回填土地基的强夯加固机理与承载力综合检测技术研究

李福德

（沧州水利勘测规划设计院有限公司，河北 沧州）

引言

强夯法是建筑工程领域内一种切实可行的施工方法，建设用地（就是用来建造构筑物、开发工程的土地资源）作为现代工业和服务业的主要载体，只有足够的、规范的建设用地，才能为社会和经济可持续发展提供支撑条件。

现阶段，强夯施工法是处理回填土地基和软弱地基的主要方法之一，在山区地区采用强夯法处理地基土，不仅经济而且安全[1]。强夯加固地基的方法很简单，但是在深入工程领域的研究中发现，相关此方法的加固机理研究还处在半经验、半理论阶段，而且强夯法施工前的机械安装操作比较麻烦。此项施工技术可以用于处理各种低、矮建筑的回填土地基，而且强夯加固的效果很好[2]。相比其他回填夯实施工技术，强夯技术的施工速度快、工作效率高，适合大范围的作业施工。

强夯施工对周围的建筑物会造成一定的影响，但是其对环境的污染很小，所以，相关此项技术的研究受到了很多学者的关注[3]。然而，现阶段针对碎石土回填区地基处理的相关研究还很缺乏，而且各种地基加固方法又各有所长，为实现强夯施工技术在工程领域内的全面推广，本文将对此展开如下所示的研究，以确保其在工程中应用的安全性和稳定性。

1 回填土地基的强夯加固机理

1.1 强夯加固中的振动波理论

在深入此方面内容的研究中发现，回填土地基在强夯加固时，主要利用强夯过程中重锤下落到地基时所产生的动能，当动能释放到地基土中时，动能在土体中将以“波”的形式传播，此时，土体之间由于存在缝隙，使得颗粒之间产生滑动，滑动后土体之间的排列呈现更加紧密的趋势，适当的振动可以减少土体的沉降，以此提高土体的强度[4]。

“土”可以被看作是一种无限大的弹性介质，当夯击的重锤与地面发生碰撞时，会引起地面土层强烈的振动，除了声场的传播和与土壤的摩擦所产生的热能外，其余的振动能量会以波动的方式，从夯坑逐步向下传输。此过程产生的振动波可以被分为两种，分别为“面波”与“体波”，前者又被称之为R 波，只能在地层（土层）表面传播，后者的传播过程可以被分为剪切波（又被称之为S 波）、纵波（P 波）[5]。强夯过程中，重锤发生夯击行为，此时地基中产生的所有波可以用图1 表示。

图1 强夯过程中重锤发生夯击行为产生的所有波

R 波在地基层传播的过程又被称之为瑞雷波，通常情况下，瑞雷波携带的能量较大，在基底上传播，但对基底的振动密实度几乎没有影响[6]。最终，仅占总能的1/3的波经振动作用于土，也就是纵、横波作用于土。由于纵波的波速要大于横向的波速，因此，纵波先对土体结构产生影响，然后沿着液相运动，导致孔隙水压力增加，土体骨架被破坏，此时，横向波带着更大的能量抵达，使土颗粒重新排列为更密实的状态[7]。

在部分碎石地基上，有可能会有大块石头掉进填埋场，也有可能会有建筑废料被扔进填埋场，当填埋场的降雨较多或地基的地下水过多时，会产生不均匀的土层分层现象[8]。波在穿过一个土层时可能会有部分能量发生反射，即波在土层中并不是以直线状态传输的，其中一部分会被反射回来，而另外一部分则会到达其他土层，此过程见图2。

图2 波在分层地基中波的传输

1.2 碎石土地基的强夯设计

目前，强夯施工技术在工程领域内的应用较多，部分工程在施工强夯施工时，重锤的夯击能甚至已经达到了1.2×104kN·m，根据现有的理论与大量的实践，提出如图3 所示的强夯设计与步骤。

图3 强夯设计与步骤

当夯锤从高空坠落时，其强大的动能将导致土体破裂，并伴随着压力与波动的共同作用，使得土体内部的水分与气体不断被抽离，孔隙不断缩小，颗粒间的结构发生了重新组合。为确保此方面工作的规范性，将土体的密度作为参照，按照下述公式，计算强夯前、强夯后作业区域的土体干密度。

式中：γd1代表强夯前作业区域的土体干密度；γd代表强夯后作业区域的土体干密度；ms代表土体中的颗粒总量；g 代表夯击过程中的重力加速度。Vi代表夯击次数为i 时土体体积；R 代表强夯锤的半径；hi代表夯击次数为i 时强夯锤的下降高度。根据上述公式，可以计算得到夯击次数为i 时，对应土体的干重度提升率，计算公式如下

2 承载力综合检测技术

2.1 检测装置设计

采用平板载荷方法对回填土地基进行承载力综合检测，这种检测技术是采用一块钢板，在初始荷载作用下，在初始荷载作用下逐级递增，从而引起地基变形。通过对房屋基础工作状态的仿真，得到了基础的承载能力和变形模量，并对加固效果进行了评估。通过加载系统、反力系统、量测系统三者之间的相互配合，实现了整个检测过程。加载系统是由承压板和液压千斤顶两部分构成的，其中，液压千斤顶可以施加载荷，并通过反力系统将压力作用在承压板上，从而使其模拟基础承受荷载。反力系统可以通过堆载或地锚来提供反力。在施工现场，一般都是用强夯机来代替堆载，在强夯施工结束之后，强夯机处于闲置状态。由于强夯机体型大、重量足、移动方便等优点，很适合用作移动的堆载装置。还可以通过这种方法来节省制作堆载所需要的时间，从而提高了检测效率。测量仪是将沉降数据以可视化的方式反馈给记录员，以方便记录员记录和分析，其主要由百分表、托架、水平仪等构成。检测过程中所需装置理论如图4 所示。

图4 检测过程中所需装置理论

2.2 加载与检测数据分析

在检测的过程中可以采用边长为1.5 m 的刚性方形承压板，根据规定，最大加载量不应小于设计要求的2.5 倍，因此其最大的加载量可以设置为400 kPa。同时，加载分级不应当小于八级，加载的方式为缓速进行。在检测的过程中可以设置不同加载分级条件，可从80 kPa逐渐增加到400 kPa。在每一次加载之后，应当按照时间间隔为10 min 或15 min 的要求完成沉降量的记录。在检测的2 h 以内，每小时的沉降量都应小于或等于0.1，此时说明沉降已经达到了相对稳定的状态。在这一状态下，可以进一步施加下一级荷载。若在检测的过程中出现了以下几种情况，则需要立即停止加载。

第一，承压板周围的土体发生显著的横向挤压，周边的土体产生显著的隆起或开裂，并不断扩大。

第二，在目前荷载下，沉降值是上一次荷载下沉降值的5 倍以上，P-S 曲线呈陡峭的下降趋势。

第三，对于某一级别的荷载，24 h 的沉降率仍未达到一个稳定值。

第四，在不同的荷载作用下，土体的整体沉降占承压板的比例超过了0.06。

在完成加载操作后，按逐级方式卸载，记录回弹量，并在卸载至0 kPa 时，进行回弹观察，等待3 h，记录每30 min 的回弹量。地基承载能力的特征量是由加载试验得出的基坑土体在直线形变范围内的特定变形量与基坑承载能力的特征量，该特征量的最大值即为该特征量。在P-S 曲线的拐点处，相应的载荷值为成比例极限压力。在决定该地基的承载力的时候，同一土层的试验数据不能低于3 组，当各检测点的承载力的极差低于各点承载力平均值的30%时，那么平均值就是这个土层的承载力特征值的平均值。假设土体的变形模量为，其计算公式如下

对表1 中数据分析，结合工程现场实际情况，将强夯设计划分为两个分区。共设置10 个平板载荷检测点。结合上述公式进一步分析，在土质条件、施工条件和环境条件均不变的情况下，随着压力系数的不断增加，与其相对应的沉降量呈现出明显的增加趋势，并且在每一个区域内都存在拐点。拐点一般出现在300 kPa～400 kPa 范围内。对地基整体10 个点位而言，该回填土地基土层承载力检测得到的极差为80 kPa，承载力的平均值为270 kPa，符合地基设计需求值。

表1 依托工程平板载荷检测15 个点位检测结果

结束语

随着城市经济的发展，城镇化建设的步伐越来越快，建设土地资源越来越紧张，如何解决土地资源稀缺等问题，成为了工程管理部分、建设单位的关注重点。部分地区山地类资源较多，由于此类地区的地质陡峭，且存在大量斜坡，可供工程的建设用地较为宝贵，为最大限度地发挥土地资源价值，保证当地居民与工业发展的正常生产需要，部分建设工程项目开始向丘陵地区发展。此类地区多为陡峭、交通不便之地，为使这类土地能满足工程建设的需求，一般采用建筑废弃物将山地挖空后直接回填，通过此种方式，使土地得以重新使用。但由于早期的回填施工技术操作不规范，导致了碎石土的粒度极不均匀。而路基的稳定性直接关系或影响着人民的生命和财产，如果未能及时、有效、科学地处理路基，将会影响到社会的稳定发展。

为解决此方面问题，本文开展了此次研究，通过本文研究，明确了强夯施工技术的工程中应用的可行性，为实现对与之方面工作在实施中进一步深化，在后续的研究中，将以某具体工程项目为实例，结合工程概况与施工具体要求，设计工程的强夯加固施工技术，以此种方式，带动强夯施工技术在工程领域内的推广使用。