地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性。

　　1强夯法简介

　　强夯法在国际上称为动力压实法或称动力固结法，这种方法是反复将夯锤提到高处使其自由落下，给地基以冲击和振动能量，将地基士夯实，从而提高地基的承载力，降低其压缩性，改善地基性能。

　　强夯是法国梅那（Menard）技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，国际上称动力压实法或动力固结法。它通过一般8～30t的重锤(最重可达200t)和8～20m的落距(最高可达40m)，反复对地基土施加很大的冲击能，一般能量为1000～8000kN·m。在地基土中所产生的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。

　　第一个工程是用于处理滨海填土地基，该场地表层为新近填筑的约9m厚的碎石填土，其下是12m厚疏松的砂质粉士。场地上要求建造20栋8层居住建筑。由于碎石填土是新近填筑的，如采用桩基，负摩擦力将占单桩承载力的60%～70%，十分不经济。经研究采用堆载预压法处理地基，堆土高度5m，历时3个月，只沉降200mm。最后改用强夯法处理，单位夯击能为1200kN·m/m2，只夯击一遍，整个场地平均夯沉量达500mm。建造的8层居住建筑竣工后，其平均沉降仅为13mm。强夯法由于具有加固效果显著、适用土类广、设备简单、施工方便、节省劳力、施工期短、节约材料、施工文明和施工费用低等优点，很快就传播到世界各地。

　　我国于1978年开始先后在天津新港、河北廊坊、山西白羊墅、河北秦皇岛等地进行强夯法的试验研究和工程实践，取得了较好的加固效果，接着强夯法迅速在全国各地推广应用。

　　强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。经过处理后的地基既提高了地基土的强度、又降低其压缩性，同时还能改善其抗振动液化的能力，所以这种处理方法还常用于处理可液化砂土地基等。

　　我国沿海地区人口稠密，人均耕地面积甚少，随着改革开放的不断深化，沿海地区建设规模迅速扩大，建设用地紧缺，若大量占用农田，必将严重影响农业生产。要解决此矛盾，惟一出路是向海要地，即“填海造地”。目前国内“填海造地”常采用开山填海的方法，即将开山所得的石块抛入海中堆积而成，但由此堆填起来的场地不仅非常疏松，而且极不均匀，如不作处理，就不能作为建设场地。采用常用方法处理这种地基不仅造价昂贵，而且效果差。因此，填海地基的处理就成为沿海地区建设中的难题。20世纪80年代中国建筑科学研究院和石化北京设计院等采用强夯法处理填海地基建造重要工业建筑获得成功，并在沿海地区推广应用，为我国广大沿海地区进行大规模“填海造地”工程提供了经济有效的地基处理方法和经验，并解决了建设与农业争地问题，具有重大的经济效益和社会效益。

　　对于工业废渣来说，采用强夯法处理的效果也是理想的。我国冶金、化学和电力等工业排放大量废渣，堆积如山，不仅占用大量土地，而日造成环境污染。工程实践证明，将质地坚硬、性能稳定和无侵蚀性的工业废渣作为地基或填料，采用强夯法处理，能取得较好的效果，从而解决了长期存在的废渣占地和环境污染问题，同时还为废渣利用开辟了新的途径。

　　必须指出，对饱和度较高的粉土和黏性土地基，一般来说，强夯法处理效果不显著，应慎用。

　　至今采用强夯法处理地基的工程范围是很广的，有各类工业与民用建筑、油罐、仓库、储仓、飞机场跑道、铁路和公路路基及码头堆场等。

　　我国引人强夯法至今20多年来已进行了上千项工程的强夯施工，工程数量之多，居世界第一。实践证明，绝大多数工程采用强夯法处理地基均获得了成功，不仅处理效果明显，而且取得了显著的经济效益和社会效益。总之，强夯法在某种程度上比其他处理方法应用得更为广泛，更为有效和更为经济，已成为我国最常用的地基处理方法之一。

　　强夯法施工中的振动和噪声会对环境造成一定的影响。对振动有特殊要求的建筑物，或精密仪器设备等，当强夯振动有可能对其产生有害影响时，应采取隔振或防振措施。

　　2加固原理

　　强夯法处理地基是利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基密实。这种由冲击引起的振动在土中是以波的形式向地下传播的。这种振动波可分为体波和面波两大类。体波包括压缩波和剪切波，面波如瑞利波、乐夫波等。

　　如果将地基视为弹性半空间体，则夯锤自由下落过程，也就是势能转换为功能的过程，即随夯锤下落，势能越来越小，动能越来越大，在落到地面以前的瞬间，势能的极大部分都转换成功能，夯锤夯击地面时，这部分功能除一部分以声波形式向四周传播，一部分由于夯锤和土体摩擦而变成热能外，其余的大部分冲击功能则使土体产生自由振动，并以压缩波(亦称纵波、P波)、剪切波(横波、S波)和瑞利波(表面波、R波)的波体系联合在地基内传播，在地基中产生一个波场。

　　根据Miller等(1955)的研究，以上三种波占总输入能量的百分比分别为R波占67.3%，S波占25.8%，P波占6.9%。

　　关于士中弹性波的研究，国内外不少学者作了较为系统的论述，这些研究均认为P波和S波在强夯过程中起夯实加固作用，且认为P波的作用是最重要的。

　　2.1加固非饱和土的原理

　　采用强夯法加固非饱和士是基于动力压密的概念，即用冲击型动力荷载，使士体中的孔隙体积减小，土体变得更为密实，从而提高其强度。非饱和土的固相是由大小不等的颗粒组成，按其粒径大小可分为砂粒、粉粒和黏粒。砂料(粒径为O.074～2mm)的形状可能是圆的（河砂），也可能是棱角的(山砂)；粉粒(粒径为O.005～0.074mm)则大部分是由石英和结晶硅酸盐细屑组成，它们的形状接近球形；非饱和士类中的黏粒(粒径小于0.005mm)含量不大于20%。在士体形成的漫长历史年代中，由于各种非常复杂的风化过程，各种士颗粒的表面通常包裹着一层矿物和有机物的多种新化合物或胶体物质的凝胶，使土颗粒形成一定大小的团粒，这种团粒具有相对的水稳定性和一定的强度。而土颗粒周围的孔隙被空气和液体(例如水)所充满，即土体是由固相、液相和气相三部分组成。在压缩波能量的作用下，土颗粒互相靠拢，因为气相的压缩性比固相和液相的压缩性大得多，所以气体部分首先被排出，颗粒进行重新排列，由天然的紊乱状态进人稳定状态，孔隙大为减小。就是这种体积变化和塑性变化使土体在外荷作用下达到新的稳定状态。当然，在波动能量作用下，土颗粒和其间的液体也受力而可能变形，但这些变形相对颗粒间的移动、孔隙减少来说是较小的，这样我们可以认为对非饱和土的夯实变形主要是由于颗粒的相对位移而引起。因此亦可以说，非饱和士的夯实过程，就是土中的气相被挤出的过程。

　　2.2加固饱和土的原理

　　传统的固结理论认为，饱和软土在快速加荷条件下，由于孔隙水无法瞬时排出，所以是不可压缩的，因此用一个充满不可压缩液体的圆筒，一个用弹簧支取着活塞和供排出孔隙水的小孔所组成的模型来表示。梅那则根据饱和士在强夯后瞬时能产生数十厘米的压缩这一事实，提出了新的模型，这两种模型的不同点如图2所示。

　　图1重锤夯击在弹性半空间地基中产生的波场

　　根据梅那提出的模式，饱和土强夯加固的机理可概述为：

　　(1)渗透系数随时间变化

　　在强夯过程中，土体有效应力的变化十分显著，且主要为垂直应力的变化，由垂直向总应力保持不变，超孔隙水压力逐渐增长且不能迅速消散，则有效应力减小，因此在强夯饱和土地基中产生很大的拉应力。水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝，使孔隙水从裂缝中排出，土体的渗透系数增大，加速土体的固结，当土中的超孔隙水压力很快消散，水平拉应力小于周围压力时，这些裂缝又复闭合士体的渗透性又减小。

　　此外，由于饱和土中仍含有1%～4%的封闭气体和溶解在液相中的气体，当落锤反复开夯击土层表面时，在地基中产生极大冲击能，形成很大的动应力，同时在夯锤下落过程中会和夯坑土壁发生摩擦，土颗粒在移动过程中也会摩擦生热，即部分冲击能转化成热能。这些热量传人饱和土中后，就会使封闭气泡移动，而且加速可溶性气体从土中释放出来。由于饱和土体中的气相体积增加，吸收夯击功能后具有较大的活性，这些气体就能从土面逸出，使土体积进一步减少，并且又可减少孔隙水移动时的阻力，增大了土体的渗透性能，加速土体固结。

　　(2)饱和土的可压缩性

　　对于理论上的二相饱和土，由于水的压缩系数β=5x10-4MPa-1，土颗粒本身的压缩性更小，约为6x10-4MPa-1。因此当土中水未排出时，可以认为饱和土是不可压缩的。但对于含有微量气体的水则不然，如无气水的压缩系数为β0，水在压力p时的含气量为x，此时的压缩系数为β，则二者之间的关系为：

　　假定p=1以及x=1%(即含气量为1%)，则此含气水的压缩系数β=0.100495MPa-1。也就是说含气量为1%的水的压缩系数比无气水的压缩系数要增大200倍左右，即水的压缩性要增大200倍。因此含有少量气体的饱和土是具有一定的可压缩性的。在强夯能量的作用下，气体体积先压缩，部分封闭气泡被排出，孔隙水压增大，随后气体有所膨胀，孔隙水排出，超孔隙水压力减少。在此过程中，土中的固相体积是不变的，这样每夯一遍液相体积就减小，气相体积也减少，也就是说在重锤的夯击作用下会瞬时发生有效的压缩变形。

　　(3)饱和土的局部液化

　　在夯锤反复作用下，饱和土中将引起很大的超孔隙水压力致使土中有效应力减小，当土中某点的超孔隙水压力等于上覆的土压力(对于饱和粉细砂)或等于上覆土压力加上土的黏聚力(对于粉土、粉质黏土)时，土中的有效应力完全消失，土的抗剪强度降为零，土颗粒将处于悬浮状态达到局部液化。当液化度达到100%，土体的结构破坏，渗透系数大大增加，处于很大水力梯度作用下的孔隙水迅速排出，加速了饱和土体的固结。

　　3设计

　　强夯法已在工程中得到广泛的应用。有关强夯机理的研究，虽然国内外巳做了不少工作，但至今未取得满意的结果。其主要原因是各类地基土的性质差别很大，看来很难建立适用于各类士的强夯加固理论。有必要按不同土类分别研究强夯机理及其相应的设计计算方法。

　　由于目前强夯法尚无成熟的设计计算方法，主要设计参数如有效加固深度、夯击能、开击次数、夯击遍数、间隔时间、夯击点布置和处理范围等都是根据规范或工程经验初步选定，其中有些参数还应通过试夯或试验性施工进行验证，并经必要的修改调整，最后确定适合现场土质条件的设计参数。

　　3.1强夯法的主要设计参数

　　(1)有效加固深度

　　强夯地基的加固深度常用有效加固深度来表示，对强夯处理地基设计来说，主要是根据工程要求的加固深度和加固后要求达到的主要技术指标来确定有效加固深度，所以有效加固深度是选择强夯施工采用的夯击能的主要依据，也是反映处理效果的重要参数。

　　强夯法创始人梅那(Menard)提出了用下列公式来估算影响深度H：

　　式中M——夯锤重（t）；

　　H——落距（m）。

　　从上述梅那公式中可以看出，其影响深度仅与夯锤重与落距有关，而实际上影响有效加固深度的因素很多，除了夯锤重和落距以外，夯击次数、锤底单位压力、地基土性质、不同土层的厚度和埋藏顺序以及地下水位等都与加固深度有着密切的关系。

　　《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012规定，强夯法的有效加固深度应根据现场试夯或地区经验确定。在缺少试验资料或经验时，可按表6.3.3-1进行预估。

　　表6．3．3-1强夯的有效加固深度（m）

　　注：强夯法的有效加固深度应从最初起夯面算起；单击夯击能E大于12000kN·m时，强夯的有效加固深度应通过试验确定。

　　(2)夯击能

　　夯击能分为单击夯击能和单位夯击能。

　　1)单击夯击能

　　单击夯击能(即夯锤重和落距的乘积)一般根据工程要求的加固深度来确定。我国初期采用的单击夯击能大多为l00OkN·m，随着起重机械工业的发展，目前采用的最大单击能为15000kN·m，国际上曾经采用的最大单击能为50000kN•m，设计加固深度达40m。

　　2)单位夯击能

　　单位夯击能指施工场地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，在相同条件细颗粒土的单位夯击能要比粗颗粒土适当大些。此外，结构类型、荷载大小和要求处理的深度也是选择单位夯击能的重要因素。单位夯击能过小，难于达到预期加固效果，单位夯击能过大，不仅浪费能源，对饱和黏性土来说，强度反而会降低。根据目前我国工程实践，在一般情况下，对于粗颗粒土单位夯击能可取1000～3000kN•m/m2，细颗粒土为1500～4000kN•m/m2。

　　(3)夯击次数

　　夯点的夯击次数是强夯设计中的一个重要参数。夯击次数一般通过现场试夯确定，常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定的原则。目前常通过现场试夯得到的夯击次数与夯沉量的关系曲线确定。

　　对于碎石土、砂土、低饱和度的湿陷性黄土和填土等地基，夯击时夯坑周围往往没有隆起或虽有隆起但其量很小，在这种情况下，应尽量增多夯击次数，以减少夯击遍数。但对于饱和度较高的黏性土地基，随着夯击次数的增加，土的孔隙体积因压缩而逐渐减小，但因这类土的渗透性较差，故孔隙水压力将逐渐增长，并促使夯坑下的地基土产生较大的侧向挤出，而引起夯坑周围地面的明显隆起，此时如继续夯击，并不能使地基土得到有效的夯实，而造成浪费。

　　目前，在工程实践中，除了按现场试弄得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定夯击次数外，同时要满足最后两击的平均夯沉量不大于下列数值：当单击夯击能小于4000kN•m时为50mm；当单击夯击能为4000～6000kN•m时为100mm；当单击夯击能大于6000kN•m时为200mm。除此之外，夯坑周围地面不应发生过大的隆起。还要考虑施工方便，不能因夯坑过深而发生起锤困难的情况。

　　(4)夯击遍数

　　夯击遍数应根据地基土的性质确定。一般来说，由粗颗粒土组成的渗透性强的地基，夯击遍数可少些。反之，由细颗粒土组成的渗透性低的地基，夯击遍数要求多些。

　　根据我国工程实践，对于大多数工程，采用点夯遍数2～3遍，最后再以低能量满夯2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击锤印搭接。对于渗透性弱的细颗粒土地基，必要时夯击遍数可适当增加。

　　(5)间隔时间

　　两遍夯击之间应有一定的时间间隔，以利于土中超静孔隙水压力的消散。所以间隔时间取决于超孔隙水压力的消散时间。但土中超孔隙水压力的消散速率与土的类别、夯点间距等因素有关。对于渗透性好的砂土地基等，一般在数小时内即可消散完。但对渗透性差的黏性土地基，一般需要数周才能消散完。