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摘要：南水北调渠道工程经过一些湿陷黄土区，为满足渠道高填方质量要求，减少沉降，需对其进行处理，强夯法是高填方处理的有效技术。本文探讨了强夯法在高填方渠道施工中的作用机理，重点介绍了通过实验确定的施工参数和施工效果，证明了强夯能够有效控制高填方沉降。
关键词：强夯；高填方沉降；机理
一、地基沉降机理
粘性土地基的沉降S可認为是产生机理不同的三部分组成，如式S=Sd+Sc+Ss 。式中Sd为瞬时沉降(初始沉降)；Sc为固结沉降；Ss为次固结沉降(蠕变沉降)。
(1)瞬时沉降是指加载后地基瞬时发生的沉降。由于基础加载面积为有限尺寸，加载后地基中会有剪应变产生，特别是靠近基础边缘应力集中部位。对于饱和或接近饱和的粘性土，加载瞬间土中水来不及排除，在不排水和恒体积情况下，剪应变引起侧向变形而造成瞬时沉降。
(2)固结沉降是指饱和与接近饱和的粘性土在基础荷载作用下，随着超孔隙水压力的消散，土体骨架产生变形造成的沉降。固结沉降的速率取决于孔隙水的排出速率。
(3)次固结沉降指在主固结过程结束后，有效应力不变情况下，土体骨架仍随时间继续发生变形。这种变形速率已与孔隙水排出速率无关，而取决于土体骨架的蠕变性质。次固结沉降既包括剪应变，也包括体积变化。因此强夯过程是使土体达到超固结状态，通过冲击荷载的作用，待强夯施工完成后，土体不但完成了固结沉降，而且次固结沉降也基本完成，可以认为次固结沉降量为零。
二、强夯控制高填方沉降的加固机理
强夯法是应用物理学中的功能原理达到加固地基的目的。地基强夯后，夯击能量转化，同时拌随强制压缩或振密(包括气体排出，孔隙水压上升)；土体液化或土体结构的破坏(表现为土体强度降低或抗剪强度丧失)；排水固结压密(表现为渗透性能改变、土体裂隙发展，土体强度提高)；触变恢复并伴随固结压密(包括部分自由水变成薄膜水，土体强度继续提高)。强夯产生的夯击能并不全部用于地基加固，夯击能效率系数η=0.5～0.9，这种突然释放的巨大能量将转化为各种波型传到土体内，对土体起不同作用。
饱和土和非饱和土的强夯机理不同，当强夯用于非饱和土时，强夯对地基土的压密过程同试验室的击实试验类似，挤密振密效果明显；应用于饱和无粘性土时，土体可能会产生液化，压密过程同爆破和振动压密过程相似，挤密、振密效果也很明显；对饱和粘性土地基，在锤击作用下，夯击点附近地基土体结构破坏，一定范围内地基土体中将产生超孔隙水压力，随时间推移，超孔隙水压力消散，地基土体固结，孔隙比减小，土体强度提高；对特殊土的强夯机理，还应考虑土本身特征。
三、强夯结合碾压对沉降量的控制
南水北调中线工程常年输水，如渠道发生渗漏，湿陷性黄土遇水湿陷，渠基、渠坡就会沉降，渠道衬砌板就会断裂破坏，严重影响总干渠输水的经济性和安全性。因此，对总干渠经过的湿陷性黄土渠段进行处理十分必要。
（一）工程概况
南水北调中线干线某施工标段全长14km，为湿陷性黄土，地处倾斜平原，地形平坦开阔，地面高程86.26～92.07m。渠底高程85.21～84.95m，渠道设计底宽23.5m，边坡系数2.0，总干渠渠道横断面结构为半挖半填，填土高度大部分3m左右。需进行基础处理的湿陷性黄土渠段面积44万m2，采用强夯法处理。
（二）强夯加固地基加固影响深度一般公式：
H＝α
式中:H～加固影响深度；Q～锤质量t；h～落距m；α～修正系数其取值范围0.5～0.8；软土0.5 ，黄土0.34～5.0 。
对夯击遍数，通常为1～8遍，颗粒较粗的土其夯击遍数可少些，
颗粒较细的土，特别是淤泥质土夯击遍数则要求多些。相临夯击遍
数之间的间歇时间，主要是依据孔隙水压力消散时间，一旦孔隙水压
力消散即可进行新的夯击。软粘土，孔隙水压力消散时间随夯击能量增大而增长，一般间歇时间不能小于4周。砂性土尤其是渗透系数大的砂性土，消散时间在3～4min之间，因此可连续作业。
（三）试验参数确定
由于干渠沿线地质地貌起伏不均匀，干渠与排水沟、坑、塘交叉地段，土方回填量较大区域进行了强夯处理。为了南水北调中线干渠工程质量得到保障。在施工前根据现场地质条件和设计要求，选择强夯参数：
1、夯距选择
在竖向荷载作用下，土体发生冲剪破坏，土的内摩擦角为28.50，夯坑的平均沉降为1m，最佳夯距为2.5+2×1×cot28.50=6.18（m）
2、最佳夯击次数确定
在试夯过程中，对每一夯点的每一击的夯沉量进行测量，并绘出夯沉量与夯击数关系曲线，如图1（击次数与夯沉量关系曲线图）所示，据止夯条件可确定最佳夯击次数为8击。
图1 图2
3、强夯试验综合设计参数
强夯试验区布置如图2所示，试验区尺寸为24 m×24 m，处理深度为8 m，强夯试验设计参数见表1。
4、控制指标
要求在7度地震条件下，渠堤基础不产生液化，设计质量控制指标如下：砂壤土干密度≥16.5 kN／m3，砂层相对密度>O.7；标准贯入击数砂壤土≥12击；强夯处理深度为8.0 m。
（四）强夯加固效果分析
1、强夯处理对干密度的影响
强夯加固后的土层满足干密度不小于16.5 kN／m3、压实度达98％以上等技术要求。
图3强夯前后压缩模量对比图 图4 强夯前后标贯击数曲线图
2、强夯处理对压缩模量的影响
以夯前地面为基准面(夯后地面平均下沉1 m)，作出强夯区与非强夯区压缩模量曲线如图3所示。在6 m左右深度范围内，处理效果最为明显，最大处理深度为8 m左右。
表2 贯击数对比表
3、强夯处理对标贯击数的影响
从表2和图4可以得出：平均击数在I区提高了96.0％；在Ⅱ区提高了127.0％，表明地基承载力有了大幅提高。
4、强夯对湿陷性的处理效果
湿陷系数对比如图5所示：湿陷系数在各个地层都有大幅降低，并且小于规范临界值，说明湿陷性已消除，强夯处理满足技术要求。
图5湿陷系数对比圈
结束语
强夯加固地基基础，控制高填方沉降效果很好。强夯能以巨大的能量冲击地基，产生强烈的冲击波和动应力，由强夯产生冲击波的作用效果，在地基中形成三个作用区，即在地基表面形成松动区；在松动区下某一深度形成加固区；在加固区的下面是弹性区。因而强夯可使地基在浅层和深层都得到不同程度的加固，使强夯后的地基土层结构密实，达到强力加固地基基础的目的。
参考文献
[1]王文杰.南水北调中线工程湿陷性黄土段渠道基础强夯处理措施[J].中国水利,2011年22期.
[2]高秀芳,袁浩,宋慈勇.强夯技术在南水北调中线工程京石段渠道基础处理中的应用[J].水科学与工程技术,2010年5期.
作者简介：许艳，女（汉），工程师.主要从事水工设计和规划工作;张荣，男（汉），工程师.主要从事水工设计、水利规划及施工。
关键词：强夯；高填方沉降；机理
一、地基沉降机理
粘性土地基的沉降S可認为是产生机理不同的三部分组成，如式S=Sd+Sc+Ss 。式中Sd为瞬时沉降(初始沉降)；Sc为固结沉降；Ss为次固结沉降(蠕变沉降)。
(1)瞬时沉降是指加载后地基瞬时发生的沉降。由于基础加载面积为有限尺寸，加载后地基中会有剪应变产生，特别是靠近基础边缘应力集中部位。对于饱和或接近饱和的粘性土，加载瞬间土中水来不及排除，在不排水和恒体积情况下，剪应变引起侧向变形而造成瞬时沉降。
(2)固结沉降是指饱和与接近饱和的粘性土在基础荷载作用下，随着超孔隙水压力的消散，土体骨架产生变形造成的沉降。固结沉降的速率取决于孔隙水的排出速率。
(3)次固结沉降指在主固结过程结束后，有效应力不变情况下，土体骨架仍随时间继续发生变形。这种变形速率已与孔隙水排出速率无关，而取决于土体骨架的蠕变性质。次固结沉降既包括剪应变，也包括体积变化。因此强夯过程是使土体达到超固结状态，通过冲击荷载的作用，待强夯施工完成后，土体不但完成了固结沉降，而且次固结沉降也基本完成，可以认为次固结沉降量为零。
二、强夯控制高填方沉降的加固机理
强夯法是应用物理学中的功能原理达到加固地基的目的。地基强夯后，夯击能量转化，同时拌随强制压缩或振密(包括气体排出，孔隙水压上升)；土体液化或土体结构的破坏(表现为土体强度降低或抗剪强度丧失)；排水固结压密(表现为渗透性能改变、土体裂隙发展，土体强度提高)；触变恢复并伴随固结压密(包括部分自由水变成薄膜水，土体强度继续提高)。强夯产生的夯击能并不全部用于地基加固，夯击能效率系数η=0.5～0.9，这种突然释放的巨大能量将转化为各种波型传到土体内，对土体起不同作用。
饱和土和非饱和土的强夯机理不同，当强夯用于非饱和土时，强夯对地基土的压密过程同试验室的击实试验类似，挤密振密效果明显；应用于饱和无粘性土时，土体可能会产生液化，压密过程同爆破和振动压密过程相似，挤密、振密效果也很明显；对饱和粘性土地基，在锤击作用下，夯击点附近地基土体结构破坏，一定范围内地基土体中将产生超孔隙水压力，随时间推移，超孔隙水压力消散，地基土体固结，孔隙比减小，土体强度提高；对特殊土的强夯机理，还应考虑土本身特征。
三、强夯结合碾压对沉降量的控制
南水北调中线工程常年输水，如渠道发生渗漏，湿陷性黄土遇水湿陷，渠基、渠坡就会沉降，渠道衬砌板就会断裂破坏，严重影响总干渠输水的经济性和安全性。因此，对总干渠经过的湿陷性黄土渠段进行处理十分必要。
（一）工程概况
南水北调中线干线某施工标段全长14km，为湿陷性黄土，地处倾斜平原，地形平坦开阔，地面高程86.26～92.07m。渠底高程85.21～84.95m，渠道设计底宽23.5m，边坡系数2.0，总干渠渠道横断面结构为半挖半填，填土高度大部分3m左右。需进行基础处理的湿陷性黄土渠段面积44万m2，采用强夯法处理。
（二）强夯加固地基加固影响深度一般公式：
H＝α
式中:H～加固影响深度；Q～锤质量t；h～落距m；α～修正系数其取值范围0.5～0.8；软土0.5 ，黄土0.34～5.0 。
对夯击遍数，通常为1～8遍，颗粒较粗的土其夯击遍数可少些，
颗粒较细的土，特别是淤泥质土夯击遍数则要求多些。相临夯击遍
数之间的间歇时间，主要是依据孔隙水压力消散时间，一旦孔隙水压
力消散即可进行新的夯击。软粘土，孔隙水压力消散时间随夯击能量增大而增长，一般间歇时间不能小于4周。砂性土尤其是渗透系数大的砂性土，消散时间在3～4min之间，因此可连续作业。
（三）试验参数确定
由于干渠沿线地质地貌起伏不均匀，干渠与排水沟、坑、塘交叉地段，土方回填量较大区域进行了强夯处理。为了南水北调中线干渠工程质量得到保障。在施工前根据现场地质条件和设计要求，选择强夯参数：
1、夯距选择
在竖向荷载作用下，土体发生冲剪破坏，土的内摩擦角为28.50，夯坑的平均沉降为1m，最佳夯距为2.5+2×1×cot28.50=6.18（m）
2、最佳夯击次数确定
在试夯过程中，对每一夯点的每一击的夯沉量进行测量，并绘出夯沉量与夯击数关系曲线，如图1（击次数与夯沉量关系曲线图）所示，据止夯条件可确定最佳夯击次数为8击。
图1 图2
3、强夯试验综合设计参数
强夯试验区布置如图2所示，试验区尺寸为24 m×24 m，处理深度为8 m，强夯试验设计参数见表1。
4、控制指标
要求在7度地震条件下，渠堤基础不产生液化，设计质量控制指标如下：砂壤土干密度≥16.5 kN／m3，砂层相对密度>O.7；标准贯入击数砂壤土≥12击；强夯处理深度为8.0 m。
（四）强夯加固效果分析
1、强夯处理对干密度的影响
强夯加固后的土层满足干密度不小于16.5 kN／m3、压实度达98％以上等技术要求。
图3强夯前后压缩模量对比图 图4 强夯前后标贯击数曲线图
2、强夯处理对压缩模量的影响
以夯前地面为基准面(夯后地面平均下沉1 m)，作出强夯区与非强夯区压缩模量曲线如图3所示。在6 m左右深度范围内，处理效果最为明显，最大处理深度为8 m左右。
表2 贯击数对比表
3、强夯处理对标贯击数的影响
从表2和图4可以得出：平均击数在I区提高了96.0％；在Ⅱ区提高了127.0％，表明地基承载力有了大幅提高。
4、强夯对湿陷性的处理效果
湿陷系数对比如图5所示：湿陷系数在各个地层都有大幅降低，并且小于规范临界值，说明湿陷性已消除，强夯处理满足技术要求。
图5湿陷系数对比圈
结束语
强夯加固地基基础，控制高填方沉降效果很好。强夯能以巨大的能量冲击地基，产生强烈的冲击波和动应力，由强夯产生冲击波的作用效果，在地基中形成三个作用区，即在地基表面形成松动区；在松动区下某一深度形成加固区；在加固区的下面是弹性区。因而强夯可使地基在浅层和深层都得到不同程度的加固，使强夯后的地基土层结构密实，达到强力加固地基基础的目的。
参考文献
[1]王文杰.南水北调中线工程湿陷性黄土段渠道基础强夯处理措施[J].中国水利,2011年22期.
[2]高秀芳,袁浩,宋慈勇.强夯技术在南水北调中线工程京石段渠道基础处理中的应用[J].水科学与工程技术,2010年5期.
作者简介：许艳，女（汉），工程师.主要从事水工设计和规划工作;张荣，男（汉），工程师.主要从事水工设计、水利规划及施工。