隨著強夯理論和工藝的成熟，強夯發展的趨勢是能級不斷增加，與之相配套的高性能專用強夯機的出現也是必然。高能級強夯有效加固深度大，可加固處理下伏深厚淤泥的山皮石回填地基、山區塊石雜填地基、廢棄采石場（含有大孤石）、垃圾填埋場等其他方法很難甚至無法處理的地基，對于提高地基土強度和均勻性，降低壓縮性，消除濕陷性，改善其抵抗震（振）動液化的能力等具有明顯的效果。

      目前，國內大型基礎設施（機場、碼頭、高等級公路等）建設的發展和沿海城市填海造陸工程以及位于黃土區域內的西部大開發，都給強夯工程的大量設施創造了條件。同時，我國又有多項大型基礎設施開工建設，“西部大開發”、“縱橫通道”，“長三角”、“珠三角”和“環渤海”等經濟區域的快速發展等都將帶動大批基礎設施建設項目，工程建設中的山區雜填地基、開山塊石回填地基、炸山填海、吹沙填海、圍海造地等工程也愈來愈多。

      強夯技術的應用，對于節約水泥、鋼材，降低工程造價，凈化人類生存環境等許多方面都有顯著優點。多年工程實踐表明，強夯技術的廣泛應用有利于節約能源和環境保護，是一種綠色地基處理技術，其進一步應用必然使強夯這一經濟、高效的地基處理技術為我國工程建設事業做出更大的貢獻。

2.高能級強夯加固地基機理研究的方向

   強夯應用雖然廣泛，但其作用仍陷于地基的一般性處理，滿足一般的設計要求。今后一段時間，對強夯的研究應注意以下幾個方面：

  ⒈ 強夯地基處理方案的選用原則

   地基與基礎是緊密聯系的，應一起考慮；地基與基礎方案按天然地基→地基處理→樁基礎的順序選擇，強夯法地基處理的選用一是考慮土層條件是否合適；二是考慮周邊環境是否允許震動和噪聲。

  ⒉強夯與強夯置換夯后變形計算的研究

   ⑴夯后土層壓縮模量的取值（考慮填料、能級、擊數、應力歷史、工程經驗等 ），修正系數的取值。

   ⑵強夯置換往往都是大粒徑的填料，粗放型的施工方法，巖土變形參數難取，提出“置換墩+應力擴散”的計算方法。

   ⑶變形控制理論在強夯法地基處理設計中的應用。

⒊強夯能級對加固效果的影響

   ⑴強夯能級到底能達到多高受多方面因素的影響，如承載力的提高、變形的控制、經濟性的比較。

   ⑵強夯能級與淺層地基承載力、深層地基承載力、有效加固深度的關系。

⒋強夯加固效果與地基土性質之間的關系

    ⑴強夯加固效果同地基土性質指標之間的關系；

    ⑵不同類型填土地基與強夯有效加固深度的關系；

    ⑶地基土含水量、塑性指數、液性指數與強夯加固后壓縮性指標之間的關系；

    ⑷夯后進行平板載荷試驗測定地基承載力，載荷板大小與土質的關系。

⒌強夯錘身形狀對加固效果的影響

   ⑴國內夯錘幾乎都是圓柱形，偶爾也見圓臺形，上大、下小，上大、下小圓臺形在成坑過程中對抗臂可能有側向擠實作用，但也正由于存在側向擠實，對坑底的作用能量可能有較大損失。國外強夯錘的錘身多成多邊形，從四邊、五邊、六邊到N邊不等，少見圓柱形，國內對錘身形狀的理論研究較少。

   ⑵目前，大多使用平底錘，隨使用時間的增加，錘邊磨損也越嚴重。

   ⑶夯錘通氣孔的形狀和氣墊效應問題，只要通氣孔的總面積與錘底面積達到一定比例值（0.09～0.12），在強夯過程中不會產生氣墊效應，也不會二次噴土現象。

⒍強夯單位擊實功，單位夯擊能與強夯加固效果之間的關系

   ⑴單位夯擊能。其意義為單位面積上所施加的總夯擊能，單位夯擊能的大小與地基土的類別有關，在相同條件下，細顆粒土的單位夯擊能要比粗顆粒土適當大些。單位夯擊能過小，難以達到預期效果；單位夯擊能過大，浪費能源，對飽和度較高的黏性土來說，強度反而會降低。

   ⑵強夯單位擊實功。提高強夯能級或提高夯擊數可大大提高單位擊實功，還可以增加單位夯擊能；而縮小夯距，又進一步增加單位夯擊能。

⒎強夯法地基處理中減振隔振的研究

   ⑴夯錘沖擊地面，在土體中轉化成很大的沖擊力，沖擊力大小的準確測定。

   ⑵夯錘沖擊地面產生的振動到底有多大，如何進行減振隔振的設計，減小對周圍環境的影響。

3.高能級強夯施工技術的綜合應用

     單純的一種地基處理方法已很難達到地基處理的設計和使用要求，地基處理向著復合型、綜合性的處理方向發展 。強夯施工技術也在向著高能級的綜合性應用的方向發展。

     ⒈強夯與強夯置換兼容施工技術的應用

     該強夯處理方法施工關鍵是：在施工工藝上，按強夯置換工藝進行，質量控制標準首先應滿足《建筑地基處理技術規范》強夯置換的規定；同時，由于超高能級的影響深度大，使置換層以下的松散沉積層也得到了加固。

     ⒉高能級強夯聯合疏樁勁網復合地基

     對含軟弱下臥層、深度較大的松散回填碎石填土地基，高能級強夯處理的主要對象為淺層碎石填土地基，其下淤泥質軟土層性質并沒有太大改善，在上部荷載作用下會產生較大的不均勻沉降變形。疏樁勁網復合地基方案可充分利用淺層強夯地基和疏樁基礎的承載力，協調兩者變形，減小地基的不均勻沉降變形。

     ⒊超高能級處理低含水量濕陷性黃土

     工程中用干密度作為夯實的質量檢驗指標，對濕陷性黃土而言，干密度越大，濕陷性消除的效果越好。夯擊功能是影響擊實效果的重要因素，擊實功能越大，得到的干密度越大，而相應的最優含水率越小，所以最大干密度和最優含水量都不是一個常數，而是隨擊實功能而變化。

     ⒋預成孔深層水下夯實法

     預成孔深層水下夯實法重要適用于地下水位高、回填深度大且承載力要求高的地基處理工程。首先，在地基土中預先成孔，直接穿透回填土層與下臥軟土層；然后在孔內由下而上逐層回填并逐層夯擊。對地基土產生擠密、沖擊與振動夯實等多重效果。孔內采用粗顆粒材料形成良好的排水通道，軟弱土層能夠得到有效固結。孔內填料在夯擊作用下形成散體樁，與加固后的樁間土共同分擔上部結構荷載，形成散體樁復合地基。

    ⒌預成孔填料置換強夯法

     預成孔填料置換平錘強夯法首先在地基土中預先成孔，直接穿透軟弱土層至下臥硬層頂面或進入下臥硬層；然后在孔內回填塊石、碎石、粗砂等材料形成松散墩體，松散墩體與下臥硬層良好接觸；最后，對置換體根據深度大小，施加不同能級強夯，形成密實墩體，鋪設墊層，形成復合地基。該方法解決了強夯法與強夯置換法存在的技術問題，實現置換墩體與下臥硬層良好接觸，有效加固處理飽和黏性土、淤泥、淤泥質土、軟弱夾層等類型的地基，可提高地基穩定性、地基承載力、減少（不均勻）沉降變形等。

    ⒍強夯與其他地基處理技術的聯合應用

     在強夯處理地基的工程實踐中，工程技術人員已經認識到有些場地單純采用強夯效果不明顯，將強夯與其他地基處理方法的聯合應用是地基處理技術發展與創新的方向，有著很大的發展空間，例如：碎石樁與強夯結合、強夯與沖擊碾結合、石灰樁與強夯結合等 。

4.強夯法關鍵技術與研究趨勢

    近年來，國內強夯技術發展迅速，應用范圍更為廣泛，其關鍵技術主要集中在高能級的強夯技術研究和飽和軟土復合地基的強夯技術研究。

    ⒈高能級強夯技術

    為了加固深厚地基，特別是山區非均勻塊石回填地基和拋石填海地基。必須施加高能級強夯進行處理，這樣對高能級的加固機理和強夯機具提出了新的技術要求。

    我國于1992年率先在三門峽火力發電廠采用8000KN.m強夯技術，用于消除黃土濕陷性。之后8000KN.m能級強夯技術在我國普遍采用，目前20000KN.m已成功通過試驗和工程應用，并成為國內已經實施的最高能級強夯，其有效加固深度約在18～21米之間。《建筑地基處理技術規范》JGJ79-2012對12000KN.m以上強夯的有效加固深度沒有明確，梅納公式又顯然不適宜。

    一般3000KN.m強夯為限。當強夯能量小于3000KN.m時，施工機具相對簡單，國內常用的杭重機械HZQH3000c、宇通重工YTQH350B不必輔以龍門架，施工便捷，定位塊、功效高。移動迅速；當強夯能級大于3000KN.m時，3000c與350B強夯機必須輔以門架才足以保證安全施工，因而機具移動、定位相對較慢，工效相對降低。

    當強夯能級要求大于10000KN.m時，目前施工單位常用的杭重3000c、宇通350B、宇通450B、杭重4000都難以承受，因此施工機具的制約是過高能級強夯技術發展的關鍵。目前國內也在加強這方面的研究。中化巖土CGE1800A型機、中化巖土CGE1800B型機、中化巖土CGE1800C型機、宇通重工YTQH650B、宇通重工YTQH800、宇通重工YTQH1000B、杭重機械HZQH5000、杭重機械HZQH7000B、撫挖重工FWXH2000等高能級強夯機已經研制出來并得到了廣泛應用和逐步完善。

   ⒉飽和軟土復合地基的強夯技術

   對于飽和淤泥質黏土或者淤泥質粉土、由于其含水量過高，黏粒含量多，粗顆粒含量少；滲透性差，直接采用強夯效果很差，甚至夯后地基承載力降低。那么決定飽和軟土不適宜強夯的關鍵因素是什么？關鍵在于強夯過程中和強夯以后；飽和軟土中超孔隙水壓力不能消散，地下水不能排出，強夯所施加的能量根本不能改變土體結構，全部被超孔隙水壓所抵消、甚至由此引起原有土體結構破壞，形成人們所稱的“橡皮土”。為了提高在這類飽和軟土中應用強夯的加固效果；首先，必須解決土中地下水的排出和超孔隙水壓力消散的的問題，因此可以在飽和軟土中打入擠密碎石柱樁、砂樁，使其在飽和軟土中形成豎向排水通道，既有利于低水下的排出，又有利于超孔隙水壓力的迅速消散；軟土表面鋪設一定厚度的粗顆粒，使土中排出的地下水有橫向通道不致溢出地表造成施工困難，形成地表軟化；豎向排水通道的形成起到了土體置換的作用；增加了粗顆粒含量，使本來不適宜強夯的軟黏土成為適宜強夯的含粗顆粒土。一般工程經驗證明，當粗顆粒含量大于30%時，地下水位適宜，可以采用強夯；當粗顆粒含量大于60%時，地下水位適宜；強夯效果特別理想。在強夯過程中，飽和軟土既有豎向變形也有橫向變形，因此砂柱、碎石樁的設計要避免被擠斷從而失去排水作用；可以從樁徑和排水井的柔軟性兩個方面考慮，使其適應地基土的變形，同時具有一定的剛度和強度。除擠密碎石樁、砂樁以外，常用的排水井形式還有袋裝砂井、硬質紙板、聚氯乙烯多孔塑料板等。

     天津川府新村住宅小區及天津宜白路住宅小區的工程中有關飽和軟土輔以砂井進行強夯加固處理的嘗試，深圳福田開發區亦有局部飽和吹填軟土輔以塑料插板進行小能量強夯的工程實踐。目前我國沿海地區是建設項目的熱土地區，如石化項目多數設置在沿海地區。而沿海地區多數為軟土地基，一般處理這類軟土地基的方法有直接采用樁基、擠密碎石樁、深層攪拌樁、粉噴樁及真空預壓、堆載預壓、塑料插板等，當地基處理面積很大時，上述處理方法的造價、工期將十分驚人，因此工程技術人員對軟基處理新工藝的研究興趣極為濃厚。飽和軟土輔以砂樁、碎石樁或其他工藝進行強夯處理技術將是非常具有吸引力的研究課題，應用前景廣闊。

     該技術既可改進原有直接采用樁基、擠密碎石樁、深層攪拌樁等造價過高，同時又可縮短材料購置、制作、打入周期，其主要方法有以下幾種：

    ⑴擠密碎石樁加強夯。擠密碎石樁上部加固效果不如強夯，對于飽和軟土，結合擠密碎石樁加上強夯，加固效果會非常顯著。擠密碎石樁既可起側擠密作用又可起豎向排水作用。另外，擠密碎石樁加強夯比單純擠密碎石樁布樁可稀疏，工藝可簡化，使該工藝的總費用與單純擠密碎石樁方案相比基本持于或略高一點。經該工藝加固后可滿足一般建筑、工業廠房、設備基礎的承載和變形要求、中國建筑科學研究院地基所已將擠密碎石樁加強夯成功用于青海湖周邊的鹽澤土地基處理。

   ⑵砂樁加強夯。砂樁在飽和軟土中只起豎向排水作用，因此其總體加密效果比擠密碎石樁加強夯效果要低些，一般可作為大面積廠區地基預處理方案。經過處理后可作為一般建筑、廠房、道路簡單設備地基，對于高重設備則需通過驗算，必要時還應輔以設計樁基。即便是采用部分樁基也比在飽和軟土中直接采用樁基要經濟的多，因此此時地基性狀經處理后明顯改善，樁側阻力大大提高，消除了濕陷性，液化對樁基承載力的影響，再考慮樁與土共同作用，總體效果更好。

   ⑶真空/堆載預壓加強夯。目前沿海地區采用真空或堆載預壓處理軟基的很多。該工藝相對直接采用樁基等方案造價低，但是周期很長，一般需要近一年甚至更長，且加固效果僅能達到80～100kPa。根據預壓s﹣t 曲線分析發現一般情況下堆載預壓沉降量在最初的3個月發生最多，約占30%～50%，如果工期要求特別緊迫，此前可在軟基中設置袋裝砂井，在地表鋪設一定厚度的碎石土，既有利于形成橫向排水通道，又便于施工機具行走，然后就可以采用小能量強夯加固硬殼層，消除軟基的其余部分沉降。經這一綜合工藝處理后，地基承載力可達到80～130kPa，一般可作為大面積廠區的建筑、廠房、道路、簡單設備地基。其特點是比真空或堆載預壓的袋裝砂井間距調整來綜合考慮成本。由于小能量強夯本身的價格很低，因此兩項工藝綜合使用的造價并未提高多少，而工期可大大縮短。

    ⑷強夯碎石墩。在沿海地區軟基處理中，部分工程采用了強夯碎石墩工藝，如深圳機場工程。強夯碎石墩工藝是將普通強夯的夯錘平底面改造成尖錐形底面，直徑縮小，將其吊起后砸入地基內，形成錐狀夯坑，將夯錘拔出后向夯坑內填注碎石形成碎石墩，然后再次夯擊，將碎石墩的碎石夯擊擠入軟土中，起到置換和加固效果。上海申元巖土工程有限公司設計的大連中遠船廠地基處理項目，利用柱錘在軟基上成功實施了強夯碎石墩地基，相比原來的PHC管樁和振沖碎石樁+平錘強夯方案分別節省了700多萬元和1360萬元，工期節省6個月。

     由此可以看出，輔以一定工藝后進行強夯處理是有效、經濟地加固處理沿海（包括沿江、湖）地區飽和軟土地基的重要研究課題，將會成為目前我國在該領域的重點內容，應用前景廣闊。 

     在傳統強夯工藝的基礎上，強夯施工開始走向多元化。所謂多元化即對復雜場地進行地基加固時，單一處理方法很難達到設計要求或由于經濟等條件受限，那么針對不同的地基土，綜合其他加固機理和強夯機理各自的優勢共同加固地基的一種復合處理形式。各種方法均有其使用范圍和優缺點，強夯法通過與多種地基處理方法聯合進行復雜場地的處理，具有明顯的經濟效益和可靠的技術質量效果。