海口火车站站房地基强夯施工技术

强夯法又称动力固结法，是用起重机械将大吨位重锤（一般为10~40t,国外曾有过锤重200t的报道）起吊到6~40m高度后，自由下落，给地基土以强大的冲击能量的夯击，使土中出现很大的冲击应力，土体产生瞬间变形，迫使土层孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂缝，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结，从而提高地基承载力，降低其压缩性的一种有效的地基加固方法。

早在1957年，英格兰的道路研究所就曾运用普罗克特（Proctov）击实原理进行过深层土体的压实处理，但直到1970年前后，强夯法才在法国工程师路易斯·梅纳（Louis·Mēnard）的开发和倡导下，真正大规模地应用于深层土体的加固处理中。强夯法最初仅用于加固圆锥探头阻力qs低于10MN/m²的砂和碎石层，随着施工机械和施工工艺水平的提高，施工实践证明，强夯法也适用于粘性土、杂填土、湿陷性黄土等软土地基，它不仅能提高地基的承载力，减少构筑物的沉降，而且可以改善地基抗振动液化的能力和消除地基土的湿陷性。目前，强夯法已广泛应用于国内外的机场跑道、高速公路、工业及民用建筑等项目的地基处理工程中，取得了显著的经济效益。

（一）        工程地基概况

海口站站房位于海口市西北部滨海新区，本地区地震基本烈度为8度，抗震设防类别为丙类。原有海滩场地平坦，为冲积沙滩，距海岸线直线距离不足1公里。根据地质勘测报告该场地自上而下各土层的名称及物理力学性能指标见表1-1。

海口站站房分为四座二层高的独立功能楼区、分别为售票、候车、办公、行包四部分，其间以连廊及单层附属房屋相互联通。总长259.2m,总宽190.5m，占地面积11531m²,建筑面积20519 m²。原海岸滩地面标高约为▽2.00m，考虑到站台墙顶标高与站房室外广场的关系，所以站房室外标高设计定为▽4.74m，即在原海岸滩上回填土约2.7m高。工程中选用了当地的砾砂质粘土做为土料进行辗压回填，填土区南北长300m，东西宽200 m，达60000 m²。

根据表1-1及调查当地的水文气候情况可知，本工程场地土类型属中软场地土，地下水稳定水位埋深为0.82~3.48m，且受大气降水影响明显，地基的下卧砂层严重液化。

（二）        地基处理方案的确定

设计单位设计的基础方案为：对于四座二层高的主楼采用PHC管桩，对于单层附属房屋及连廊采用天然地基柱下独立基础。

通过对分层回填，机械辗压的粘土的检测表明，经过机械辗压，粘土的压缩系数已达0.9~0.92，但其孔隙比仍达0.75，压缩模量仅为13.2Mpa，不能满足设计的要求。且该地区属地震高度设防区，而该场地土的名称及主要物理力学性能指标       

表1-1

建筑又属于重要的公共建筑，必须考虑下卧基层土质液化对房屋抗震性能的影响。由于强夯法具有改善地基液化及提高地基承载力的作用，故设计单位决定采用强夯法对地基进行进一步的加固处理。设计要求经强夯处理后：

1．独立基础部分深度3.0m内地基承载力标准值f _k≥200kP_a,压缩模量Es≥15MP_a。这主要是利用强夯法来提高天然地基的承载力和减少沉降量。

2．强夯范围内地面下8m深度内的②层中粗砂由原严重液化处理至轻微液化。这主要是利用强夯法来消除和减轻地基液化潜势地震时对PHC管桩的剪切破坏作用。另一方面，通过强夯法加固的天然地基与PHC管桩形成复合基础后，从而可减少PHC管桩的有效桩长，降低造价。

（三）        强夯法施工要点。

1．强夯法施工的主体是地基，各个工程项目的地质情况千差万别、具唯一性，在强夯参数的选择时，应依据本工程的实际地质情况及规范的经验取值初步确定强夯参数，通过试夯时的综合检测手段，对各项参数进行判定或调查。因此说，强夯法施工属于动态信息化的施工方式。

2.进场后施工前，必须对所需强夯处理的场区实施动力触探检测，其目的在于确认勘察报告所揭露的地质情况，检验施工方案所确定的工艺参数的适用性，在每遍夯击结束后，也要实施动力触探自检，以检验夯击效果，视检测情况进行必要的工艺调态。施工结束后，要对所经强夯处理的场区进行综合检测判定，为竣工报告提供可靠的数据。原则上每遍动力触探检测孔约为20个。

3.对强夯参数的选择尽量避免因超过临界夯击能使土的宏观结构破坏并产生明显的水平位移，进而影响土体的整体强度。这需要在试夯过程中加强监测，及时调整。

4．因受夯击能量影响，土中孔隙水压力将有一个平缓的消散过程。因此，每遍夯击结束后，必须留有一定间隔时间，以确保土中孔隙水压力能按改变后的纹流形式得以逐步消散。此间歇时间称为技术间歇期。

5.在本工程独立基础地基加固区域，根据场地地质条件、结合设计院的技术要求，采用强夯桩式置换法，在柱位下面的每遍夯坑内回填级配3：1的碎石加砂并夯实，形成散体材料桩与周围土体组成的复合地基。桩式置换法既具备散体材料桩的加筋、挤密、置换、排水特性，又具有强夯加固动力固结效应。因而可大幅度提高地基承载力，减少地基变形。

（四）        强夯参数的确定

1.单击夯击能

本工程要求的地基有效加固深度达8.0m，由《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）推荐的依据土类和单击夯击能分类的有效加固深度表可知，当单击夯击能为3000KN·m时，砂土类地基的有效加固深度约为7.0~8.0m，故先初定单击夯击能为3000KN·m。根据试验表明，在相同单击夯击能的条件下，重锤低落距较轻锤高落距加固效果更好。因此在起吊能力许可情况下，宜采用较重的夯锤。结合当地的机械起吊能力和强夯设备情况，选取夯锤重W=17.2吨、落距H=17.5m，实际单击夯击能为：

WH=301000 KN·m

由Mēnard公式D=K√WH/10（K——影响深度折减系数，对于砂土类规范建议取值K=0.5）可计算出理论有效加固深度：D=8.67m

2．最佳夯击能

强夯时，空气被排出，土体压缩，孔隙水压上升，由于孔隙水的消散需要时间，故强夯时引起的孔隙水压可叠加。理论上最佳夯击能是有效影响深度底层孔隙水叠加至上覆土压力时的累积夯击能，应根据现场实试孔压决定，但因现场缺乏测量孔压的设备，本工程采用以下方法确定最佳夯击能：

记录试夯时夯坑内土体竖向压缩量和夯击次数，当每击的夯击量出现由大→小→大的拐点时，说明此时夯坑底部地基土已发生侧向挤出破坏，开始产生较大的侧向变形了，则这时的夯击总量即为最佳夯击能。

试夯中确定此值为8击/点，此时最后一击的夯沉量为5~7cm，在实际施工中即以此作为最佳夯击能的最后控制值。

3．夯击遍数的确定

夯击遍数国内一般为2~3遍，本工程采用三遍，即两遍点夯，一遍满夯。第一、二遍目的是处理深层；第三遍为低能量满夯，目的主要是处理表面土层尤其是夯坑之间的空隙。第三遍取落距5.8m，每点连续二击，下一夯与前一夯痕互错1/3夯。由Mênard公式可计算出满夯的有效影响深度：

D=K√WH/10 =0.5√172KN×5.8m/10 =4.99m

为改善深层处的处理效果，点夯宜采用较大的夯点间距，以免夯击时在浅层形成密实层而影响夯击能往深层传递。本工程经三遍夯击后，夯击面总下沉量达900cm。

4．间歇时间

相临两遍夯击的间歇时间应根据孔隙水压力消散的情况而定。因本工程地表面层为含水量较低的夹砾砂粉质粘土。下卧层为透水性强的中粗砂层，故可在前一遍夯完后，将土推平，接着随即连续夯击，不需要间歇。实际施工中，因是分区流水施工，实际间歇时间为2~3d。

（五）        强夯法施工流程

1．施工流程

2. 设备组织

①．50t覆带式吊机二台

②．17.2t夯锤二个

③．自动脱钩装置两套

④．轻型动力触探仪两套

⑤．水平仪、经纬仪等测量设备

3．质量安全保障措施

①．派员认真做好施工记录，真实反映每个夯点的施工情况。

②．检测工作严格按国家规范进行，自检结果及时反馈到施工工艺参数变更之中。

③．及时排除夯坑及场区内积水。

④．机械设备由专人负责，及时维修保养，保持良好的工作状态。

⑤．施工机械由具有上岗证的熟练工操作。设专职安全防护员，严守安全施工准则。

⑥．候车楼区（即1区B段）强夯场地与基本站台的站台墙相距较近，为减轻强夯冲击波对站台墙的影响，在强夯场地至站台墙之间开挖一条防震沟，沟深至地表下2.0m左右，宽1.2m。

（六）        强夯效果的检测和评价

为了检验强夯的加固及处理液化效果，强夯后7d检测单位对强夯区域进行了平板载荷试验，土工取样试验，标准贯入实验、重型（Ⅱ）动力触探实验。

1．检测方法

①．平板载荷试验

现场采用707×707mm²压板，慢速维持荷载法，千斤顶分九级加荷，压板埋置深度在设计基础底版下约0.10m，在荷载板上对称安置四个百分表观察地基土沉降量及各级荷载相对稳定情况。静载点主要布置于独立基础部分场地，共进行10个检测点载荷试验，以评价夯后地基的承载力。

②．土工取样试验

现场使用XY-1型工程钻机，采用φ110钻具开孔，在9m深度范围内进行取芯钻进。在钻孔中采用重锤击入法采取原状土样送试验室进行土工试验。取样主要在填土中进行，测试指标主要有地基土的压缩模量、天然含水量、孔隙比，抗剪强度及浅层土的渗透系数等指标。取土样孔主要布置于独立基础部分。

③．标准贯入试验

现场使用XY—1型工程钻机，采用标准贯入器、穿心锤重63.5kg，自由落距76cm，标贯试验的试验间距为1.0m，整个场地内均有布置，以评价夯前、夯后地基土承载力等力学指标，并判断水下砂土的液化情况。

④．重型（Ⅱ）动力触探试验

现成使用XY-1型工程钻孔，采用重型动力触探头，穿心锤重63.5kg，自由落距76cm，整个场地内均有布置。在夯前、夯后布置6个和12个检测点以评价地基土均匀性，并评价填土的承载力。

2．检测评价

①．          独立基础部分承载力及压缩模量的评价。

试验结果采用静载试验、标准贯入试验、土工试验、动力触探试验等成果综合评价各检测点的检测指标。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）第12.2.1条~第12.2.4条，评价岩土参数的标准值时按式f_k=ﻻ·f_m进行计算。

式ﻻ——统计修正系数

f_m——岩土参数的平均值

评价正常使用极限状态计算所需要的岩土参数宜采用平均值，本工程中压缩模量Es按平均值选用。

独立基础部分地基加固检测成果评价表        表1-2

由上表表明，经强夯处理后的地基承载力和压缩模量满足设计院提出的要求。

②．          饱和砂土的液化判别。

对场地内所有地下水位以下的标贯试验点进行液化判别。判别标准按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第4.3.4条，按下式进行计算判别：

Ncr=N_o[0.9+0.1（ds-dw）]√3/Pc

根据试验结果统计，可判定本次检测场地8.0m深度范围内饱和砂土经强夯处理后除一个试验点处理至轻微液化，其余点已全部消除液化影响，处理效果达到设计要求。

3．沉降观测

本工程的强夯施工于2002年3月完成，经施工后一年的定期测定表明，沉降基本稳定。

（七）        几点体会

1．影响强夯有效加固深度的因素很多，除了夯击能量外，还同土的阻尼性质、夯锤的形状、锤底的单位压力、土层孔隙中存在的气体和空气，不同土层的埋藏条件，地下水位状况、夯击次数等不同有关，因此，目前还没有任何一种计算方法可精确地计算出各种不同地质条件下的强夯影响深度。强夯法的有效加固深度应根据当地经验并经现场试夯确定，试夯及试夯检验是强夯施工中确定夯击能量、夯击次数、夯击遍数及间歇时间的关键工序。

2．由于在相同的夯击能下，底面较小的夯锤其有效影响深度较深。针对我国施工机械起吊能力一般较小的现状，采用铸铁夯锤可在不加大起吊重量与起吊高度的条件下，提高夯击效果与增大加固深度。应优先选用铸铁夯锤，在条件所限的情况下，可在钢壳内填充混凝土制成夯锤。此外，夯锤形状的合理与否，在一定程度上也会影响夯击效果。由于夯锤在起吊时会发生旋转，因此采用圆形夯锤才能保证前后几次夯击的夯坑重合。

3．对于可液化地基，目前较常用的处理方式有振冲碎石桩及强夯法。振冲碎石桩于20世纪50年代末至60年代初已被用于粘性土地基的加固。但振冲法施工不仅耗水量大，夯填大量的碎石等散体材料，而且要排放出大量的污泥浆污染环境。相比之下，强夯法具有施工机械设备简便、节约材料、工期较短，对周围环境污染小，造价较低等优势。但强夯法因对邻近的建筑物和设备基础有振动影响，具有巨大的施工噪音，因此只宜在空旷地区采用。