灰土在基礎工程中的應用

龔麗敏

(太原西山煤電集團設計院，山西太原 030053)

數千年前，我國就已成功地將灰土應用在地基工程中。近年來，在我國北方地區，多層的民用建筑和小型砌體承重的單層工業廠房，都廣泛采用灰土基礎。灰土在濕陷性黃土地區被用作地基處理的防水材料;在填土等軟弱土地區，灰土樁被用來提高地基的承載能力。

1 灰土的作用機理

灰土通常是按3∶7的比例將石灰和黃土用規定的用水量均勻拌合，然后分層夯實制成。經過一定齡期，粘土顆粒表面的活性氧化物與石灰起反應生成了不溶性水化物，使粘土顆粒結合起來，從而提高了粘土的強度和耐水性。

2 影響灰土強度的因素

2.1 灰土成分的比例

灰土的成分是石灰和黃土，適宜的石灰比例用量會提高灰土的強度。否則，石灰比例用量偏少不會起到作用，偏高反而會降低強度。實踐證明，其適宜比例(體積比)為3∶7。試驗結果見表1。

表1 灰土的抗壓強度

2.2 灰土成分的質量

灰土中石灰所含的活性氧化物(CaO和MgO)含量，也影響灰土的抗壓強度。從表2中可以看出，活性氧化物含量較高時，其配置出的灰土強度較高。

如果石灰在空氣中暴露的時間增長，石灰塊會吸收水分熟化成消石灰粉，并且與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈣，而失去膠結能力，甚至降低灰土的強度。

表2 活性氧化物的含量對強度的影響 %

2.3 灰土土體顆粒的粗細

灰土的顆粒越細，它的比表面積越大，與石灰的膠結作用就越充分，灰土產生的強度就越高。在華北地區，常見的土體有粘性土和砂土，粘土的顆粒較砂土細，所以常用粘土來制作灰土。

2.4 灰土的干容重和壓實系數

隨著灰土的干容重和壓實系數的增加，土粒之間的縫隙會減小，土粒結合得會越密實，灰土的強度會越高。表3列出了不同干容重灰土與抗壓強度的關系。

表3 不同干容重灰土的抗壓強度

2.5 齡期對灰土強度的影響

在3 d～7 d齡期(早期)內，灰土的強度增長較慢，其抗壓強度幾乎與夯實的素土相近;經過7 d～28 d齡期，其抗壓強度可以達到早期強度的1.6倍～2倍;3個月后，其抗壓強度繼續提高，是28 d齡期強度的1.6倍～2倍，見表1。經實驗證明，提高早期的灰土強度主要靠提高灰土的密實度，或通過加入少量的食鹽、明礬等途徑，其中以加入食鹽的效果最好。

2.6 灰土齡期對其抗凍性的影響

灰土在早期強度不高的情況下，會產生凍結現象。具有一定齡期的灰土(如超過一個月)，解凍后灰土的結構遭受破壞，但仍有一定強度;三個月齡期的3∶7灰土解凍后強度卻沒有明顯的降低。參考有關資料，哈爾濱廿道街在經歷了二十多年后(至少20多個反復凍融循環)，其路面依舊平穩，沒有發生沉陷或開裂，更沒有發生破壞。

2.7 灰土的水穩定性和滲透性

灰土具有良好的水穩定性。在飽水條件下，灰土硬化會生成水硬性膠結物CaO·SiO2·nH2O，隨著干容重加大，齡期加長，浸水后灰土的強度降低程度會減小。灰土的滲透系數較低，在工程中被廣泛用作防水材料。

3 灰土在基礎工程中的應用

3.1 條形基礎工程

一千年前，我國古人就成功地使用了灰土基礎，有不少被完整地保存到今天。灰土基礎多用3∶7灰土，其承載力標準值fk=200 kPa/m3～250 kPa/m3，條形基礎的允許高厚比取 1∶1.25(P≤100 kPa)和 1∶1.5(100 kPa≤P≤200 kPa)，灰土基礎的常用厚度為300(二步)，450(三步)，600(四步)。規范規定灰土的壓實系數不小于0.95，要求分層夯實。

3.2 灰土墊層

3.2.1 概述

灰土作為墊層使用在我國已有悠久的歷史，如北京城墻的地基、蘇州古塔的地基、陜西三原縣青龍橋護堤的地基，都是用灰土建造的，這些灰土至今還很堅硬，強度較大。如有三百年歷史的陜西三原縣肖家村八字橋送水護坡墻的灰土強度竟達104kPa以上。目前，我國采用灰土墊層作為地基的多層建筑已高達六七層。

3.2.2 設計體會

基底下存在軟弱土層、雜填土層以及濕陷性黃土時，通常在基底下坐1 m～4 m厚的灰土墊層，墊層的厚度據Pz+Pcz≤fz確定;墊層的寬度應滿足:b≥b+2Ztgθ，其中θ=30°。對于濕陷性黃土，尚應符合《濕陷性黃土地區建筑規范》中表4.1.5及第4.2.2和4.2.3條的規定。用灰土處理濕陷性黃土，不但可以降低地基的濕陷量，還可以改變地基的高壓縮性，見表4。在濕陷性黃土地區的生產或生活用水較多的建筑物和構筑物，在基底下用一定厚度的3∶7灰土作墊層處理，可起到很好的防水效果。另外，北方地區用灰土做散水墊層也是為了發揮其防水作用。

表4 不同灰土厚度的壓縮量 mm

3.3 灰土井樁基礎

3.3.1 概述

灰土井樁又稱灰土井、灰土柱或灰土墩，它是起樁作用的灰土基礎。灰土井樁通常由生石灰與粉質粘土按3∶7比例拌合后，在回填中分層夯實，經過一定時間，灰土中的白灰與粘土顆粒產生膠凝反應，從而使灰土強度得到顯著提高，而且產生良好的水穩性。灰土井樁被廣泛應用于多層建筑物的地基處理，尤其是黃土分布較廣泛的陜西、山西等地。其設計、施工簡便易行，費用低廉，工期短，經濟效益顯著。

3.3.2 設計體會

灰土井樁適用條件如下:1)多層民用建筑;2)填土、非自重濕陷性黃土(濕陷等級Ⅱ級以下)或其他軟弱地基;3)地下水位以上土層(樁底距地下水位小于3 m時);4)建筑物使用過程中不會發生浸水和含酸污水排泄。

在選用灰土井樁基礎的同時，要做好建筑地基的防水設計。對一般濕陷性黃土地基，在樁頂上面作一定厚度的灰土墊層，它可以防止地表水滲入地基。在施工時要嚴防上下水管道因使用而導致水滲入地基土中。

3.4 灰土擠密樁基礎

3.4.1 概述

灰土擠密樁同樣適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、填土等地基，處理深度宜為5 m～15 m。它是以提高地基的承載力或增強其水穩性為主要目的。具有就地取材、費用較低的特點，被廣泛應用在我國西北及華北等黃土地區。

3.4.2 設計體會

灰土擠密樁屬于深層加密處理地基，它不但可以提高地基承載力，而且還能有效降低地基壓縮性，對濕陷性黃土有部分或全部消除濕陷性的作用。

它的布置范圍應大于基礎或建筑物底層平面范圍，且應符合以下要求:1)采用局部處理時，對于非自重濕陷性黃土、素填土和雜填土地基，bs(每邊伸出寬度)≥0.25b(基底寬帶)和0.50 m;對于自重濕陷性黃土地基，bs≥0.75b和1.00 m。2)采用整片處理時，bs≥0.5b(處理土層厚度)和 2.00 m。

處理地基的深度，應根據場地的土質狀況、成孔及夯實設備等因素確定。對濕陷性黃土地基，尚應符合現行《濕陷性黃土地區建筑規范》的有關規定。

樁孔直徑D=300 mm～450 mm，應根據成孔方法確定。樁孔常用等邊三角形布置，樁孔中心距離S=2.0D～2.5D。

其承載力特征值，不宜大于處理前的2.0倍，并不宜大于250 kPa。

其變形包括樁和樁間土及其下臥未處理土層的變形。

4 結語

灰土取材廣泛，灰土基礎施工簡單，造價低廉，強度較高。在實際工程中，我們要因地制宜，合理選擇相應基礎。

［1］《地基處理手冊》編寫組.地基處理手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］顧曉魯.地基與基礎［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［3］地基基礎的設計與計算［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［4］建筑材料［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.