1、簡介
任何建筑物的荷載最終將通過基礎(chǔ)傳遞到地基上。凡是基礎(chǔ)直接建造在未經(jīng)加固的天然土層上時(shí)，這種地基稱為天然地基。若天然地基很軟弱，則事先要經(jīng)過人工處理，這種地基稱之為人工地基。而其處理過程就稱為“地基處理”(soiltreatment)或“地基加固”(soilimprovement)。地基處理方法主要分為：換土墊層法，深層密實(shí)法，排水固結(jié)法，化學(xué)加固法，加筋法和熱學(xué)法。強(qiáng)夯法屬于地基處理方式中的深層密實(shí)法中。
強(qiáng)夯法設(shè)備簡單，適用范圍廣泛，可用于填土、失陷性黃土、粘土、砂礫、碎石等各種土質(zhì)。對于淤泥質(zhì)軟土的試驗(yàn)性施工證明，只要控制好施工參數(shù)，也是可行的。此法不僅用于房建工程，也適合橋涵、道路、港口碼頭和大型設(shè)備基礎(chǔ)等工程，而且具有速度快、效果顯著和節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的地基處理方式。
2、概述
2.1、強(qiáng)夯法的由來及特性
強(qiáng)夯法處理地基是六十年代末由法國menard技術(shù)公司首先創(chuàng)造的。這種方法是將很重的錘(一般為100－400kn)從高處自由落下落(落距一般為6-40m)給地基以沖擊力和振動(dòng)，從而提高土的強(qiáng)度并降低土的壓縮性，改善土的振動(dòng)液化條件和消除濕陷性黃土的濕陷性等作用。同時(shí)，夯擊能還可以提高土層的均勻程度，減少將來可能出現(xiàn)的差異沉降。強(qiáng)夯法開始時(shí)僅用于加固砂土和碎石，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，它以適用從礫石到粘性土的各種地基土，這主要是由于施工方法的改進(jìn)和排水條件的改善。
強(qiáng)夯法由于具有地基加固效果顯著、設(shè)備簡單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)易行和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，很快傳播到世界各地。目前已經(jīng)有幾十個(gè)國家的數(shù)千項(xiàng)工程采用強(qiáng)夯法加固地基。
2.2、國內(nèi)外發(fā)展情況
強(qiáng)夯法是法國menard技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)并創(chuàng)用的。由于強(qiáng)夯法特有的優(yōu)點(diǎn)，所以在國外十分普遍。1974年英國工程師協(xié)會(huì)專門召開了深基礎(chǔ)會(huì)議，在該次會(huì)議上menard本人對強(qiáng)夯作了詳細(xì)介紹。從那以后，十幾年來第九、十、十一界國際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程會(huì)議上以及世界各地區(qū)性會(huì)議上，都發(fā)表了很多關(guān)于強(qiáng)夯的論文，對強(qiáng)夯的發(fā)展、完善起到了很大的推動(dòng)作用。我國是1978年9月引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的，1979年首先在塘沽進(jìn)行了強(qiáng)夯法加固粘土地基的實(shí)驗(yàn)研究。1979年6月分別在河北省廊坊與山西省陽泉，對輕亞粘土、粉細(xì)砂地基與黃土質(zhì)砂粘土填方地基進(jìn)行了處理。這是我國采用強(qiáng)夯法處理地基的最早兩項(xiàng)工程。隨后很快推廣到北京、上海、天津、廣州、深圳等很多地方，并且都取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，為國家節(jié)省了巨額基礎(chǔ)工程費(fèi)用。
3、加固機(jī)理
3.1、動(dòng)力固結(jié)理論
強(qiáng)夯法雖然已經(jīng)在實(shí)踐中證實(shí)了是一種比較好的地基處理方法，但到目前為止還沒有一套成熟和完善的理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。在第十界國際土力學(xué)和基礎(chǔ)工程會(huì)議上，美國menard教授在“地基處理”的科學(xué)發(fā)展水平報(bào)告中精辟的論述強(qiáng)夯法的傳統(tǒng)固結(jié)機(jī)理：強(qiáng)夯法目前已經(jīng)發(fā)展到地基土的大面積加固，深度可達(dá)30m。當(dāng)應(yīng)用于非飽和土?xí)r，壓密過程基本上同實(shí)驗(yàn)室中的擊實(shí)實(shí)驗(yàn)相同。在飽和無粘性土的情況下，可能會(huì)產(chǎn)生液化，其壓密過程同爆破和振動(dòng)密實(shí)的過程相似。這種方法對飽和細(xì)粒土的效果，成功和失敗的例子都有報(bào)道。對這類土需要破壞土的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生超空隙水壓力以及通過裂隙形成排水通道。而強(qiáng)夯法對雜填土特別有效。
實(shí)踐證明，在夯擊的工程中，土體的瞬時(shí)沉降可達(dá)幾十厘米；土中產(chǎn)生液化后使土的結(jié)構(gòu)破壞，土的強(qiáng)度下降到最小值；隨后在夯擊點(diǎn)出現(xiàn)徑向裂隙，成為加速空隙水壓力消散的主要通道；因粘性土具有觸變性，使降低的強(qiáng)度得到恢復(fù)和增強(qiáng)。menard教授實(shí)踐，并結(jié)合傳統(tǒng)的固結(jié)機(jī)理，提出了飽和土是可以壓縮的新的機(jī)理，并現(xiàn)在得到了大多數(shù)科學(xué)家的認(rèn)可。下面再作進(jìn)一步的介紹。
(1)、飽和土的壓縮性
在工程實(shí)踐中，不論對土的性質(zhì)如何，夯擊時(shí)能立即引起地基土的很大沉降，這個(gè)結(jié)果對顆粒狀土是可以理解的。對滲透性很小的飽和細(xì)粒土，孔隙水的排出被認(rèn)為是考慮沉降的必要和充分條件，這是傳統(tǒng)的固結(jié)理論的基本假定。由于飽和細(xì)粒土的滲透性低，因而在瞬時(shí)荷載作用下，空隙水不能迅速排出，這樣就無法理解在強(qiáng)夯時(shí)回立即引起很大沉降的機(jī)理。
menard教授認(rèn)為，由于土中有機(jī)物的分解，第四紀(jì)土中大多數(shù)都含有以微氣泡形式出現(xiàn)的氣體，其含量大約在1-4％。進(jìn)行強(qiáng)夯時(shí)氣體體積壓縮，空隙水壓力增大，隨后氣體有所膨脹，空隙水排出的同時(shí)，空隙水壓力就減小。這樣每夯一遍，氣相體積和液體積都有所減少。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，每夯擊一遍，氣體體積可減少40％。
(2)、產(chǎn)生液化
在重復(fù)夯擊作用下，施加在土體的夯擊能量，使氣體逐漸受到壓縮。因此，土體的沉降量與夯擊能成正比。當(dāng)氣體按百分比接近于零時(shí)，土體變成不可壓縮的。相應(yīng)于空隙水壓力上升到覆蓋壓力相等的能量級，土體即產(chǎn)生液化。如圖1所示，液化度為空隙水壓力與液化壓力之比，而液化壓力即為覆蓋壓力。當(dāng)液化度為100％時(shí)，亦即為土體產(chǎn)生液化的臨界狀態(tài)。而該能量級稱為“飽和能”。此時(shí)，吸附水變成自由水，土的強(qiáng)度下降到最小值。一旦達(dá)到“飽和能”而繼續(xù)施加能量者，除了使土起重塑的破壞作用外，能量純屬是浪費(fèi)。
應(yīng)當(dāng)指出，天然土的液化常常是逐漸發(fā)生的，絕大多數(shù)沉積物是層狀和結(jié)構(gòu)性的。粉質(zhì)土和砂質(zhì)土層比粘性土層先進(jìn)人液化。并應(yīng)當(dāng)注意到，強(qiáng)夯時(shí)所出現(xiàn)的液化，只是土體的局部液化。
(3)、滲透性變化
在很大的夯擊能作用下，地基土體中出現(xiàn)了沖擊波和動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)所出現(xiàn)超孔隙水壓力大雨顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，致使土顆粒間出現(xiàn)裂縫，形成排水通道。此時(shí)，土的滲透系數(shù)聚增孔隙水順利排出。在有規(guī)則網(wǎng)格布置夯點(diǎn)的現(xiàn)場，通過積聚的夯擊能量，在夯坑四周會(huì)形成有規(guī)則垂直裂縫，夯坑附近出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。所以應(yīng)規(guī)劃好強(qiáng)夯的施工順序，而不規(guī)則的和紊亂的夯擊，可以破壞這些天然排水通道的連續(xù)性。在現(xiàn)場可觀察到夯擊前土工試驗(yàn)中所測的滲透系數(shù)，是不能說明夯擊后孔隙水壓力迅速消散的這一特性的。
當(dāng)空隙水壓力消散到小于土顆粒間的側(cè)向壓力時(shí)，裂縫即自行閉合，土中水的運(yùn)動(dòng)重新又恢復(fù)常態(tài)。有的國外資料報(bào)道，夯擊時(shí)出現(xiàn)的沖擊波，將土顆粒間吸附水轉(zhuǎn)化為自由水，因而促進(jìn)了毛細(xì)管通道橫斷面的增大。
(4)、觸變恢復(fù)
在重復(fù)夯擊的作用下，土體的強(qiáng)度逐漸減低，當(dāng)土體出現(xiàn)液化或接近液化時(shí)，土的強(qiáng)度達(dá)到最低值。此時(shí)土體產(chǎn)生裂隙，而土中吸附水部分變成自由水，隨著孔隙水壓力的消散，土的抗剪強(qiáng)度和變形模量都有了大幅度的增長。這是由于土顆粒間緊密接觸以及新吸附水層逐漸固定的原因，而吸附水逐漸固定的過程可能會(huì)延續(xù)至幾個(gè)月。在觸變恢復(fù)期間，土體的變形(沉降)卻是很小的，有的資料中介紹在0.1％以下。如果用傳統(tǒng)的固結(jié)理論也就不能說明這一現(xiàn)象，這是自由水重新被土顆粒所吸附而變成了吸附水的緣故，這也具有觸變性土的特性。
眾所周知，飽和粘性土是具有觸變性的，當(dāng)強(qiáng)夯以后，土結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度幾乎降為零。隨著時(shí)間的推移，強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。這種觸變強(qiáng)度的恢復(fù)也稱為時(shí)效(timeeffect)。在一般孔隙水壓力已經(jīng)完全消散的情況下，夯擊后六個(gè)月所測得的土的抗剪強(qiáng)度一般比一個(gè)月所測得的強(qiáng)度增長20％-30％，而變形模量增長30-80％。因此，強(qiáng)夯后質(zhì)量檢驗(yàn)的勘探工作或測試工作，至少宜在強(qiáng)夯施工后一個(gè)月再進(jìn)行，不然得出的指標(biāo)會(huì)偏小。
對靈敏度較高的粘土中，存在觸變現(xiàn)象這一土的特性是眾所周知的。實(shí)際上這一現(xiàn)象對所有細(xì)顆粒土都是明顯的，僅是程度上不同而已。值得注意的是，經(jīng)過強(qiáng)夯后土在觸變恢復(fù)過程中，對振動(dòng)是十分敏感的，所以在進(jìn)行勘探和測試工作時(shí)候應(yīng)該十分注意。
鑒于以上強(qiáng)夯法加固的機(jī)理，menard教授對強(qiáng)夯中出現(xiàn)的現(xiàn)象，提出了一個(gè)新的彈簧活塞模型，對動(dòng)力固結(jié)的機(jī)理作了解釋。
對動(dòng)力固結(jié)的理論模型，可從四個(gè)方面進(jìn)行解釋：
●由于微氣泡的存在，充滿氣缸的水以為部分是可壓縮的，亦即孔隙水具有壓縮性，
●對夯擊前、后土的滲透性的變化，可用一個(gè)孔徑可變的排水孔進(jìn)行模擬；
●彈簧的剛度是模擬土體的壓縮模量，過去傳統(tǒng)的固結(jié)理論的觀點(diǎn)以為是常數(shù)。實(shí)際上強(qiáng)夯法施工時(shí)候，在反復(fù)荷載的影響下，會(huì)使壓縮模量有很大改變，在這個(gè)過程中，吸附水起了重要作用。
●加載后傳遞力的活塞和氣缸間存在磨阻力。因此，液體中壓力減少，不能自動(dòng)導(dǎo)致活