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高能级强夯的发展如火如荼，从1991年中国化学工程重型机械化公司开发出比较成熟完善的8000kN·m能级强夯装置并在1992年率先在三门峡火电厂成功使用到2003年国内首次成功进行的10000kN·m高能级强夯试验，12年的时间见证了强夯人的努力。 本文主要就2003年的10000kN·m能级强夯试验进行介绍论述，这是国内首次成功进行的10000kN·m的高能级强夯试验研究，为10000kN·m的地基处理设计提供参数和对施工组织设计与检测提供了可靠依据。 关于强夯的未来发展，身为强夯人的你都有什么样的意见和建议，欢迎大家在评论区讨论、强夯网论坛发帖或者向我们联系投稿。
某项目占地面积360536m2，场地主要有低山残丘和山前冲积平原两个地貌单元组成，场地北部、东部为低山残丘地貌，中部、南部为山前冲积平原地貌。区内最大标高54.9m，最低标高2.0m，地形起伏较大，当爆破挖填达到13.0m的设计标高时，最大填土厚度为11~14m，且填方区冲击平原地貌浅层的人工填土层、耕植土层、海陆交互相沉积层等软土层厚度达5.0m以上，当清去表层耕植土和淤泥质土后，填方区需要加固处理的最大厚度达17m。不同深度夹有较多大块开山石，最大粒径在50cm以上，个别达1.2~2.0m。
 10000kN·m试验区通过夯前和夯后探验揭露，地层分布见图1： 场地地下水为第四层系孔隙水和基岩裂缝水，孔隙水主要分布于地势较低的山坳、山前冲洪积层和海陆交互相沉积层，砂土层为主要含水层，富水性中等，基岩裂缝水性较弱。地下水位埋深0~4.20m，地下水来源主要为大气降水和含水层间侧向补给，地下水环境属Ⅱ类。场地地下水对混凝土无腐蚀作用，对钢结构有弱腐蚀作用。
地基处理设计要求见表1。
（1）试验区面积20m×20m，进行单点夯试验，主夯击能为10000kN·m。
（2）10000kN·m能级第一遍、第二遍夯点间距10m×10m，正方形布置，停夯标准为最后2击的平均夯沉量不大于10cm，夯击次数约为16击；然后采用3000kN·m能级强夯一遍，停夯标准为最后2击的平均夯沉量不大于5cm，夯击次数8击左右，3000kN·m夯点布置是在第一、二遍相邻两个主夯点中间插点，其中第一、二遍夯点亦是3000kN·m夯点；满夯1000kN·m，夯击次数2击，要求夯印彼此搭接1/3，夯点布置图见图2： （3）小区单点夯与遍夯相结合，跟踪监测。 （4）夯坑周围不应有明显或过大隆起。
测放试验区位置→地面测量→施放10000kN·m点夯位置→10000kN·m点夯开始→夯坑填平→测放10000kN·m一遍夯点位置→10000kN·m一遍夯→推平场地（夯坑填料）→间歇消散、地面测量→测放10000kN·m二遍夯夯点→10000kN·m二遍夯→推平场地（夯坑填料）→间歇消散、地面测量→3000kN·m夯→推平场地（夯坑填料）→间歇消散、地面测量→夯后地面测量→夯后检测。
本次系列试验对10000kN·m进行了较为详尽的监测和检测，同时也对3000kN·m，6000kN·m和8000kN·m进行了满足工程需要的监测和检测，具体项目见表2： 单点夯试验
选1个试夯点（夯点号C5），采用夯击能为10000kN·m，进行了沉降量及孔压观测： 夯沉量观测 10000kN·m试夯点（夯点号C5）每击夯沉量及其他夯点的累计夯沉量见表3： 夯沉量与夯击击数关系曲线见图3： 
从表3和图3看出，各工艺的施工过程正常，基本符合夯击理论规律，夯沉量是第一击最大，而后随着夯击数的增加而减小并逐渐趋于一定值，曲线拐点明显。由于夯击能较大，表层土体的含砂石量增多，含水量较低，在夯击过程中，夯坑坑壁坍塌现象严重，10000kN·m能级主夯的累计夯沉量在2.44~3.37m之间，具体结果见表3。
夯坑周边地面变形。 单点夯进行中每夯一击测夯沉量，同时对夯坑周边进行地面凹陷与隆起的变化测量工作，在10000kN·m强夯夯击过程中未发生隆起。 从单点夯观测结果看，按试验要求提出的停夯标准要求最后2击的平均夯沉量不大于10cm，则10000kN·m夯击能下每个夯点最佳夯击击数为14~16击。夯坑宽度超过两倍夯锤直径，达到5.8m。夯坑周围出现大量裂缝，裂缝范围达夯坑周边外5.9m，裂缝宽度最大达6.9cm。 从图4可清楚看出夯击过程中隆起不大。
 对比图4中3000kN·m和10000kN·m周边地表的变形图，可以看出在相似地质条件下，低能级（3000kN·m）的夯击会造成地表的隆起变形，降低了夯击效率；高能级（10000kN·m）夯击过程中未发生隆起，夯击能量的利用率很高，有效夯实系数较大，夯坑下沉体积是低能级的3倍，夯坑深度是低能级的2倍。
（1）孔隙水压力检测结果
10000kN·m试验区埋设2组孔隙水压力观测孔，编号分别为K1、K2。2组孔隙水位置距夯点C5的距离分别为10m、12m。孔隙水压力测头埋设位置及相应土层见图5。 孔隙水压力测点与夯击点顺序和距离见表4，所测的孔压增量表明，在强大的夯击作用下，孔压迅速增高，增长幅度随夯点间距增加而减小。增长幅度随夯点间距增加而减小。因此，从孔压增量与夯点距离的变化能够反映出夯击能的影响半径。图6表示距离10m处的C5夯点夯击时K1组测点不同深度（10.3m和11.8m）处孔隙水压力增量△u随夯击击数的变化图。总的来说，孔压增量随夯击击数的增加而增加，在3击之后，增长趋势逐渐变缓。
图7所示为距离K2组孔压测点12.0m的C5夯点夯击时三个不同深度（9.3m、10.3m、11.8m）处孔压增量和击数的关系图。
图8为不同距离的不同夯点在10000kN·m夯击能的作用下，孔隙水压力增量随夯击击数、深度变化的代表性曲线。图中代号D2-4.4m 表示D2夯点从1~15击夯击时，距离D2夯点4.4m处的K2组3个深度（9.3m、10.3m和11.8m）的孔压变化情况。虽个别击数的孔压数据紊乱，但孔隙水压力增量曲线的变化趋势是明显的：
1）在同一击数下，距离夯点越近，孔压的增量越大。 2）从孔压曲线几乎平行增长可以看出，孔隙水压力增量随夯击击数的增加，不同深度孔压测头所测得的孔隙水压力增量也逐渐增大。 强夯过程中试验区共填料1270m3，所以与强夯前相比，平均整个填高了近3.2m。强夯施工前和满夯后对试验区进行了地形方格网测量，见图9（a）。图9（b）为3000kN·m的地形标高图，以与图9（a）对比，每遍夯的平均地面高程如表5。
由表5可以看出，满夯完成后的地面平均标高与夯前相比，又降低了0.207m，换句话说，2遍主夯、1遍加固夯和满夯的强夯施工使试验区场地填土压密，地表下沉了3.4m左右。
整个强夯试验区夯前布置标贯孔3个，编号为T1、T2、T3；夯后布置标贯孔3个，编号为H1、H2、H3，其中H1布置在夯点上，H2、H3布置在夯间上，根据夯前、夯后标贯值绘出了标贯击数对比曲线，详见图10，夯前、夯后各土层平均标贯值和承载力特征值见表6。 从上述对比表和标贯对比曲线图可以看出：第一层素填土、第二层和第三层粉土夯后标贯击数提高较明显，而第四层粉质黏土略有提高。为进一步表示强夯加固的程度和深度，图11为10000kN·m能级强夯前后标贯击数增量图。
各能级下△N63.5平均值的拟合曲线对比见图12：
10000kN·m试验区在强夯前后各进行了3组标贯试验，从图上分析，HT3孔的有效加固深度为12m，由于场地条件所限，14.5~15.5m以下为强风化砂砾岩，HT1和HT2孔的加固深度已达到了砂砾岩层表明，故由3个孔的六次试验数据和图13的标贯增量拟合曲线分析，10000kN·m的有效加固深度达15m。
强夯的夯击能使土体产生动力固结，被夯实土体颗粒间失去原有结构，重新排列成具有干密度较大、孔隙比较小、饱和度增高的强夯地基土。本次试验采用钻探取样，经室内土工试验或得了夯后土的物理力学指标。加固前后主要土层物理力学指标对比见表7。
由表7可以看出，各层土的物理力学指标如含水量、孔隙比、液性指数及压缩系数均有所降级，抗剪强度指标及土的重度均有所提高。强夯前后分别进行了7组固结试验，粉土和粉质黏土典型的试验结果如图13图14所示：
粉土层的压缩系数平均降低了20.9%，压缩模量平均提高了17.5%；粉质黏土层的压缩系数平均降低了10%，压缩模量平均提高了10.9%。这两层土压缩模量的提高对减少油罐基础的工后沉降和差异沉降大有裨益。 强夯前后分别进行了12组剪切试验，粉土典型的试验结果如图15所示：
粉土黏土典型的试验结果如图16所示。
粉土抗剪指标的提高幅度远大于粉质黏土，究其原因，应是在强夯高能量作用下粉土层的细粒料冲填与填土层的粗粒料形成的孔隙中，在两层交接处得到了密度较高、力学特性较好的混合层。
共进行了19组荷载试验，其中2.5m×2.5m板的荷载试验装置示意图见图17。大面积施工区的10个载荷试验均布置在夯间，变形模量的计算采用式（1-2）计算。
E0=0.886×（1-μ2）·PD/S （1-2） 结合对炸山回填碎石土的工程经验，取其泊松比μ=0.224。利用载荷试验确定的强夯土地基承载力特征值和变形模量值见表8。
其中，10000kN·m试验区满夯后布置了两个载荷试验点Z1、Z2。承载板面积为1.5m×1.5m，试验的p-s曲线见图18：
由图18看出，p-s曲线为直线（缓降）型，最大加载量虽然达到了设计承载力要求的两倍，但没有达到极限荷载。所得承载力试验结果只能代表了该地基处理后满足了工程设计要求，而不是地基真实的承载力特征值。
在检测工作开展之前，先进行了检波器的一致性试验，试验结果见图19和图20。从图中可见，检波器的一致性很好，稳定性好，符合测试要求。现场检测中采用的参数为：道间距1m，偏移距5~25m，采样间隔为0.25ms，记录长度为512~1024ms，小锤重18磅，大锤重400kg。每排列12道，一个排列计算一个面波检测点野外共采集55张原始记录。 根据瑞雷波的测试结果，可绘制瑞雷波速等值线图，进一步换算为剪切波速等值线图，标贯击数N63.5等值线图等。通过相关地区大量的对比试验，总结出如下经验公式：
整个强夯试验区夯前、夯后共完成8个面波监测点的对比，设置了2条面波检测测线，每一条测线检测两个测点，其频散图见图19和图20：
各检测点试夯前、后的面波计算结果见表9： 从频散曲线看，各计算点频散曲线形状相似性较好，偏离度较小，曲线拐点较为明显。图19为试夯前各测点的频散曲线，各测点均显示了在15.0m左右有一明显拐点，结合钻孔资料，此拐点即为风化岩的层顶深度。图20为试夯后各测点的频散曲线。 从表9可以看出：夯后回填土的剪切波速度较夯前平均提高了26.3%，承载力特征值平均为275kPa，较夯前平均提高了89.1%，提高幅度较大，说明采用强夯法处理本地基加固效果明显。
（1）检测场地与时机的选择
因夯实场地（已夯完第一遍，未夯第二遍）与自由场地（原始场地）相比，密实度较大，波速较高，振动的传播影响也较大，又因为夯实场地的强夯能量（进行第二遍夯时）远比第三遍加固夯和第四遍满夯的能量大，故在夯实场地进行第二遍强夯时布点测试其加速度的传播特性，以分析强夯对此类场地周边环境的影响。 （2）强夯施工概况及监测布点 本次强夯监测共布设2条测线共计14个测点，两条测线平行分布，间距10m，监测点等距分布，间距20m，从距震源（强夯点）40m起测，一直监测到160m。加速度测试点见图2：测试点的单击夯沉量和累计夯沉量与击数的关系见图3：
（3）本次夯击监测共记录14个点的3分量数据，共计52个系列数据，现场记录的典型的加速度波形见图21。
其他波形除幅值不同外，其波形基本相似。每一测点的加速度均分为径向（测点与夯击点连线方向相同）、切向（测点与夯击点连线方向垂直且平行于水平面）和垂直向三个方向，加速度数据见表10和表11。
本次试验经过对测得的距夯点不同距离处的最大加速度和速度值与地震烈度表的规定对比，推算按地震烈度VⅠ度评定，则水平向影响距离约100m，距离越远，影响则越小。另外，根据测试情况看，强夯振动的第一周期幅值较大，而后急剧衰减，一般在1~2s左右衰减完毕。
本文摘自《新编全国重大工程项目地基处理工程实录》
作者： 水伟厚 王铁宏 冯迪 康立生 姚明辉 王亚凌 |
