深層攪拌石灰樁法在公路軟地基加固處理中的應(yīng)用

摘 要：隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，公路工程建設(shè)中的地基工程也受到了人們的廣泛關(guān)注。公路工程本身就具有施工范圍廣的特點，在遇到軟土地基的時候就需要進(jìn)行加固處理，石灰樁法在軟土地基加固處理中受到了廣泛關(guān)注。文章從樁間土和樁身兩個方面分析了這一方法的機(jī)理，并結(jié)合工程實際闡述了在施工中應(yīng)該注意的事項。

關(guān)鍵詞：石灰樁；軟地基；復(fù)合地基

1 石灰樁的加固原理

深層攪拌石灰樁施工時通過機(jī)械攪拌，鉆進(jìn)時噴射壓縮空氣，使準(zhǔn)備加固的土在原位受到擾動。鉆進(jìn)到設(shè)計標(biāo)高后，鉆機(jī)鉆頭反向旋轉(zhuǎn)，邊提升邊由壓縮空氣輸送生石灰，向著由鉆頭攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴入被攪拌的土體中，使土體和石灰進(jìn)行充分拌和，形成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的石灰土樁，加固深度可以達(dá)到20m。

生石灰在土壤中與水結(jié)合的反應(yīng)式如下：

CaO+H2O→Ca（OH）2+熱量

Ca（OH）2+CO2→CaCO3

由分子式可知，石灰水化吸收了大量水分，并產(chǎn)生大量的熱量，引起土中水分蒸發(fā)，使土壤含水量降低，有利于土壤的排水固結(jié)。

生石灰水化過程中，體積膨脹約為原來的2倍，在這個過程中樁周土顆粒受到擠壓而使土壤密實度增大，這就是所謂的膨脹擠密作用，這使得非飽和土擠實，飽和土排水固結(jié)。Ca（OH）2與土中的CO2反應(yīng)生成強(qiáng)度較高的CaCO3，使樁體承載力大大增加。上述化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在生石灰與土壤強(qiáng)制攪拌混合后的數(shù)小時內(nèi)，是石灰對軟粘土的早期基本作用。

生石灰通過反應(yīng)形成熟石灰之后會與粘土中的硅鋁礦物進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是反應(yīng)速度比較緩慢，在反應(yīng)的過程中會吸收熟石灰中的水分，進(jìn)而生成一種不溶于水的硅酸鈣凝膠，這就改變了粘土自身的結(jié)構(gòu)。這種凝膠能夠起到粘連的作用，在地基中形成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)了地基土的牢固性，改善了地基土的物理特性，極大地發(fā)揮出了石灰固化作用。這個過程可以持續(xù)很多年，這也是石灰對軟土地基的加固作用。

通過對一些施工過程中的石灰攪拌樁觀測發(fā)現(xiàn)，施工期間樁體含水量總是很高，直觀上表現(xiàn)為樁頂?shù)膲|層上有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數(shù)大于樁間土。由于樁身材料拌和不均勻，以及配合比、摻和料不同，樁體的滲透系數(shù)一般在在4.07×10-3～10-5cm/s之間，相當(dāng)于粉砂、細(xì)砂的滲透系數(shù)，比粘土、亞粘土的滲透系數(shù)大10倍至100倍，因此樁身排水固結(jié)作用較好。

在使用生石灰加固公路工程中的部分軟土地基之后，石灰攪拌樁與沒有加固的那部分地基形成了復(fù)合地帶，它的強(qiáng)度主要是集中了攪拌樁樁體的強(qiáng)度以及樁周圍土壤粘聚力增強(qiáng)以后的強(qiáng)度，這樣就是使將周圍的地基強(qiáng)度增強(qiáng)了。樁周由于在拌合時產(chǎn)生了大量的熱和凝聚放映，這就導(dǎo)致在表面形成了達(dá)到數(shù)厘米的硬殼，一旦硬殼形成以后就會阻礙攪拌樁的吸水和排水，特別是后期的排水。

通過大量的工程實踐證明，使用石灰攪拌樁加固之后的地基，其樁體的強(qiáng)度明顯高于樁間土。在公路工程投入使用之后，在長期工程結(jié)構(gòu)荷載以及車輛荷載的作用之下，公路的主要成造粒主要依靠樁體承擔(dān)。由于土具有向下的作用力，而樁面對樁周圍的土具有一個向上的摩擦力，所以樁周圍土的壓力值為向下的荷載值與向上的樁周土值之和，這也是造成樁體出現(xiàn)集中應(yīng)力的原因。

2 石灰樁適宜的地質(zhì)條件

大多數(shù)的軟粘土中含有以下幾種礦物成分，蒙脫土、高嶺土、伊利土，通過大量的時間證明，生石灰往往最容易和蒙脫土反應(yīng)，通過對粘土土樣進(jìn)行X射線分析，看到穩(wěn)定性比較好的石英含量為百分之四十一項，而高嶺土和伊利土則只是為百分之四十，我們可以取一段石灰攪拌樁的試樣放入水中，大約一個小時左右的時間就會完全變成泥漿，其速度和一般的粘土十分相像，這也說明了這類粘土就是缺少蒙脫土中的礦物質(zhì)。通常來說，石灰和土一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這就導(dǎo)致不能生成大量的碳酸鈣等物質(zhì)，進(jìn)而影響到攪拌樁的強(qiáng)度，這也說明了蒙脫土能夠使用石灰攪拌樁。

3 施工工藝及注意事項

3.1 樁體材料的選擇。構(gòu)成樁體的主材是生石灰和粉煤灰，生石灰的活性CaO應(yīng)大于85%，灰塊直徑以5cm左右為宜，粉灰含量應(yīng)小于20%，矸石含量小于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(yīng)小于40%。

3.2 按合適的比例對樁體材料進(jìn)行配比。在孔底有余水殘漿時，樁端0.5m灰比為1：1，0.5m以上樁體為1：2，樁端增加灰比解決了樁身密實度和施工安全，但留下了人為的軟弱樁段，因此，在樁端0.5m摻入5%～7%的水泥，亦可消除人為膏化段。

3.3 注意防止施工中地表水和臨近水源滲透進(jìn)入石灰樁身。

3.4 打樁順序應(yīng)該“先外排后內(nèi)排，先周邊后中間”的原則，對單排樁應(yīng)采用“先兩端后中間”的施工方式。樁機(jī)行駛路線宜采用前進(jìn)式，并采用兩遍跳打方式。

4 樁體強(qiáng)度的影響因素

4.1 生石灰的劑量

生石灰的脊梁直接影響到地基土的單周抗壓強(qiáng)度。在生石灰含量都相同的情況下，不同種類土具有不同的抗壓強(qiáng)度。我們通過室內(nèi)試驗可以看出：當(dāng)生石灰的含量在百分之六到百分之十八的范圍內(nèi)時，攪拌樁仍然具有原土壤的性質(zhì)。不同種類的石灰粉，其最佳的滲入量都是不同的，不論是大于這個區(qū)間還是小于這個區(qū)間，都起不到最佳的加固效果。

生石灰的含量越大，其膨脹力也就越大。但是生石灰的膨脹應(yīng)力與生石灰中的鈣含量、熟化速度有直接關(guān)系，例如，我們采用鈣含量為百分之八十五到百分之八十九的生石灰，并讓它在完全約束的情況下熟化，經(jīng)過檢測可知其軸向膨脹力最高可以達(dá)到11.6Mpa，隨著周圍約束力的減少，導(dǎo)致膨脹力也急劇減小并轉(zhuǎn)化為和周圍環(huán)境的力趨于平衡。所以，針對軟土地基，我們必須保證生石灰的用量在規(guī)定的范圍內(nèi)，一旦超過限制，其約束力是不能夠抵擋住攪拌樁的膨脹，導(dǎo)致膨脹力在一定的范圍內(nèi)傳布，造成攪拌樁的直徑增大。

4.2 軟粘土的含水量

公路工程地基中的軟粘土的含水量和石灰攪拌樁能夠形成以及形成后的強(qiáng)度有很大關(guān)系。在施工過程中，生石灰和二氧化碳反應(yīng)變成了熟石灰并繼續(xù)水化，這其中吸收和蒸發(fā)掉了粘土中中大部分的水分，有可能造成地基中的水分不足，進(jìn)而影響到地基工程的質(zhì)量。所以，我們應(yīng)該保證軟土基地中有足夠的水供應(yīng)生石灰的水化，否則就會影響到地基的強(qiáng)度。但是，必須保證水不能太多，這樣才能夠使處于飽和狀態(tài)的軟粘土因為脫水而轉(zhuǎn)化為三相狀態(tài)，有助于碳酸鈣的反應(yīng)，使其形成具有一定強(qiáng)度的物質(zhì)，進(jìn)而增加公路工程的強(qiáng)度。

5 結(jié)束語

綜上所述，我們應(yīng)該認(rèn)識到使用石灰樁法對公路工程軟土地基加固的作用。使用這種方法的軟土地基，滲透能力增強(qiáng)，有助于排水和固結(jié)。經(jīng)過處理之后的地基降低了含水量，增加了土質(zhì)的凝聚力，進(jìn)一步增強(qiáng)了地基的強(qiáng)度，做好了公路工程建設(shè)的基礎(chǔ)工作，為高質(zhì)量的公路工程建設(shè)提供了保證，同時也可以應(yīng)用到橋梁軟土地基的處理。

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