石灰桩加固地基.doc

3 石灰搅拌桩和桩间土的复合地基效应
    生石灰加固软弱地基后，石灰搅拌和未加固部分地基土形成复合地基，复合地基的强度包含搅拌桩桩体的强度和桩周土粘聚力增长后的强度，石灰搅拌桩和四周地基相比具有更高的抗剪强度。和生石灰搅拌桩邻接的桩周土，由于拌合时产生的高温暖凝聚反响形成厚度达数厘米的高度硬壳，此层硬层的存在影响了石灰搅拌桩的吸水和排水，尤其是后期排水，但在施工期内此层硬壳尚未形成，排水功效是可以施展的。从对一些工程的天然土和单桩复合地基荷载实验中，创造石灰搅拌桩复合地基的加荷后稳固时间较天然土基为短，也就证实了石灰搅拌桩的排水固结功效。
    石灰搅拌桩和桩间土的复合地基抗剪强度可用下式盘算摘要：
    τˊ= （1-dˊs）Cˊ dˊsτp （1）
    式中摘要：τˊ ——复合地基抗剪强度，KPa；
    τˊP ——石灰搅拌桩的抗剪强度，KPa；
    dˊs ——消化和凝硬反响结束后石灰搅拌桩加固率（面积比）
    dˊs =（1.5-1.8）ds （2）
    ds ——石灰搅拌桩置换率（面积比）
    ds = πd2/4l2 （3）
    d ——石灰搅拌桩直径，d=50cm；
    l ——石灰搅拌桩间中心距，cm；
    Cˊ ——石灰搅拌桩加固后地基土的粘聚力，KPa；
    Cˊ=Co＋dΔP， （4）
    式中摘要：Co ——原地基土的粘聚力，KPa；
    d ——经石灰搅拌桩处理后的强度增长系数，d= 0.1-0.4；
    ΔP ——有效压缩荷载，它是固硬朗验曲线中和加固后孔隙比e’对应的压缩荷载P’和固结屈服应力Pc之差。
    石灰搅拌加固后的地基，桩体强度高于桩间土。因此，在工程结构荷载和车辆荷载功效下，土体被压缩，承载力重要靠桩体承担。由于土相对于桩有向下滑动的趋向，桩面对桩周土产生一向上的摩擦阻力，故靠近桩周土的压力值为向下的施工荷载值和向上的摩擦力两部分之和。因此，靠近桩边的土遭遇的压力最小，桩间地基土应力降低，而石灰搅拌桩桩体产生应力集中现象，根据基础底面桩和桩间土上埋没的土压力盒测定成果，得出桩体和桩间土的荷载应力分担比n＝P/S=3-15（为石灰搅拌承担的应力，为桩间土承担的应力）。在用石灰搅拌桩加固公路软基时，一般采用n=3～5较合适。
    石灰搅拌桩加固公路软基的容许沉降量S用下式盘算摘要：
    S=ΔH-ΔS （5）
    式中摘要：ΔH ——加固前的地基土最终沉降量，cm；
    ΔS ——石灰搅拌桩在垂直方向产生的固结沉降，cm；
    ΔS=HC*Δe/（1 e0） （6）
    式中摘要：HC ——石灰搅拌桩的加固深度；
    Δe ——孔隙比的降低值；
    Δe=e0-eˊ =GS*ΔH/100 （7）
    式中摘要：e0 ——原地基的初始孔隙比；
    e ——地基加固后孔隙比；
    Δw ——由式（s）求出的含水量降低值；
    GS ——土颗粒比重。
    据材料介绍某一路堤地基用深层搅拌石灰桩处理软土地基，该地基由高敏锐度的粉质软粘土构成，厚度6-12m，抗剪强度10KPa，含水量60％，经室内实验表明，用制备的石灰加固试样测试其抗剪强度，在10d后增长到50KPa，三个月后测试强度增长到100KPa，在实验路堤4m高的下面，石灰搅拌桩的设计间距为1.0-1.2m，桩长10m.经现场测试的沉降曲线表明，用石灰搅拌桩加固的地基沉降减少了大约60％，其沉降量为20-25m，设计盘算值和实测值吻合较好。
    4 生石灰剂量对石灰搅拌桩强度的影响
    图2表现不同的生石灰剂量对各种土的单轴抗压强度的影响。在同一生石灰含量的条件下，不同的土类具有明显不同的抗压强度，根据室内实验表明摘要：（1）当生石灰含量在6％- 18％的领域内变更时，石灰搅拌桩仍保持本来土壤的特征；（2）不同土性的石灰粉渗入量各有最佳渗人量区间，大于或小于这一区间的渗入量，都得不到经济的加固效果。
    生石灰的膨胀力和生石灰的含量成正比，但膨胀应力的大小，则和生石灰有效氧化钙含量、束缚力的大小和方向、熟化的快慢有关，如采用有效氧化钙含量为85％-89％的生石灰，让其在近似完整束缚的条件下熟化，测得其轴向膨胀应力最高可达11.6MPa，随着四周束缚的放松，轴向膨胀应力急剧减少，膨胀力所做的功已转化为四周土的变形位能而趋于平衡。总之，对于一般的地基（非凡是软土），当生石灰用量超过必定界限时，其束缚力绝对不可能禁止石灰搅拌桩的膨胀，宏大的膨胀力必将在相当领域内流传，这就是石灰搅拌桩直径增大的原因。
    5 石灰搅拌桩的强度取决于软粘土的含水量
    石灰搅拌桩的强度能否形成和强度高低，和软粘土的含水量有关。生石灰转变为熟石灰以及持续水化，都要吸收和蒸发软粘土中的水份。因此，必需要有足够的水供石灰水化，否则无法形成强度。另一方面水又不能过多，以使处于饱和状态的软粘土能够因脱水而转变成三相状态，软土中的空气才干为碳酸化反响供给足够的二氧化碳，从而形成使灰土反响生成有必定强度的胶结物质条件，形成较高的强度。由于石灰搅拌桩中的水分在强度形成中得到耗费，灰土含水量就会大幅度减少，甚至由流动状态转变为硬塑乃至坚硬状态，从而大大进步石灰土的强度。图3为石灰土抗剪强度软土含水量、时间的变更情况，纵轴表现石灰土的抗剪强度，横轴表现软粘土含水量。从图3可以看出摘要：
    6 石灰搅拌桩合适的土质条件
    石灰搅拌桩是靠石灰和土之间产生一系列物理化学反响而形成强度的，不同的土质会产生不同的加固效果，其合适的加固土粒径领域如图4所示，图中暗影部分为合适的石灰搅拌桩利用领域，可用于公路工程的软粘土中的挡土结构，开挖护坡、桥涵通道结构地基等。
    粘土颗粒粒径小，表面积大，疏散性大，稳固性差，轻易和石灰产生反响，并且粘土较小的渗透系数常可使石灰搅拌桩含水量降低，所以石灰搅拌桩合适处理软粘土地基。在软粘土矿物成份中，高岭土、伊利土和蒙脱土为三种重要的粘土矿物成分，而从结构、能量和成份三个方面又可以阐明蒙脱土最轻易和石灰产生反响，例如对于淤泥质粘土土样用X射线衍射矿物分析，稳固性好的矿物石英含量在40％以上，高岭土和伊利土含量为40％，把其中一段大气干燥的淤泥粘土石灰搅拌桩钻取试样放入水中，约一个多小时就完整崩解为泥浆，崩解速度和一般粘土十分接近，阐明了这类粘土恰恰缺乏蒙脱土类粘土矿物，石灰较难和土产生化学反响，不能大批生成碳酸钙等胶结物质，致使石灰搅拌桩强度较低，也揭示了石灰搅拌桩合适于蒙脱土类矿物含量高的粘土地基。
    7 结语
    通过火析，可见石灰搅拌桩处理软粘士和淤泥质粘土地基的效果是明显的，用石灰搅拌桩处理后的地基，渗透性增大，石灰搅拌桩有助于排水固结，经处理后复合地基降低了软土含水量，增大了粘聚力，复合地基的强度得到了进步，可以取得较好的经济效益，合实用于高级级公路的挡土结构、桥涵、通道的软土地基中。

在高等级公路中，遇到不少涵洞、通道、挡土结构等结构物置于软弱地基下或软厚的杂填土之上，施工期短暂时，成为不少建设单位和设计单位的棘手问题。针对这个问题，采用生石灰喷粉深层搅拌桩（简称石灰搅拌桩）进行软土地基处理，具有技术简单可行，且经济合理的特点，能有效地加固软弱地基，减少软土层沉降和整体工程后沉降，提高软土层的承载力。  
　　1、  生石灰对软粘土地基的基本作用 
　　根据设计确定石灰搅拌桩钻机的位置，启动搅拌机，钻进时喷射压缩空气，准备加固的土在原位受到扰动。随着钻进到设计标高，钻机钻头反向旋转，边提升，边由压缩空气输送生石灰，向着由钻头搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷入被搅拌的土体中，使土体和石灰进行充分拌和，形成具有整体性好，水稳定性好和一定强度的石灰土桩。 
　　通过机构搅拌，将软土重塑的同时掺入适量的石灰，石灰与软土矿物发生化学反应，形成一种复杂的不溶于水的、将土颗粒粘结在一起的硅酸钙凝胶。硅酸钙胶起到包裹和联结的作用，形成网状结构，在土颗粒间相互穿插，使土颗粒联系得很牢固，改善了土的物理力学性质，发挥了石灰固化剂的强化作用。 
　　要形成硅酸钙凝胶，只有在有足够的水使Ca2+和OH-1离子能够转移到粘土颗粒表面时才能实现。利用土颗粒、水和石灰之间的化学反应达到这一目的，以改善土的性质。具体来说，石灰对软土的基本作用如下： 
 　　(1)生石灰与地基软粘土通过强制搅拌均匀，很快产生水化作用，形成Ca(OH)2。在这生石灰变为熟石灰的过程中，产生的热量促进水分蒸发，使软土地基的含水量降低，同时石灰体积产生膨胀，此时膨胀力所在作的功能转化为周围土的变形位能。例如广东省云浮硫铁矿专用线有一座4.5m盖板涵基础采用石灰喷粉深层搅拌处理软基，钻头直径为500mm，形成石灰桩之后，在粉细砂层直径增大为520mm，在软土层直径内直径增大为600—700mm，桩体体积增大，对周围土起了压密作用。 
　　（2）熟石灰的Ca2+离子在水的作用下与软土颗粒产生絮凝反应作用。这一反应过程使软土颗粒结合水膜厚度减薄，土的塑性降低，土粒间的粘结力增加，土体强度和水稳定性提高。 
　　上述两种化学反应过程，主要发生在生石灰与软土强搅拌混合后的数小时内，是石灰对软粘土的早期基本作用。 
　　（3）熟石灰与粘土颗粒中的活性硅铝矿物进一步缓慢的产生化学作用，过程中又吸收石灰浆中的水分，形成结晶和生成铝酸盐和水化硅酸钙，改变了粘土的结构。这一反应过程将持续数年，是石灰对软粘土的后期作用。
　2、石灰搅拌桩身的排水固结作用 
　　通过对一些工程施工的石灰搅拌桩观测，发现施工期桩体含水量总是很高，直观表现大桩顶的垫层上有明显的圆形湿痕，表明桩体含水量及渗透系数均大于桩间土。由于桩身材料拌合不均匀，以及配合比、掺合料不同，涮得桩身渗透系数在4.07×10-3-10-5cm/s之间，相当于粉砂、细砂的渗透系数，较粘土、亚粘土的渗透系数大10倍至100倍，说明石灰桩身排水固结作用较好。 
　　软粘土地基经石灰搅拌后渗透增长情况，K为渗透系数。用10%生石灰作为固化剂时，软粘土的渗透性系数随着时间而直线上升；而用10%的水泥作为固化剂时，软粘土的渗透系数随着时间而直线下降。石灰适合于塑性指数较高的软粘土地基，水泥适合于塑性指数较低的软土地基。在相同条件下，用石灰处理的临时加固效果在前数小时内比水泥处理的要明显来得快。 
　　值得注意的是，当石灰搅拌桩渗透系数K值足够小（如软粘土地基），而桩的直径d又足够大（例d≥50cm），即使桩处于水下，也不能形成充分供水的条件，石灰搅拌桩的含水量仍然较初始含水量大幅度减小。在天津塘沽软土路基试验中，于五年后挖出石灰桩，也发现桩身仍非常坚硬。日本的一份资料谈到，即使在含水量高达100%的软土中，石灰桩身强度也比周围土的强度高达10倍以上。 
　　3、石灰搅拌桩与桩间土的复合地基效应 
　　生石灰加固软弱地基后，石灰搅拌与未加固部分地基土形成复合地基。复合地基的强度包括搅拌桩桩体的强度和桩周土粘聚力增加后的强度。石灰搅拌桩与周围地基相比具有更高的抗剪强度。与生石灰搅拌桩邻接的桩周土，由于拌合时间的高温和凝聚反应形成厚达数厘米的高度硬壳，此层硬层的存在影响了石灰搅拌桩的吸水和排水。但在施工期内此层硬壳尚未形成，排水作用是可以发挥的。从对一些工程的天然土和单桩复合地基荷载试验中，发现石灰搅拌桩复合地基的加荷后稳定时间较天然土基为短，也就证实了石灰搅拌桩的排水固结作用。 
　　石灰搅拌桩与桩间土的复合地基抗剪强度可用下式计算： 
　　t’=(1-d’s)C’+d’stp     (1) 
　　式中：t’——复合地基抗剪强度， KPa 
     t’p——石灰搅拌桩的抗剪强度，  
     d’s——消公和凝硬反应结束后石灰搅拌桩加固率（面积比） 
     d’s=（1.5-1.8）ds     （2） 
     ds——石灰搅拌桩置换率（面积比） 
     ds=πd2/4ι2                   (3) 
     d——石灰搅拌桩直径，d=50cm 
     l——石灰搅拌桩间中心距，cm 
     c’——石灰搅拌桩加固地基土的粘聚力， 
     C’=Co+DAP             (4) 
　　式中：Co——原地基土的粘聚力， 
      d——经石灰搅拌桩处理后的强度增加系数，d=0。1-0。4； 
      △P——有效压缩荷载，它是固结试验曲线中与加固后孔隙比e’对应的压缩荷载P’与固结屈服应力Pc之差。
２）施工工艺方面
　　在施工工艺方面，针对沉桩问题，结合地质情况较差的实际，在施工工艺上找沉桩的原因。试桩时各施工参数（钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等）作了有效控制。在第二次试桩52根桩中，采用不同钻进速度、不同钻头转速、不同提升速度、不同喷粉压、不同水泥用量进行严格控制。试桩中虽然采用加大喷粉量至75kg/m,仍未解决沉桩问题。
　　察看试桩现场，试桩桩位砂垫层表面存在大量淤泥，据分析软塑～流塑状淤泥是在喷粉施工时风压气流的作用下，搅拌过程中因受扰动发生液化，液化的淤泥上涌至地表面，造成桩体范围内淤泥质的减少而沉桩。
增加喷粉量解决不了沉桩问题的原因在于：
　　（1）增加喷粉量即增加桩体自重力；
　　（2）增加喷粉量导致喷粉在桩体内吸水量增加，引起桩体周围土体孔隙压力消散加快、产生下沉，短时间对桩体的负摩阻力增大，因增加喷粉量水泥加固土的强度提高不显著，在喷粉初期，水泥加固土的强度仍承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。
　　3、处理方法
　　通过以上分析，沉桩是由于在喷粉初期，土体受扰动，水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工可以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力发生沉桩问题。主要原因：
　　（1）早强剂可以使水泥加固土的强度迅速提高，而早强剂在水泥浆中搅拌可以较均匀；
　　（2）水泥浆液注入土体发生水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体时，浆液本身存在足够水，不需吸收天然地基的水，并未引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生对桩体的负摩阻力。
　　因此，改用喷浆法施工并在水泥浆液中加入适量的早强剂，以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩的问题。
　　喷浆施工参数：
　　成桩直径：   50㎝   
　　钻进速度： 控制在2～３档（30～50cm/min）
　　电流表读数： 进入持力层I≥60A 
　　桩底持续喷浆搅拌时间：   ≥30s   
　　提升喷浆速度：  ≤30cm/min  
　　喷浆压力：  0.6～1.0Mpa  
　　水泥浆水灰比：  0.5  
　　早强剂掺量（水泥掺比）：  0.8%  
　　水泥浆搅拌时间：   ≥30min（每拌）  
　　喷浆搅拌桩施工工艺按中华人民共和国交通部发布《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》JTJ017-96关于加固土桩技术规范进行。全部穿过淤泥进入持力层50㎝。
　　以上施工参数进行现场试桩，试桩七天后进行桩体抽芯检测，从桩体抽芯结果来看，成桩连续性与完整性均较好，无沉桩问题。由业主组织设计单位、监理单位和施工单位召开软基处理技术专题会议，决定K9+753~K10+836桥头186m原采用喷粉法施工搅拌桩改为喷浆法施工，原合同单价不变。该段在改用喷浆法施工后，无出现沉桩问题，证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的。工程造价变化不大，经济上是可行的。
　　三、结语
　　在高含水量软基中采用深层搅拌桩处理，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法施工。而当采用喷粉法出现沉桩问题时，改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工来解决沉桩问题。经实践证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的、经济上是可行的。

  一、用生石灰挤密桩加固地基原理
　　众所周知，生石灰在地壤中，以化合水的形式吸收水分，其化学反应式及有关参数如下：
    CaO十H2O→Ca(OH) 2+15.6(kcal/g)
    分子量：56   18    74
    比  重：3.3  1     2.2
    重量比: 1    0.32  1.32
    体积比: 1          1.99
    由以上方程我们来分析生石灰和土壤中水的化学反应及挤密过程：
    （一)由以上反应方程可知：1000克生石灰水化后，可产生若250千卡的热量，并吸收若300克水份与其发生化学反应，这必然引起土中水份蒸发和生石灰消化的吸收而减少，使土壤含水量降低，而有利于土壤的排水固结。
    （二)生石灰吸水消化过程中，体积膨胀大约为原来的2倍，在这个过程中，桩周土颗粒受到挤压而使土壤密实度增大。
    （三)经过一段时间Ca(OH)2与土层中的CO2反应生成CaCO3在桩周形成硬壳层，从而提高桩体本身承载力。
    （四)成孔施工过程中，当采用挤土成孔时，对土层产生横向挤密作用增大了土的密实性，也有利于提高地基承载力。
    综上所述，生石灰挤密桩用于软土地基处理，应为确实可行。
    二、生石灰挤密桩加固地基承载力的确定
    根据以上原理，为达到提高软弱土强度的目的，合理确定经过人工处理的复合地基的强度成为问题之关键所在：
    (一)根据有关文献记摘，挤密桩有较加固区域半经R与挤密后土壤孔隙比e1有下列关系式
    （1）
    （2） >
    式中：e—土壤天然孔隙比
          d—生石灰桩直径
          X—由于生石灰膨胀引起的桩径增大系数
          e—改良后土壤孔隙比
    由以上公式可知合理确定x值是确定改良后土壤孔隙比之关键所在。笔者认为x值最好根据现场试验确定，如无法进行现场实验时可按下表1采用： 
    不同土质、不同桩径K值          表1
土 质
桩 径（mm）
280～300
380～430
560
一般粘性土
中密
1.0
0.98
0.85
稍密
0.98
0.96
0.85
素填土
中密
0.98
0.96
0.83
稍密
0.88
0.86
0.72
杂
填
土
工业废料
中密
0.95
0.93
0.8
稍密
0.85
0.83
0.70
建筑垃圾
中密
0.93
0.91
0.78
稍密
0.83
0.81
0.68
生活垃圾
中密
0.9
0.88
0.75
稍密
0.8
0.78
0.65
    在生石灰桩处理深度范围内如遇不同土层时，x值可用沿竖向直径增大系数的加权平均值，即X=∑Xihi／∑hi
    式中：Xi—桩沿竖向第i层土的直径增大系数
          hi一桩沿竖向第i层土的厚度
    (二)加固后桩周土容许承载力基本值的确定。加固后桩周土的容许承载力基本值，可根据加固后土的物理力学性质指标，按地基规范附录中容许承载力基本值表格查取。
    1．一般粘性土地基。设计时可根据现场实际情况预先给定桩径d，按表1(或现场实验数据)查取相应x值，按式(2)计算出改良后土壤孔隙比。根据理论分析和已有的试验研究发现，用石灰桩处理加固后土的塑限含水量大幅度下降，土的液性指数下降30％～40％，土的物理状态明显改变，由于液性指数受较多因素影咱，可按下式进行近似计算
      I’L =(2/3)I L            (3)
　　  I’L———加固后土的液性指数
      I L———加固前土的液性指数
    根据以上汁算的e’，I’L值按规范表格就可确定加固后地基土的容许承载力基本值。
    2．粉土地基。按(2)式计算孔隙比e’，并按下列方法计算加固后土壤含水量。根据文献(1)，CaO含量为C的生石灰桩总吸水量为：
     [W]＝0.18C2+0.8C+0.1              (4)
     则单位桩长叹收的水质量为
    △mW＝[W]( π／4)d2=( π／4)d2（0.18C2+0.8C+0.1）     (5)
    单位桩长有效加固区域内土粒质量
　　ms=πR2Pd (6)
　　Pd———天然土的干密度。
    土中水体积的减少量4Vw
    △Vw＝(π/4)(X2－1)d2          (7)
    加固后土体含水量
    W’=W－(△mW/ ms)
      = W－[d2(0.18C2+0.8C+0.1)]/4R2Pd         (8)
　　根据以上计算的w和eI两个指标查规范表格即可确定加固后土的承载力基本值。
    3．淤泥及淤泥质上。根据式(8)计算加固后土的含水量Wl，根据w’大小由规范表也能确定其承载力基本值。
     (三)复合地基承载力基本值f0的确定。软弱地基经生石灰桩挤密加固后，形成复合地基，复合地基的承载力与桩的承载力为桩周土的承载力之和
     f0=( f0pAp－f0sAs)/( Ap+As)
    式中: f0p—石灰桩承载力基本值；
          Ap———挤密桩截面面积，Ap+πX2d2/4
          f0s———挤密后桩间土的承载力基本值
          As———桩问土的截面面积
    三、生石灰挤密桩在工程实践应用中应注意的问题
    （一)由于生石灰为块状，施工前应将其破碎为粒径不大于25mm的碎石状。
    （二）为避免生石灰在地下水比较丰富地区弱心的缺点，建议掺用10％(生灰用量)左右的粗砂，及少量水泥与生石灰块混合后灌孔。掺入粗砂，可有较的填充生石灰块间空隙，增强生石灰体积膨胀对土体的挤密作用。
    （三）施工时桩头应预留200mm左右的长度，填充烂泥，防止生石灰膨胀挤出桩孔。
    （四）为防止生石灰在地下水比较丰富地区，消化速度过快，避免在施工成桩过程中因消化速度过冲出孔外，可选用过火生石灰。
     四、生石灰挤密桩在工程设计中的应用实例
     笔者在设计中外合资星光塑料塑胶生产车间工程时，根据岩土工程勘察资料，基岩埋深不大，其上部为软弱粘土层，原设计采用人工挖孔桩。施工时发现地下涌水量较大，施工困难，并且如大量抽取地下水，容易给附近的建筑物造成地基不均匀沉降。经多方案比较最终采取生石灰挤密桩对上层软弱土进行处理，考虑到地下水比较丰富，生石灰消化后不容易与土中的C02结合生成CaC03，形成弱心状态。在生石灰填充料中加入了10％的粗砂和2％的水泥与生石灰碎块搅拌均匀后灌孔，该工程经近十年来的使用证明，采用生石灰挤密桩加固软土地基确实是一种行之有效的办法。
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