强夯法加固地基夯锤锤径的选择

强夯法加固地基夯锤锤径的选择

摘要：强夯法是一种经济高效的地基处理方法，关于其加固深度的计算方法有多种，其中由天津大学王成华提出的等效拟静力法有较多优点，如利用该种方法可以推到出最优锤径，计算出的最优锤径可供机械选型时参考。

关键词：强夯法；等效拟静力法；加固深度；最优锤径

Abstract: the dynamic compaction method is an economic and efficient foundation treatment method, about their reinforcement of the depth of a variety of calculation method, which put forward by tianjin university of WangChengHua equivalent pseudo static method has more advantages, such as using the method can push to the optimal hammer diameter, calculate the optimal size of hammer type selection for mechanical reference.

Keywords: dynamic compaction method; Equivalent pseudo static method; Reinforcement depth; The optimum diameter hammer

1 强夯法及其发展

强夯法是一种经济高效的地基处理方法。这种方法是将很重的锤（一般为100～400KN，最高可达2000KN）吊到8～25m高处（最高可达40m），而后自由落下，其动能在土体中转化成很大的冲击波和高应力，从而提高地基土的强度，降低其压缩性，消除湿陷性，改善其抵抗振（震）动液化的能力等。同时，强夯法还可以提高土层的均匀性，减少工后差异沉降。

强夯法是1969年法国Menard技术公司首创的一项崭新的地基加固方法，其首次使用是在法国纳普尔海滨一住宅建筑项目上试验成功后，迅速在全世界各国推广。

1978年11月至1979年初，我国交通部一航局科研所等单位，在天津新港13号公路首次进行强夯法试验研究。1979年8～9月又在秦皇岛码头堆煤场的细砂地基进行试验，效果显著，正式采用强夯法加固该煤场地基。中国建筑科学研究院等单位，于1979年4月在河北廊坊进行强夯法试验，处理可液化砂土与粉土，并于6月正式进行工程施工。由于强夯法施工简单、快速、经济，在我国发展迅速，在《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）中，强夯法是地基处理技术之一，说明这项新技术已经成熟，目前已经成为我国最为常用和经济的地基处理方法之一。

2 强夯加固深度的确定

2.1 加固深度的定义及影响因素

在强夯法中,土体的加固深度是进行结构基础设计的主要依据，强夯法加固地基的加固深度为：从最初起夯面（夯前地面整平标高）算起，不完全工程设计需要的地基土，经强夯法加固后，以某种方法测试的土的强度、变形等指标，均满足了设计要求的深度。

我国《建筑地基处理技术规范》 JGJ7922002认为,夯锤重、落距、锤底单位压力、地基土的性质、不同土层的厚度和埋藏顺序以及地下水等都与加固深度有着密切的关系。除此之外，强夯机具的工作效率、强夯施加的总夯击能、夯锤的形状、锤径以及夯点的布置等因素对加固深度的影响也是显而易见的。

2.2 加固深度的判定方法

鉴于强夯法加固深度问题的复杂性，国内外许多学者和工程技术人员都致力于此问题的研究，常见的判定方法有一下一些：

1) Menard系数法

2) 系数修正法

3) 经验公式法

4) 量纲分析法

5) 能量守恒方法

在能量守恒法中，天津大学王成华[3]根据强夯时土体塑性变形对加固地基有效地事实，按塑性能量守恒，采用等效拟静力法估算加固深度。该方法认为总能量中真正使土体加固的能量为土体产生的塑性不可恢复变形所需之能量，由此导出等效拟静力法的计算有效加固深度：

(2.1)

(2.2)

式中 －地下水位埋深；

－分别为水上土的天然重度和水下土的有效重力密度。

2.3 等效拟静力法的基本思路

天津大学王成华于1991年提出的等效拟静力法，可初步考虑较多的影响因素，公式中各参数可由常规试验实测或设计选用，简便实用。且在若干工程实例的估算结果表明该方法具有可行性。该法认为强夯加固效果的实质是土体产生不可恢复的塑性变形；加固机理可以高度概括为将夯锤的重力势能转化为土体的塑性变形能。强夯使地基产生很大的竖向压缩和侧向挤动，锤外地面隆起、开裂。这一事实表明：若将夯击力视为静荷载，从引起等效塑性沉降角度来看，其等效拟静力至少达到或超过地基的极限荷载。可以认为拟静压力与相应的塑性沉降之积为实用与加固土体的塑性变形能。将夯锤式为浅基础，夯击力视为拟静压力，则为夯点下2倍锤径或边长深度内附加应力水平较高，其加固效果最佳，此深度以下效果较弱。近似假定：强夯静压力引起的拟静附加应力达到自重应力0.2倍深度以内，土体才产生塑性变形，此深度即为强夯地基的加固深度。

根据上述思路推导出等效拟静压力为：

（2.3）

式中： —地基的变形模量，kPa；

μ—的泊松比；

D—夯锤的直径或边长，m；

ω—沉降系数，对圆形锤为0.79；对方形锤为0.89；

k—模量系数，由表2.1选取，按较软的土取大值，较硬的土取小值的原则确定；

η—效率系数，取0.67；

C—锤形常数，当夯锤为圆形锤时C= ；当夯锤为方形锤时C=ω=0.89。

将等效拟静压力带入式（2.1）或式（2.2）即可求出强夯法处理地基的加固深度。对成层土地基的 值可按土层厚度取加权平均值；

表2.1土的模量系数经验值

土的类别 淤泥、淤泥质粘土淤泥质粉质粘土 一般粘性土、松散的粉砂及细砂 黄

土、湿陷性黄土 松散的卵石及碎石土 稍密至中密的砂土、渣土、冶金渣 冲填土杂填土、素填土等 较硬的粘性土、老粘土 较密的砂土、卵石碎石土

模量系数 k

3 夯锤锤径的选择

为确定夯锤尺寸（D）对强夯加固地基加固深度的影响情况，选取如表3.1所示的计算参数，计算不同锤径下的加固深度如图3-1。

表3.1计算参数表

变形模量E0(MPa) 天然重度r(KN/m3) 泊松比u 模量系数k QH(100J) 效率系数ŋ

夯击能量

10 17 0.3 0.17 2000 0.67

图3-1加固深度与锤径的关系

由图3-1可知，在土质、夯击能量等条件一定的情况下，锤底尺寸D小，加固深度小；增大尺寸可以提高加固深度，但不宜过大，过大深度反而会有所下降，在加固深度与锤径的函数关系曲线上，有且只有一个最大值，在实际工程中可以将其看作是最佳锤径。

对于等效拟静压力和强夯加固深度公式中的各个参数，如仅把锤径看作是变量，可以推导出加固深度达到峰值时夯锤锤径的表达式，推导过程如下：

令 ，则式（2.3）变为

（2.3a）

把式（2.3a）带入式（2.1）得：

（2.1a）

式（2.10a）对D求导得：

（3.1）

令式（3.1）等于零得：

（3.2）

求解式（3.2）得：

（3.3）

对于本例，但采用圆形锤时有：

根据图2-5可知，曲线的最大值在2.4m-2.5m之间，所以两者可以相互验证，在实际工程中可以根据现有机具，先确定夯击能，然后利用式（3.3）来计算最佳锤径，给最终夯锤的选择提供参考。

4 结语

1、因为强夯施工的震动过大，在绝大部分城市建设中已不再广泛使用，但是其操作简单，成本低，在许多远离市区的郊区及野外作业施工中仍有很大的利用空间；

2、利用等效拟静力法可以推导出最优锤径，可供施工前的施工准备；

3、等效拟静力法中考虑了方锤和圆锤两种锤形，经计算在同样的条件下，方锤计算出的加固深度较圆形锤计算出的结果大，但考虑圆形夯锤任意轴对称的特点，圆形夯锤实际操作中加固效果会好于方形锤，实际施工中也基本上都采用圆形锤。

参考文献

[1] 左名麒，朱树森. 强夯法地基加固. 北京：中国铁道出版社，1990

[2] 建筑地基处理技术规范，JGJ79-2002，北京：中国建筑工业出版社，2002

[3] 顾哓鲁,刘惠珊,汪时敏等. 地基与基础（第三版）[M] . 北京: 中国建筑工业出版

社,2003.

[4] 徐至钧、张亦农. 强夯和强夯置换法加固地基，北京：机械工业出版社，2004

[5] 王成华. 强夯加固深度估算的等效拟静力法，第六届全国土力学及基础工程学术会议论文集，1991年，上海

[6] 王成华.强夯地基加固深度估算方法述评,地基处理，1991,2(1):20-24

[7] 刘海冲. 罐与强夯地基影响深度的研究，勘察技术，1993，（3）：19-22

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。