石灰樁加固處理軟土地基探討

【摘 要】本文對近年來被廣泛采用的石灰樁加固軟土地基從物理和化學不同的作用機理進行了分析，對石灰樁的設計原則和設計中容易出現的問題進行了具體深入的分析，認為石灰樁在處理軟土地基方面具有光明的前景。

【關鍵詞】石灰樁；軟土地基；置換；承載力

引言

用石灰摻填法加固軟弱地基在我國已有約兩千年的歷史，石灰樁在處理軟弱土、雜填土地基，提高地基承載力方面，具有開挖土方少，施工進度快，造價低等特點，與其他擠密樁一起被推廣使用。從局部處理軟弱地基，到處理整片軟弱地基或整幢建筑物地基，從單獨使用到與低標號混凝土樁結合而形成三元復合地基，石灰樁的應用范圍正逐步擴大，加上對粉煤灰的廢物利用，對環境保護具有積極的影響。

1 石灰樁的加固機理

1.1 化學加固機理

石灰樁中的主要材料是生石灰塊，其主要成份CaO遇水后分解、膨脹并形成Ca(OH)2，軟弱土被擠壓密實、脫水、固結后，使強度得到提高。在石灰中摻入粉煤灰改良后的石灰樁再摻入一定的粘性土，除可提高樁體強度及減少生石灰用料外，由于粘性土具有隔水性，可在高地下水位的情況下減少水對樁體的侵蝕，提高砂性地基土中樁體的穩定性。生石灰塊與粉煤灰、粘性土以一定比例拌勻并擠密入孔后，孔周圍的水份被吸附入樁內，由于石灰具有很強的吸水性，生石灰反應成熟石灰的需水量為生石灰重量的32％，在吸水過程中，將釋放出大量的水化熱，反應產生的200℃~300℃的高溫將使樁間土的最高溫度可達到40℃~50℃，樁間土在高溫作用下產生汽化脫水，土中孔隙水壓力消散，含水量降低，由于含水量降低，周圍土受到脫水擠密促進了樁周圍地基的固結，生石灰(CaO)吸水后消解，形成的Ca(OH)2進一步吸水并與粉煤灰中的活性材料SiO2、AL2O3發生反應，生成具有水硬性的水化硅酸鹽和水化鋁酸鹽，使樁體結硬。樁周圍的土部分變硬，實際等于擴大了樁徑，從而提高了復合地基的承載力，達到處理軟弱地基、雜填土地基的效果[1]。

1.2 物理加固機理

1.2.1 擠密作用

大量的原位測試及土工試驗結果分析表明，石灰樁樁體吸水后膨脹，對樁邊一定范圍內的土休顯示了較好的加固效果，經擠密后樁間土的強度為原來強度的1.1~1.2倍。

1.2.2 高溫效應

生石灰水化放出大量的熱量。樁內溫度以及樁間土可以促進生石灰與粉煤灰等樁體摻合料的凝結反應。高溫引起了土中水分的大量蒸發．對減少土的含水量，促進樁周土的脫水起了積極作用。

1.2.3 置換作用

石灰樁作為豎向增強體與天然地基土體形成復合地基，使得其壓縮模量大大提高．工后沉降減少、而且復合地基抗剪強度大大提高、穩定安全系數也得到提高。

1.2.4 排水固結作用

由于樁體采用了滲透性較好的摻合料，石灰樁樁體的滲透系數在4.07×10-2~6.13×10-5之間，相當于粉細砂，樁體排水作用良好[2]。

1.2.5 加固層的減載作用

由于生石灰的密度為0.8g/cm3，摻合料的干密度為0.6~0.8g/cm3，顯著小于土的密度．因此，當采用排土成樁時，相當于加固層的自重減輕、這對于工程是非常有利的。

2 石灰樁布置尺寸的確定

由于石灰樁的膨脹擠密效應和排水固結作用，石灰樁在設計過程中應該采用小樁徑、密布樁的原則。

2.1 樁徑、樁長的確定

國內用直徑150mm~350mm的石灰樁，較長的樁宜用較大的直徑，直徑200mm以下的樁只適用于5m以下的短樁。

當需要加固土土層較薄，且下面是較好土層時，石灰樁應打穿軟弱土層進入好土；當軟弱土層深厚時，則應視不同情況處理，對用于加強地基穩定的石灰樁，樁長應穿過所有可能的滑動面，一般倩況常按雙層地基考慮，樁長應能滿足雙層地基的承載力和變形要求。

2.2 樁距和布樁范圍

樁距依賴于所需要的石灰樁置換率，石灰樁的加固效果與樁距密切相關，在樁的中心位置最佳有效擠密范圍為2.5d~3.0d。石灰樁是柔性樁，一般認為柔性樁宜在基礎范圍以外設置圍護樁。

2.3置換率

石灰樁置換率有兩個概念，一是由施工時樁管或樁孔面積確定的置換率，二是由石灰樁吸水膨脹后的樁身截面積確定的置換率m′＝εm。

通常情況下，若石灰樁設計樁徑為300mm，則膨脹后可達330~360mm(排土成孔時)。面積置換率計算宜以在石灰樁膨脹后的實際樁徑計算，而不能以石灰樁設計樁徑計算，否則會導致過多的樁數，造價增高。在正常置換率的情形下，樁中心距一般采用2d~3d，按設計樁徑計算的置換串為0.09~ 0.20，膨脹后實際置換串約為0.13~0.28[3]。

3 樁體選材及配比問題

構成樁體的主材是生石灰和粉煤灰。生石灰的活性CaO應大于85％，灰塊直徑以5cm左右為宜，粉灰含量應小于20％，矸石含量應小于5％；粉煤灰為SiO2、Al2O3活性元素含量較高的新鮮粉煤灰，含水量應小于40％。

石灰樁若全部采用生石灰，則不存在配合比問題。多數情況下，摻入了活性摻合科的石灰樁其樁體強度有大幅度提高。通常情況下，生石灰與摻合料的體積比為1:2。但該配合比不是一成不變的，對于淤泥及淤泥質土，為了大量吸收樁間土中孔隙水，可增大生石灰摻入比，此時可采用體積比1:1.5甚至1:1。對于fK≤60kPa的淤泥或新近回填土，生石灰與摻合科的體積比可采用1.5:1[4]。

4 承載力和變形驗算

石灰樁復合地基承載力和變形計算通常是用復合地基計算公式估算地基承載力和模量的，并用現場載荷試驗結果加以確定，然后按淺基礎的常規設計方法設計基礎。

5 設計中容易存在的問題

5.1 復合地基承載力取值問題

石灰樁復合地基承載力與石灰樁面積置換率、樁體強度、天然地基土的類別及承載力等因素有關。

由于石灰樁屬于柔性樁，樁體強度不太高，其比例界限值fpk一般取300~450kPa，在通常的置換率的情況下，石灰樁復合地基承載力標準值取值為120~160kPa，一般不宜大于180kPa。因此，在軟土地區選用石灰樁復合地基承載力大于200kPa是不合適的。

5.2 樁間土提高系數取值問題

石灰樁能吸水膨脹，樁間土被擠密。工程實踐表明，排土成孔和擠土成孔時，樁間土承載力提高系數取不同的值。

排土成孔時，一般情況下，a＝1.1~1.2；對于淤泥等超軟土，a＝1.3~1.5。

擠土成孔時，對一般粘性土，a＝1.15~1.3；對飽和軟粘土，a＝1.1~1.2；對雜填土、紊填土、大孔隙土，a應經原位測試決定。

不可盲目提高樁間土承載力提高系數a，或降低系數a的取值。

5.3 軟弱下臥層強度和變形問題

石灰樁處理軟土深度有限，因此，當石灰樁應用于深厚軟土地基時，石灰樁通常不能穿透整個軟土層，此時必須進行軟弱下臥層強度驗算。軟弱下臥層的變形常常大于石灰樁復合地基加固層的變形，因此不容忽視。

由于石灰樁復合地基具有復合墊層作用、擠密作用、排水固結作用、減載作用，因此石灰樁已成功地應用于深厚軟土地基加固。在進行軟弱下臥層強度驗算時，可考慮石灰樁加固層的減載作用。

6 結語

本文闡明了石灰樁加固軟土的物理作用機理．包括擠密作用、高溫效應、置換作用、排水固結作用和加固層的減載作用以及石灰樁的化學加固作用，介紹了石灰樁的設計原則并對當前石灰樁設計中存在的問題和解決方案進行了闡述。石灰樁與其它類型的樁相比具有造價低廉，質量可靠，具有較高的經濟效益和社會效益，其顯著的優越性正在被更多的人認識和采用。大量的工程實踐都證明了石灰樁在處理軟土地基方面是值得推廣采用的。

參考文獻：

[1]鄭俊杰等．石灰樁在非均勻地基上的設計方法．華中理工大學學報．2005，26(12);85~86．

[2]袁內鎮．石灰樁作用機理新認識．第七屆全國土力學及基礎工程學術會議論文集[C]．北京:中國建筑工業出版社．1994．

[3]徐鐵雄．加固新回填土的石灰樁法[J]．華中理工大學學報．2008，24(11)．

[4]武喜，齊亞慧.采用生石灰樁加固濕軟路基．山西交通科技．2006，4(2)．