第四章强夯法和强夯置换法4.1概述强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般10～40t 的重锤和10～40m的落距，对地基土施加很大的冲击能，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、消除湿陷性黄土的湿陷性等。
同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。
强夯置换法是采用在夯坑内回填块石、碎石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。
具有加固效果显著、施工工期短和施工费用低等优点。
当前，应用强夯法和强夯置换法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。
总之，强夯法在某种程度上比机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。
强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、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塑～流塑的粘性土等地基上对变形控制要求不严的工程，同时应在设计前通过现场试验确定其适用性和处理效果。
工程实践表明，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界各国工程界所重视。
对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。
但对饱和软土的加固效果，必须给予排水的出路。
为此，强夯法加袋装砂井(或塑料排水带)是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。
4.2加固机理强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
(1)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，使土体中的孔隙减小，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。
实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6～1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍。
非饱和土在中等夯击能量1000～2000kN·m的作用下，主要是产生冲切变形，在加固深度范围内气相体积大大减少，最大可减少60%。
(2)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，强度得到提高。
动力固结理论可概述为：1)饱和土的压缩性Menard教授认为，由于土中有机物的分解，第四纪土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体，其含气量大约在1%～4%范围内，进行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水压力就减少。
这样每夯击一遍，液相气体和气相气体都有所减少。
根据实验，每夯击一遍，气体体积可减少40%。
2)局部产生液化在重复夯击作用下，施加在土体的夯击能量，使气体逐渐受到压缩。
因此，土体的沉降量与夯击能成正比。
当气体按体积百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。
相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级，土体即产生液化。
孔隙水压力与液化压力之比称为液化度，而液化压力即为覆盖压力。
当液化度为100%时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为“饱和能”。
此时，吸附水变成自由水，土的强度下降到最小值。
一旦达到“饱和能”而继续施加能量时，除了使土起重塑的破坏作用外，能量纯属是浪费。
3)渗透性变化在很大夯击能作用下，地基土体中出现冲击波和动应力。
当所出现的超孔隙水压力大于颗粒间的侧向压力时，致使土颗粒间出现裂隙，形成排水通道。
此时，土的渗透系数骤增，孔隙水得以顺利排出。
在有规则网格布置夯点的现场，通过积聚的夯击能量，在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝，夯坑附近出现涌水现象。
当孔隙水压力消散到小于颗粒间的侧向压力时，裂隙即自行闭合，土中水的运动重新又恢复常态。
国外资料报道，夯击时出现的冲击波，将土颗粒间吸附水转化成为自由水，因而促进了毛细管通道横断面的增大。
4)触变恢复在重复夯击作用下，土体的强度逐渐减低，当土体出现液化或接近液化时，使土的强度达到最低值。
此时土体产生裂隙，而土中吸附水部分变成自由水，随着孔隙水压力的消散，土的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。
这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水，这也是具有触变性土的特性。
鉴于以上强夯法加固的机理，Menard对强夯中出现的现象，又提出了一个新的弹簧活塞模型，对动力固结的机理作了解释。
图4-1表示静力固结理论与动力固结理论的模型间区别，主要表现为以下四个主要特性，见表4-1。
a) b)图4-1 静力固结理论与动力固结理论的模型比较a)静力固结理论模型 b)动力固结理论模型表4-1 静力固结和动力固结理论对比(3)动力置换动力置换可分为整式置换和桩式置换。
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)间隔地夯入软土中，形成桩式(或墩式)的碎石墩(或桩)。
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墩间土的侧限来维持桩体的平衡，并与墩间土起复合地基的作用。
【例题4-1】对饱和土强夯时, 夯坑形成的主要原因为:(A)土的触变性 (B)土中含有少量气泡的水 (C)土中产生裂缝 (D)局部液化【正确答案】B【解】强夯法加固机理强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。
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。
饱和土由于土中大多数都含有以微气泡形式出现的气体，进行强夯时，气体体积压缩，孔隙水压力增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出的同时，孔隙水压力就减少。
这样每夯击一遍，液相气体和气相气体都有所减少。
【例题4-2】强夯法加固粘性土的机理为:加固非粘性土的机理为:(A)动力密实 (B)动力固结 (C)动力置换 (D)静力固结【正确答案】(B C) (A)【解】强夯法加固机理在粘性土中的加固机理为动力固结或动力置换；在非粘性土中的加固机理为动力密实。
【例题4-3】强夯法加固哪些土是基于动力密实机理? 加固哪些土是基于动力固结理论?(A)多孔隙非饱和土（B）粗颗粒非饱和土(C)细颗粒非饱和土（D）细颗粒饱和土【正确答案】（A B）（D）【解】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，使土体中的孔隙减小，土体变得密实。
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。
【例题4-4】国外关于强夯法的适用范围，有比较一致的看法，强夯法适用于塑性指数不大于多少的土?(A)8 (B)9 (C)10 (D)11【正确答案】C【解】国内外关于强夯法的使用范围，有比较一致的看法。
Smoltczyk在第8届欧洲土力学及基础工程学术会议上的深层加固总报告中指出，强夯法只强夯法适用于塑性指数I的土。
10p【例题4-5】强夯法适用的土类较多，但对哪些土类处理效果比较差?（A）饱和软粘性土（B）湿陷性黄土（C）砂土（D）碎石土【正确答案】A【解】工程实践表明，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界各国工程界所重视。
对各类土强夯处理都取得了十分良好的技术经济效果。
但对饱和软土的加固效果，必须给予排水的出路。
为此，强夯法加袋装砂井是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。
4.3 设计计算(1) 有效加固深度有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数。
一般可按下列公式估算有效加固深度，或按表4-2预估：H⋅=α(4-1)Mh式中H——有效加固深度(m)；M——夯锤重(t)；h——落距(m)；α——系数，须根据所处理地基土的性质而定，对软土可取0.5，对黄土可取0.34～ 0.5。
表4-2 强夯的有效加固深度(m)强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上。
深度不宜超过7m。
(2)夯锤和落距单击夯击能为夯锤重M与落距h的乘积。
一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大, 夯击击数少, 夯击遍数也相应减少, 加固效果和技术经济较好。
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。
强夯和强夯置换的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并可通过试验确定。
但对饱和粘性土所需的能量不能一次施加，否则土体会产生侧向挤出，强度反而有所降低，且难于恢复。
根据需要可分几遍施加，两遍间可间歇一段时间，这样可逐步增加土的强度，改善土的压缩性。
在设计中，根据需要加固的深度初步确定采用的单击夯击能，然后再根据机具条件因地制宜地确定锤重和落距。
一般国内夯锤可取10～25t。
夯锤材质最好用铸钢，也可用钢板为外壳内灌混凝土的锤。
夯锤的平面一般为圆形，夯锤中设置若干个上下贯通的气孔，孔径可取250～300mm，它可减小起吊夯锤时的吸力(在上海金山石油化工厂的试验工程中测出，夯锤的吸力达三倍锤重)；又可减少夯锤着地前的瞬时气垫的上托力。
锤底面积宜按土的性质确定，锤底静压力值可取25～40kPa，对砂性土和碎石填土，一般锤底面积为2～4m2；对一般第四纪粘性土建议用3～4m2；对于淤泥质土建议采用4～6m2；对于黄土建议采用4.5～5.5m2。
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1:2.5～1:2.8。
强夯置换锤底静接地压力值可取100～200kPa。
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。
(3)夯击点布置及间距1)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。
