石灰攪拌樁處理軟土地基技術(shù)探討

陸 偉

水利工程臨時(shí)設(shè)施施工過(guò)程中，常遇到不少預(yù)制場(chǎng)地、臨時(shí)設(shè)施基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)物置于軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可采用生石灰噴粉深層攪拌樁（簡(jiǎn)稱石灰攪拌樁）進(jìn)行軟土地基處理。這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單可行、經(jīng)濟(jì)合理，能有效加固軟弱地基，減少軟土層沉降和整體工程工后沉降，提高軟土層的承載力。

一、石灰攪拌樁處理軟土地基的的基本原理

采用攪拌樁鉆機(jī)，鉆進(jìn)時(shí)噴射壓縮空氣，使準(zhǔn)備加固的土在原位受到擾動(dòng)，隨著鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，鉆機(jī)鉆頭反向旋轉(zhuǎn)，邊提升邊由壓縮空氣輸送生石灰，向鉆頭攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴入土體，使土體和石灰進(jìn)行充分拌和，形成具有整體性好、水穩(wěn)定性好和一定強(qiáng)度的石灰土樁。

石灰對(duì)軟土的基本作用如下：

（1）生石灰與地基軟粘土通過(guò)強(qiáng)制攪拌均勻，很快產(chǎn)生水化作用，形成Ca（OH）2。化學(xué)反應(yīng)方程式為：CaO+H2O=Ca（OH）2；Ca（OH）2再與空隙中的CO2反應(yīng)生成CaCO3，硬化了地基，化學(xué)反應(yīng)方程式為：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。在生石灰變?yōu)槭焓业倪^(guò)程中，產(chǎn)生的熱量促進(jìn)水分蒸發(fā)，使軟土地基的含水量降低，同時(shí)石灰體積產(chǎn)生膨脹，此時(shí)膨脹力所作的功轉(zhuǎn)化為周圍土的變形位能。形成石灰樁之后，樁體體積增大，對(duì)周圍土起了壓密作用。

（2）熟石灰的Ca2+離子在水的作用下與軟土顆粒產(chǎn)生絮凝反應(yīng)作用，這一反應(yīng)過(guò)程使軟土顆粒結(jié)合水膜厚度減薄，土的塑性降低，土粒間的粘結(jié)力增加，土體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性提高。熟石灰與粘土顆粒中的活性硅鋁礦物進(jìn)一步緩慢地產(chǎn)生化學(xué)作用，過(guò)程中又吸收熟石灰漿中的水分，形成結(jié)晶和生成鋁酸鹽和水化硅酸鈣，改變了粘土的結(jié)構(gòu)。這一反應(yīng)過(guò)程將持續(xù)數(shù)年，是石灰對(duì)粘土的后期作用。

二、石灰攪拌樁適宜的土質(zhì)條件

石灰攪拌樁是靠石灰與土之間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而形成強(qiáng)度的，不同的土質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的加固效果。

粘土顆粒粒徑小，表面積大，疏散性大，穩(wěn)固性差，容易和石灰產(chǎn)生反應(yīng)，并且粘土較小的滲透系數(shù)常可使石灰攪拌樁含水量降低，所以石灰攪拌樁適合處理軟粘土地基。在軟粘土礦物成份中，高嶺土、伊利土和蒙脫土為三種重要的粘土礦物成分，而從結(jié)構(gòu)、能量和成份三個(gè)方面又可以闡明蒙脫土最容易和石灰產(chǎn)生反應(yīng)，例如對(duì)于淤泥質(zhì)粘土土樣用X射線衍射礦物分析，穩(wěn)固性好的礦物石英含量在40%以上，高嶺土和伊利土含量為40%，把其中一段大氣干燥的淤泥粘土石灰攪拌樁鉆取試樣放入水中，約一個(gè)多小時(shí)就完全崩解為泥漿，崩解速度和一般粘土十分接近，說(shuō)明了這類粘土恰恰缺乏蒙脫土類粘土礦物，石灰較難和土產(chǎn)生化學(xué)反響，不能大批生成碳酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)，致使石灰攪拌樁強(qiáng)度較低，也說(shuō)明石灰攪拌樁適用于蒙脫土類礦物含量高的粘土地基。

三、生石灰劑量對(duì)石灰攪拌樁強(qiáng)度的影響

在同一生石灰含量的條件下，不同的土類具有明顯不同的抗壓強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出:

（1）當(dāng)生石灰含量在6%～18%的范圍內(nèi)變化時(shí)，石灰攪拌樁仍保持原來(lái)土壤的特性。

（2）不同土性的石灰粉滲入量各有最佳滲入量區(qū)間，大于或小于這一區(qū)間的滲入量，都得不到經(jīng)濟(jì)的加固效果。

（3）生石灰的膨脹力與其含量成正比，但膨脹應(yīng)力的大小，卻與其有效氧化鈣含量、約束力的大小和方向、熟化的快慢有關(guān)。

四、石灰攪拌樁與樁間土的復(fù)合地基效應(yīng)

生石灰加固軟弱地基后，石灰攪拌和未加固部分地基土形成復(fù)合地基，復(fù)合地基的強(qiáng)度包含攪拌樁樁體的強(qiáng)度和樁周土粘聚力增長(zhǎng)后的強(qiáng)度，石灰攪拌樁和四周地基相比具有更高的抗剪強(qiáng)度。和生石灰攪拌樁鄰接的樁周土，由于拌合時(shí)產(chǎn)生的高溫暖凝聚反應(yīng)形成厚度達(dá)數(shù)厘米的高度硬殼，此層硬層影響了石灰攪拌樁的吸水和排水，尤其是后期排水，但在施工期內(nèi)此層硬殼尚未形成，排水功效是可以發(fā)揮的。從一些工程的天然土和單樁復(fù)合地基荷載實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)石灰攪拌樁復(fù)合地基加荷后穩(wěn)固時(shí)間較天然土基為短，也就證實(shí)了石灰攪拌樁的排水固結(jié)作用。

石灰攪拌加固后的地基，樁體強(qiáng)度高于樁間土。因此，在工程結(jié)構(gòu)荷載和車輛荷載功效下，土體被壓縮，承載力主要靠樁體承擔(dān)。由于土相對(duì)于樁有向下滑動(dòng)的趨向，樁面對(duì)樁周土產(chǎn)生一向上的摩擦阻力，故靠近樁周土的壓力值為向下的施工荷載值和向上的摩擦力兩部分之和。因此，靠近樁邊的土遭遇的壓力最小，樁間地基土應(yīng)力降低，而石灰攪拌樁樁體產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，根據(jù)基礎(chǔ)底面樁和樁間土上埋沒(méi)的土壓力盒測(cè)定成果，得出樁體和樁間土的荷載應(yīng)力分擔(dān)比n＝P/S=3～15（P為石灰攪拌承擔(dān)的應(yīng)力，S為樁間土承擔(dān)的應(yīng)力）。在用石灰攪拌樁加固公路軟基時(shí)，一般采用n=3～5較合適。

某一路堤地基用深層攪拌石灰樁處理軟土地基，該地基由高敏銳度的粉質(zhì)軟粘土構(gòu)成，厚度6～12m，抗剪強(qiáng)度10kPa，含水量60%，經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，用制備的石灰加固試樣測(cè)試其抗剪強(qiáng)度，在10d后增長(zhǎng)到50kPa，三個(gè)月后測(cè)試強(qiáng)度增長(zhǎng)到100kPa，在實(shí)驗(yàn)路堤4m高的下面，石灰攪拌樁的設(shè)計(jì)間距為1.0～1.2m，樁長(zhǎng)10m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的沉降曲線表明，用石灰攪拌樁加固的地基沉降減少了大約60%，其沉降量為20～25mm，設(shè)計(jì)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較好。

五、石灰攪拌樁的強(qiáng)度取決于軟粘土的含水量

石灰攪拌樁的強(qiáng)度能否形成和強(qiáng)度高低，與軟粘土的含水量有關(guān)。生石灰轉(zhuǎn)變?yōu)槭焓乙约袄^續(xù)水化，都要吸收和蒸發(fā)軟粘土中的水份。因此，必須要有足夠的水供石灰水化，否則無(wú)法形成強(qiáng)度。另一方面水又不能過(guò)多，以使處于飽和狀態(tài)的軟粘土能夠因脫水而轉(zhuǎn)變成三相狀態(tài)，軟土中的空氣才能為碳酸化學(xué)反應(yīng)提供足夠的二氧化碳，從而形成使灰土反應(yīng)生成有一定強(qiáng)度的膠結(jié)物質(zhì)條件，形成較高的強(qiáng)度。由于石灰攪拌樁中的水分在強(qiáng)度形成中得到消耗，灰土含水量就會(huì)大幅度減少，甚至由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛菜苣酥翀?jiān)硬狀態(tài)，從而大大提高石灰土的強(qiáng)度。

通過(guò)在工程施工中對(duì)石灰攪拌樁觀測(cè)，在樁頂?shù)膲|層上直觀表現(xiàn)有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數(shù)均大于樁間土，得到施工期樁體含水量總是很高的結(jié)果。由于樁身材料拌合不均勻，以及摻合料、配合比不同，測(cè)得樁身滲透系數(shù)在4.07×10-3～4.07×10-5cm／s間，相當(dāng)于細(xì)砂、粉砂的滲透系數(shù)，較粘土、亞粘土的滲透系數(shù)大10倍至100倍，說(shuō)明石灰樁身排水固結(jié)作用較好。約用10%生石灰作固化劑時(shí)，軟粘土的滲透性系數(shù)會(huì)隨時(shí)間而直線上升；而用10%的水泥作固化劑時(shí)，軟粘土的滲透系數(shù)卻隨著時(shí)間而直線下降。說(shuō)明石灰適合塑性指數(shù)較高的軟粘土地基，而水泥適合塑性指數(shù)較低的軟土地基。條件相同情況下，在處理臨時(shí)加固效果的前數(shù)小時(shí)內(nèi)，用石灰處理效果明顯比水泥處理來(lái)得快。

值得注意的是，當(dāng)石灰攪拌樁滲透系數(shù)K值足夠小（如軟粘土地基），而樁的直徑d又足夠大（例如d≥50cm時(shí)），即使樁處于水下，也不能形成充分供水的條件，石灰攪拌樁的含水量仍然較初始含水量大幅度減少。

六、工程應(yīng)用

蕪湖發(fā)電廠五期泵房工程循環(huán)水管排水口地基處理均采用了石灰攪拌樁進(jìn)行加固處理。通過(guò)在工程施工中對(duì)石灰攪拌樁觀測(cè)，在樁頂?shù)膲|層上直觀表現(xiàn)有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數(shù)均大于樁間土。處理后的地基整體性好，承載力顯著增強(qiáng)，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果