对高能级强夯技术的发展展望

1.高能级强夯加固技术的发展前景

     目前，我国的能源形势相当严峻。我国的人均煤炭储量只占世界人均储量的50%、原有占12%、天然气仅占6%、水资源占16.7%。我国已成为世界上第三能源生产国和第二大能源消耗国。作为能耗大国，我国建筑总能耗已占社会能耗的近30%，有些城市高达70%，建筑节能潜力巨大。

     节能专项规划是我国中长期发展规划的重要组成部分。国家发展改革委《节能中长期专项规划》中明确指出：节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。为推动全社会开展节能减耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型社会，促进经济社会可持续发展，实现建设小康社会的宏伟目标，必须提高能源的利用效率，大力推广节能环保技术的开发和应用。

      地基处理除应满足工程设计要求外，尚应做到因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源等。那么在进行岩土改造的同时，如何保障岩土及相关工程可持续发展便被提上了日程。美国绿色建筑中心编著的《绿色建筑技术手册》，其中对绿色的叙述市：“这种‘发源地——发源地’的方法称之为‘绿色’或‘可持续’建筑技术。它从原材料的使用、产品的制造到产品的运输，建筑设计、建造、运行与维护，以及建筑的再使用或报废的全过程均考虑其经济性、对环境影响和性能。”它告诉我们：①尽可能少地扰动；②从自然中来，到自然中去；③结束是新的开始；④循环式高层次往复；⑤永恒的持续下去；⑥重视过程。绿色岩土亦然，要求重视岩土工程的绿色性或可持续性，其核心在工程上，根本点在于：①认识、改造影响环境的岩土工程问题；②强调岩土工程本身的可持续性。这些观点正是切合了强夯加固法的特点。强夯法将土作为一种能满足技术要求的工程材料，在现场对土层本身做文章，以土治土，充分利用和发挥土层本身的作用，符合岩土工程“要充分利用岩土体本身作用”的总原则，且对于土层没有化学性质上的损害，是一种绿色的地基处理方法。

      我国节能技术政策大纲明确指出，逐步实现城市垃圾分类收集和处理，积极推行废品回收和综合利用。有条件的城市应试行建设垃圾利用等工程，这是节约能源，实现环境保护，促进经济可持续发展的有效之举。当前，我国生活垃圾产生量惊人，但由于资金等原因生活垃圾的无害化处理率却不到10%；换而言之，有90%的城市生活垃圾只能运往城郊常年露天裸露堆放。全国200余座城市陷入垃圾的包围之中，“垃圾城”已成为威胁人们生活环境的一大公害。这些城市生活垃圾中含有各种病原体和寄生虫，甚至含有各类有毒有害物质，既污染土壤和水源，也占用土地资源、破坏环境卫生。其中占很大比例的建筑垃圾、工业矿渣炉渣等可以作为强夯的填料加以处理和应用。因此，强夯技术处理垃圾等固体废弃物，蕴藏着巨大的可利用潜力，这也是化害为利、变废为宝、实现经济及环境效益双赢的资源之一。

      为了节约耕地和充分利用土地资源，国内外已出现加大开山填沟和填海造陆工程的趋势，因此随着强夯理论和工艺的成熟，强夯发展的趋势是能级不断增加，与之相配套的高性能专用强夯机的出现也是必然。高能级强夯有效加固深度大，可加固处理下伏深厚淤泥的山皮石回填地基、山区块石杂填地基、废弃采石场（含有大孤石）、垃圾填埋场等其他方法很难甚至无法处理的地基，对于提高地基土强度和均匀性，降低压缩性，消除湿陷性，改善其抵抗震（振）动液化的能力等具有明显的效果。

      目前，国内大型基础设施（机场、码头、高等级公路等）建设的发展和沿海城市填海造陆工程以及位于黄土区域内的西部大开发，都给强夯工程的大量设施创造了条件。同时，我国又有多项大型基础设施开工建设，“西部大开发”、“纵横通道”，“长三角”、“珠三角”和“环渤海”等经济区域的快速发展等都将带动大批基础设施建设项目，工程建设中的山区杂填地基、开山块石回填地基、炸山填海、吹沙填海、围海造地等工程也愈来愈多。

      强夯技术的应用，对于节约水泥、钢材，降低工程造价，净化人类生存环境等许多方面都有显著优点。多年工程实践表明，强夯技术的广泛应用有利于节约能源和环境保护，是一种绿色地基处理技术，其进一步应用必然使强夯这一经济、高效的地基处理技术为我国工程建设事业做出更大的贡献。

2.高能级强夯加固地基机理研究的方向

   强夯应用虽然广泛，但其作用仍陷于地基的一般性处理，满足一般的设计要求。今后一段时间，对强夯的研究应注意以下几个方面：

  ⒈ 强夯地基处理方案的选用原则

   地基与基础是紧密联系的，应一起考虑；地基与基础方案按天然地基→地基处理→桩基础的顺序选择，强夯法地基处理的选用一是考虑土层条件是否合适；二是考虑周边环境是否允许震动和噪声。

  ⒉强夯与强夯置换夯后变形计算的研究

   ⑴夯后土层压缩模量的取值（考虑填料、能级、击数、应力历史、工程经验等 ），修正系数的取值。

   ⑵强夯置换往往都是大粒径的填料，粗放型的施工方法，岩土变形参数难取，提出“置换墩+应力扩散”的计算方法。

   ⑶变形控制理论在强夯法地基处理设计中的应用。

⒊强夯能级对加固效果的影响

   ⑴强夯能级到底能达到多高受多方面因素的影响，如承载力的提高、变形的控制、经济性的比较。

   ⑵强夯能级与浅层地基承载力、深层地基承载力、有效加固深度的关系。

⒋强夯加固效果与地基土性质之间的关系

    ⑴强夯加固效果同地基土性质指标之间的关系；

    ⑵不同类型填土地基与强夯有效加固深度的关系；

    ⑶地基土含水量、塑性指数、液性指数与强夯加固后压缩性指标之间的关系；

    ⑷夯后进行平板载荷试验测定地基承载力，载荷板大小与土质的关系。

⒌强夯锤身形状对加固效果的影响

   ⑴国内夯锤几乎都是圆柱形，偶尔也见圆台形，上大、下小，上大、下小圆台形在成坑过程中对抗臂可能有侧向挤实作用，但也正由于存在侧向挤实，对坑底的作用能量可能有较大损失。国外强夯锤的锤身多成多边形，从四边、五边、六边到N边不等，少见圆柱形，国内对锤身形状的理论研究较少。

   ⑵目前，大多使用平底锤，随使用时间的增加，锤边磨损也越严重。

   ⑶夯锤通气孔的形状和气垫效应问题，只要通气孔的总面积与锤底面积达到一定比例值（0.09～0.12），在强夯过程中不会产生气垫效应，也不会二次喷土现象。

⒍强夯单位击实功，单位夯击能与强夯加固效果之间的关系

   ⑴单位夯击能。其意义为单位面积上所施加的总夯击能，单位夯击能的大小与地基土的类别有关，在相同条件下，细颗粒土的单位夯击能要比粗颗粒土适当大些。单位夯击能过小，难以达到预期效果；单位夯击能过大，浪费能源，对饱和度较高的黏性土来说，强度反而会降低。

   ⑵强夯单位击实功。提高强夯能级或提高夯击数可大大提高单位击实功，还可以增加单位夯击能；而缩小夯距，又进一步增加单位夯击能。

⒎强夯法地基处理中减振隔振的研究

   ⑴夯锤冲击地面，在土体中转化成很大的冲击力，冲击力大小的准确测定。

   ⑵夯锤冲击地面产生的振动到底有多大，如何进行减振隔振的设计，减小对周围环境的影响。

3.高能级强夯施工技术的综合应用

     单纯的一种地基处理方法已很难达到地基处理的设计和使用要求，地基处理向着复合型、综合性的处理方向发展 。强夯施工技术也在向着高能级的综合性应用的方向发展。

     ⒈强夯与强夯置换兼容施工技术的应用

     该强夯处理方法施工关键是：在施工工艺上，按强夯置换工艺进行，质量控制标准首先应满足《建筑地基处理技术规范》强夯置换的规定；同时，由于超高能级的影响深度大，使置换层以下的松散沉积层也得到了加固。

     ⒉高能级强夯联合疏桩劲网复合地基

     对含软弱下卧层、深度较大的松散回填碎石填土地基，高能级强夯处理的主要对象为浅层碎石填土地基，其下淤泥质软土层性质并没有太大改善，在上部荷载作用下会产生较大的不均匀沉降变形。疏桩劲网复合地基方案可充分利用浅层强夯地基和疏桩基础的承载力，协调两者变形，减小地基的不均匀沉降变形。

     ⒊超高能级处理低含水量湿陷性黄土

     工程中用干密度作为夯实的质量检验指标，对湿陷性黄土而言，干密度越大，湿陷性消除的效果越好。夯击功能是影响击实效果的重要因素，击实功能越大，得到的干密度越大，而相应的含水率越小，所以干密度和含水量都不是一个常数，而是随击实功能而变化。

     ⒋预成孔深层水下夯实法

     预成孔深层水下夯实法重要适用于地下水位高、回填深度大且承载力要求高的地基处理工程。首先，在地基土中预先成孔，直接穿透回填土层与下卧软土层；然后在孔内由下而上逐层回填并逐层夯击。对地基土产生挤密、冲击与振动夯实等多重效果。孔内采用粗颗粒材料形成良好的排水通道，软弱土层能够得到有效固结。孔内填料在夯击作用下形成散体桩，与加固后的桩间土共同分担上部结构荷载，形成散体桩复合地基。

                                        预成孔深层水下夯实法地基加固原理示意图

    ⒌预成孔填料置换强夯法

     预成孔填料置换平锤强夯法首先在地基土中预先成孔，直接穿透软弱土层至下卧硬层顶面或进入下卧硬层；然后在孔内回填块石、碎石、粗砂等材料形成松散墩体，松散墩体与下卧硬层良好接触；最后，对置换体根据深度大小，施加不同能级强夯，形成密实墩体，铺设垫层，形成复合地基。该方法解决了强夯法与强夯置换法存在的技术问题，实现置换墩体与下卧硬层良好接触，有效加固处理饱和黏性土、淤泥、淤泥质土、软弱夹层等类型的地基，可提高地基稳定性、地基承载力、减少（不均匀）沉降变形等。

    ⒍强夯与其他地基处理技术的联合应用

     在强夯处理地基的工程实践中，工程技术人员已经认识到有些场地单纯采用强夯效果不明显，将强夯与其他地基处理方法的联合应用是地基处理技术发展与创新的方向，有着很大的发展空间，例如：碎石桩与强夯结合、强夯与冲击碾结合、石灰桩与强夯结合等 。

4.强夯法关键技术与研究趋势

    近年来，国内强夯技术发展迅速，应用范围更为广泛，其关键技术主要集中在高能级的强夯技术研究和饱和软土复合地基的强夯技术研究。

    ⒈高能级强夯技术

    为了加固深厚地基，特别是山区非均匀块石回填地基和抛石填海地基。必须施加高能级强夯进行处理，这样对高能级的加固机理和强夯机具提出了新的技术要求。

    我国于1992年率先在三门峡火力发电厂采用8000KN.m强夯技术，用于消除黄土湿陷性。之后8000KN.m能级强夯技术在我国普遍采用，目前20000KN.m已成功通过试验和工程应用，并成为国内已经实施的最高能级强夯，其有效加固深度约在18～21米之间。《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012对12000KN.m以上强夯的有效加固深度没有明确，梅纳公式又显然不适宜。

    一般3000KN.m强夯为限。当强夯能量小于3000KN.m时，施工机具相对简单，国内常用的杭重机械HZQH3000c、宇通重工YTQH350B不必辅以龙门架，施工便捷，定位块、功效高。移动迅速；当强夯能级大于3000KN.m时，3000c与350B强夯机必须辅以门架才足以保证安全施工，因而机具移动、定位相对较慢，工效相对降低。

    当强夯能级要求大于10000KN.m时，目前施工单位常用的杭重3000c、宇通350B、宇通450B、杭重4000都难以承受，因此施工机具的制约是过高能级强夯技术发展的关键。目前国内也在加强这方面的研究。中化岩土CGE1800A型机、中化岩土CGE1800B型机、中化岩土CGE1800C型机、宇通重工YTQH650B、宇通重工YTQH800、宇通重工YTQH1000B、杭重机械HZQH5000、杭重机械HZQH7000B、抚挖重工FWXH2000等高能级强夯机已经研制出来并得到了广泛应用和逐步完善。

   ⒉饱和软土复合地基的强夯技术

   对于饱和淤泥质黏土或者淤泥质粉土、由于其含水量过高，黏粒含量多，粗颗粒含量少；渗透性差，直接采用强夯效果很差，甚至夯后地基承载力降低。那么决定饱和软土不适宜强夯的关键因素是什么？关键在于强夯过程中和强夯以后；饱和软土中超孔隙水压力不能消散，地下水不能排出，强夯所施加的能量根本不能改变土体结构，全部被超孔隙水压所抵消、甚至由此引起原有土体结构破坏，形成人们所称的“橡皮土”。为了提高在这类饱和软土中应用强夯的加固效果；首先，必须解决土中地下水的排出和超孔隙水压力消散的的问题，因此可以在饱和软土中打入挤密碎石柱桩、砂桩，使其在饱和软土中形成竖向排水通道，既有利于低水下的排出，又有利于超孔隙水压力的迅速消散；软土表面铺设一定厚度的粗颗粒，使土中排出的地下水有横向通道不致溢出地表造成施工困难，形成地表软化；竖向排水通道的形成起到了土体置换的作用；增加了粗颗粒含量，使本来不适宜强夯的软黏土成为适宜强夯的含粗颗粒土。一般工程经验证明，当粗颗粒含量大于30%时，地下水位适宜，可以采用强夯；当粗颗粒含量大于60%时，地下水位适宜；强夯效果特别理想。在强夯过程中，饱和软土既有竖向变形也有横向变形，因此砂柱、碎石桩的设计要避免被挤断从而失去排水作用；可以从桩径和排水井的柔软性两个方面考虑，使其适应地基土的变形，同时具有一定的刚度和强度。除挤密碎石桩、砂桩以外，常用的排水井形式还有袋装砂井、硬质纸板、聚氯乙烯多孔塑料板等。

     天津川府新村住宅小区及天津宜白路住宅小区的工程中有关饱和软土辅以砂井进行强夯加固处理的尝试，深圳福田开发区亦有局部饱和吹填软土辅以塑料插板进行小能量强夯的工程实践。目前我国沿海地区是建设项目的热土地区，如石化项目多数设置在沿海地区。而沿海地区多数为软土地基，一般处理这类软土地基的方法有直接采用桩基、挤密碎石桩、深层搅拌桩、粉喷桩及真空预压、堆载预压、塑料插板等，当地基处理面积很大时，上述处理方法的造价、工期将十分惊人，因此工程技术人员对软基处理新工艺的研究兴趣极为浓厚。饱和软土辅以砂桩、碎石桩或其他工艺进行强夯处理技术将是非常具有吸引力的研究课题，应用前景广阔。

     该技术既可改进原有直接采用桩基、挤密碎石桩、深层搅拌桩等造价过高，同时又可缩短材料购置、制作、打入周期，其主要方法有以下几种：

    ⑴挤密碎石桩加强夯。挤密碎石桩上部加固效果不如强夯，对于饱和软土，结合挤密碎石桩加上强夯，加固效果会非常显著。挤密碎石桩既可起侧挤密作用又可起竖向排水作用。另外，挤密碎石桩加强夯比单纯挤密碎石桩布桩可稀疏，工艺可简化，使该工艺的总费用与单纯挤密碎石桩方案相比基本持于或略高一点。经该工艺加固后可满足一般建筑、工业厂房、设备基础的承载和变形要求、中国建筑科学研究院地基所已将挤密碎石桩加强夯成功用于青海湖周边的盐澤土地基处理。

   ⑵砂桩加强夯。砂桩在饱和软土中只起竖向排水作用，因此其总体加密效果比挤密碎石桩加强夯效果要低些，一般可作为大面积厂区地基预处理方案。经过处理后可作为一般建筑、厂房、道路简单设备地基，对于高重设备则需通过验算，必要时还应辅以设计桩基。即便是采用部分桩基也比在饱和软土中直接采用桩基要经济的多，因此此时地基性状经处理后明显改善，桩侧阻力大大提高，消除了湿陷性，液化对桩基承载力的影响，再考虑桩与土共同作用，总体效果更好。

   ⑶真空/堆载预压加强夯。目前沿海地区采用真空或堆载预压处理软基的很多。该工艺相对直接采用桩基等方案造价低，但是周期很长，一般需要近一年甚至更长，且加固效果仅能达到80～100kPa。根据预压s﹣t 曲线分析发现一般情况下堆载预压沉降量在最初的3个月发生最多，约占30%～50%，如果工期要求特别紧迫，此前可在软基中设置袋装砂井，在地表铺设一定厚度的碎石土，既有利于形成横向排水通道，又便于施工机具行走，然后就可以采用小能量强夯加固硬壳层，消除软基的其余部分沉降。经这一综合工艺处理后，地基承载力可达到80～130kPa，一般可作为大面积厂区的建筑、厂房、道路、简单设备地基。其特点是比真空或堆载预压的袋装砂井间距调整来综合考虑成本。由于小能量强夯本身的价格很低，因此两项工艺综合使用的造价并未提高多少，而工期可大大缩短。

    ⑷强夯碎石墩。在沿海地区软基处理中，部分工程采用了强夯碎石墩工艺，如深圳机场工程。强夯碎石墩工艺是将普通强夯的夯锤平底面改造成尖锥形底面，直径缩小，将其吊起后砸入地基内，形成锥状夯坑，将夯锤拔出后向夯坑内填注碎石形成碎石墩，然后再次夯击，将碎石墩的碎石夯击挤入软土中，起到置换和加固效果。上海申元岩土工程有限公司设计的大连中远船厂地基处理项目，利用柱锤在软基上成功实施了强夯碎石墩地基，相比原来的PHC管桩和振冲碎石桩+平锤强夯方案分别节省了700多万元和1360万元，工期节省6个月。

     由此可以看出，辅以一定工艺后进行强夯处理是有效、经济地加固处理沿海（包括沿江、湖）地区饱和软土地基的重要研究课题，将会成为目前我国在该领域的重点内容，应用前景广阔。 

     在传统强夯工艺的基础上，强夯施工开始走向多元化。所谓多元化即对复杂场地进行地基加固时，单一处理方法很难达到设计要求或由于经济等条件受限，那么针对不同的地基土，综合其他加固机理和强夯机理各自的优势共同加固地基的一种复合处理形式。各种方法均有其使用范围和优缺点，强夯法通过与多种地基处理方法联合进行复杂场地的处理，具有明显的经济效益和可靠的技术质量效果。