石灰樁對凍土地基預融效果模型試驗研究

王　興,熊治文,劉德仁,韓龍武,程　佳,3

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州　730070； 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州　730000；3.青海省凍土與環境工程重點實驗室,青海格爾木　816000)

全球多年凍土面積占陸地面積的23%，其中我國的多年凍土面積約占國土面積的21%[1-3]。國內外凍土工程一般采用開挖換填、鋪隔熱層、安裝熱管等措施解決地基融沉等病害問題[4-8]。針對埋深較淺、厚度較小的島狀凍土，多采用開挖換填法進行處理，性價比較高，但對埋深厚度大的凍土，如采用開挖換填處理工程量偏大，而采用鋪隔熱層和安裝熱管工程費用又偏高，且適用條件要求嚴格，經濟性較差，因此，提出一種深埋凍土新型處理措施顯得迫在眉睫。石灰樁復合地基，作為處理軟土[9-11]和濕陷性黃土[12]的一種常用手段，具有開挖量少、施工便捷、加固效果好、處理費用低等特點。根據某項目現場地質勘察資料，地表以下8～18 m有不連續島狀凍土，因全球氣候變暖，凍土融化深度逐年增加，地基產生不均勻沉降，本文探討一次性解決方案，從融化凍土角度和石灰樁加固原理出發，提出利用石灰樁預融擠密方案解決島狀凍土地基融沉變形問題的新思路，并通過石灰樁預融擠密凍土地基的模型試驗，分析了石灰樁對凍土的預融和加固效果，并與其他工程措施進行比較。

1　石灰樁的預融擠密原理

石灰樁預融擠密凍土地基原理主要體現在3個方面：(1)生石灰與水發生化學反應放出的熱量將凍土融化；(2)生石灰與水反應體積膨脹對樁周土產生擠密作用，提高復合地基承載力；(3)石灰樁產生的熱量促進樁間土的水分蒸發，一定程度上提高了樁間土承載力，間接提高了復合地基承載力[13]。

1.1　預融機理[14]

石灰樁是生石灰和土組成的混合物。石灰樁放熱實質是生石灰與水發生化學反應。熱量融化凍土中的冰，冰融化的水繼續與生石灰反應，形成放熱吸水循環直到生石灰完全反應。生石灰(即氧化鈣)遇水后生成氫氧化鈣。其熱化學反應方程式

CaO+H2O→Ca(OH)2Δh=-65.17 kJ/mol

(1)

從(1)式中可以得出：1 mol氧化鈣即56 g氧化鈣與水反應放出65.17 kJ的熱量，計算得出1 kg氧化鈣放出1 163.75 kJ的熱量。

從分子角度分析，一個氧化鈣分子需要一個水分子完成反應，質量比為56∶18，即1 kg的氧化鈣完全反應需要0.32 kg的水。凍土中融化的水提供了氧化鈣反應需要的一部分水，使反應放出更多的熱量。

1.2　擠密機理

從(1)式中可以得出，參加化學反應的相同摩爾質量的氧化鈣、水、氫氧化鈣的質量之比

mCaO∶mH2O∶mCa(OH)2=56∶18∶74

查閱相關資料，氧化鈣的密度為3.35 g/cm3，水的密度為1 g/cm3，氫氧化鈣的密度為2.24 g/cm3。計算出體積比為

mCaO∶mH2O∶mCa(OH)2=1∶1.08∶1.97

可以看出，氧化鈣反應生成氫氧化鈣的過程體積膨脹1.97倍，石灰樁正是利用生石灰與水反應體積膨脹的特性將樁周土擠密，達到提高復合地基承載力的目的。

2　室內模型試驗

2.1　試驗方案

室內模型試驗在凍土室進行。石灰樁樁體材料由生石灰、水泥和土混合組成。摻入一定量水泥是為了提高石灰樁的強度。試驗主要是通過測定不同位置樁間土的溫度和密度來分析樁體放熱對凍土地基的預融和加固效果。

模型試驗分為兩組，第一組為群樁試驗，樁的半徑為0.05 m，樁間距為0.25 m，模型箱設計尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m；第二組為單樁試驗，樁的半徑為0.2 m，模型圓筒半徑為0.6 m，高度0.5 m。

2.2　樁間土樣制作、填筑和測點布置

樁間土試樣采用塑限22.3%、最大干密度為1.6 g/cm3的黏土質砂(制作土樣前進行翻曬)和碎冰制作(冰的最大粒徑<2 cm)，土冰質量比為3∶1，含冰量約為25%。

樁間土在凍土室分層填筑，環境溫度控制在-2 ℃，每填筑5 cm夯實1次，壓實度控制在85%。填筑完成后采集初始溫度讀數和樁周土密度。保持環境溫度不變，48 h后測得樁間土的溫度穩定在-1 ℃左右。

群樁試驗溫度測點沿等邊三角形中線方向線性排列，距樁底15、25、35 cm分3層布置，測點單層布置如圖1所示。

圖1　群樁測點布置(單位：cm)

單樁溫度測溫點分別按距樁底15、25、35 cm布置，每層沿樁周往外120°方向線性布置，間距為5 cm，單層測點布置如圖2所示。

圖2　單樁測點布置(單位：cm)

2.3　樁體材料制作與填筑

樁體材料由生石灰、土和水泥混合組成。水泥摻入量為5%，通過輕型擊實試驗得到最大干密度為1.69 g/cm3，最優含水率為19.1%。試驗使用生石灰的氧化鈣含量為70%。樁體材料的含水率采用5%水泥土的最優含水率ω1與生石灰反應需水質量百分數ω2之和，即ω=ω1+ω2。考慮到石灰樁反應放熱融化樁周凍土中的冰，融化的大部分水會被生石灰吸收，使石灰樁進一步發生熟化反應，通過對生石灰中有效成分氧化鈣與水反應放出的熱量和凍土融化所需熱量的分析，初步確定生石灰、水泥和土的配比為60∶35∶5，含水率為21.6%。

樁體填筑待樁間土溫度穩定后進行(此時樁周土溫度保持在-1 ℃左右)，溫度控制在-2.0 ℃。樁體填筑前，先配備水泥含量5%、含水率為19.1%的灰土，然后加入生石灰和少量水拌和均勻后迅速填筑。相比較土、水泥和生石灰直接加水拌和可以減少熱量損失和體積膨脹，減緩生石灰反應速度，提高樁體填筑密實度。填筑完成后模型周圍包裹保溫材料，減少熱量散失。

單樁樁體填筑要求和群樁相同。不同之處是，單樁模型由于樁體膨脹后豎向位移較大，為限制石灰樁的豎向位移，填筑完成后在其頂部施加荷載，使其體積徑向膨脹，達到更好的擠密效果。圖3為單樁填筑試驗模型。

圖3　單樁填筑試驗模型

3　試驗結果及數據分析

3.1　群樁試驗分析

試驗填筑后，模型四周及頂部用保溫模板密封，數據采集間隔：10 h之內每0.5 h采集1次數據，10 h以后每1.0 h采集1次數據，溫度沒有明顯變化時試驗結束。石灰樁不同位置的溫度隨時間變化如圖4所示。

圖4　群樁試驗距樁底15、25、35 cm處的溫度變化

從圖4不難看出，不同測點的溫度隨時間的變化趨勢基本一致，均呈現先增大后減小的趨勢，但越遠離樁體曲線越平緩。同時，還可以發現測點溫度峰值(約43 ℃)出現在0.5～3 h后，距離樁體越遠峰值達到的時間越長，20 h后溫度基本穩定且溫度均在0 ℃以上。溫度曲線表明：石灰樁對樁間凍土的預融效果良好，且越靠近樁體預融效果越好；該配合比與樁間距布置存在熱富余量，可以適當增加樁間距或減少石灰比例。

通過解剖試驗，發現樁徑有膨脹現象，樁徑膨脹趨勢隨深度逐漸減小，樁頂和樁底膨脹率分別為140%和120%。表明石灰樁對樁間土有明顯的擠密作用，可在一定程度上提高樁間土承載力，間接提高石灰樁復合地基承載力。試驗數據及試驗模型的解剖表明試驗達到預期效果，生石灰、水泥和土配合比60∶35∶5的石灰樁融化了相鄰石灰樁之間的全部凍土。樁體有明顯的膨脹，樁徑變化隨深度逐漸減小，樁頂由初始的5 cm擴大到7 cm，樁底只擴大到6 cm。

3.2　單樁試驗分析

試驗填筑后，模型四周及頂部用保溫模板密封保溫，數據采集時間間隔：12 h之內每0.5 h采集1次數據，36 h內每1.0 h采集1次數據，36 h以后每2.0 h采集1次數據，溫度沒有明顯變化時試驗結束。

石灰樁單樁模型不同距離、不同深度樁周土溫度隨時間變化如圖5所示。

圖5　單樁試驗距樁底15、25、35 cm處的溫度變化

從圖5可以看出，單樁溫度曲線與群樁溫度曲線類似，溫度均隨時間的推移呈現先增大后減小的趨勢，且距樁體越遠曲線越平緩。但單樁溫度峰值達到的時間在6～30 h，溫度穩定時間在60～62 h。

從溫度時間曲線可以看出，距樁周5 cm處測點溫度1 h內升到0 ℃，6 h左右溫度達到最大值后逐漸降低，至62.5 h保持在4 ℃左右；距樁周10 cm處測點溫度2h升到0 ℃，12 h左右溫度達到最大值；距離樁周15 cm處測點溫度5h升至0 ℃，距樁周20 cm處測溫點8 h升至0 ℃；距樁周25 cm處測點溫度15 h升至0 ℃，距樁周30 cm和35 cm的測溫點也在42 h左右升至0 ℃，試驗結束后各點溫度穩定在4 ℃左右；距離樁周較近點的溫度略高于距離較遠的點。試驗數據表明：單樁模型試驗達到預期效果，石灰樁采用的配合比使模型邊界范圍內凍土全部融化。

通過解剖試驗發現，樁體也發生了膨脹現象，與群樁類似，樁徑膨脹趨勢隨深度逐漸減小，但樁頂和樁底膨脹率分別為137.5%和125%。在樁頂堆載8 kN的情況下，豎向向上有2 cm的位移，這說明在樁體擠密過程中應考慮限制豎向應力引起的位移來增強擠密效果。

試驗過程中，對模型不同位置的取樣，采用烘干法測試其含水率見表1。單樁試驗預融擠密前后樁周土干密度對比見表2。

表1　石灰擠密樁地基土不同位置處含水率變化

表2　單樁試驗預融擠密前后樁間土干密度

從表1各斷面試驗過程中不同距離土樣的含水率變化得出，石灰樁熟化過程會吸收樁周凍土融化的一部分水，樁體吸收水的能力隨距離的增大逐漸減小。

從表1數據可知，距離樁體越遠，樁間土的含水率越大，表明石灰樁放熱過程中，距離樁體越近對吸收和蒸發樁間土水分的作用越強烈。表2證實了石灰樁對樁周土有一定的擠密效果，試驗結束后樁周土的干密度、密實度有明顯提升，距離樁體越近的樁間土干密度增幅越大。崔瑩等[15]提出，在濕陷性黃土和填土路基中，石灰樁復合地基擠密影響區半徑隨著地基深度的增加而減小，影響區半徑為(3.02～3.36)R，而凍土地基模型試驗擠密影響區半徑為55 cm，為樁半徑的2.75倍。

4　結論及建議

(1)生石灰：水泥：土的配合比60∶5∶35，含水率21.6%，壓實度90%的石灰樁釋放的熱量能夠融化25%含冰量的2倍樁半徑范圍的凍土。單樁試驗結束后最低溫度保持在3 ℃，熱量富余較大，根據現場實際情況可適當減少生石灰比例或者增大樁間距。

(2)石灰樁對凍土地基的擠密影響半徑與黃土、填土地基相比較小，分析原因是凍土在凍結狀態具有較高的強度。模型試驗擠密影響區半徑是55 cm，為2.75倍樁的半徑。

(3)石灰樁在預融擠密凍土地基過程中會從樁周土體中吸收水分參與樁體熟化反應，根據現場實際情況，含水率可以適當減小。

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