石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基的效果探討

張辰熙， 王吉良

（黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

我國(guó)的多年凍土主要分布在東北大、小興安嶺、松嫩平原北部及高山地帶和青藏高原上，在季節(jié)凍土區(qū)的一些高山上也有零星分布，總面積約215萬(wàn)km2，占全國(guó)面積的22.4%，其中島狀多年凍土的分布更加廣闊[1]。

島狀多年凍土普遍年平均地溫較高，且具有熱敏感性極強(qiáng)的性質(zhì)，當(dāng)其作為工程建設(shè)的地基時(shí)，其熱穩(wěn)定性非常差，融化后會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降等問(wèn)題，且自身承載力降低也不能滿足上部建筑的要求，影響工程建設(shè)的安全及穩(wěn)定性，國(guó)家相關(guān)規(guī)范已明確指出島狀多年凍土不宜直接用作建筑地基[2]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，建筑工程也隨之飛速發(fā)展，造成可用于工程建設(shè)的土地不斷減少，使得利用島狀多年凍土作為地基的工程建設(shè)屢見(jiàn)不鮮，然而島狀多年凍土不穩(wěn)定的性質(zhì)，就要求有完整成熟的地基處理技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，才能作為地基使用[3,4]。近些年來(lái)，我國(guó)的地基處理技術(shù)有了很大發(fā)展，但對(duì)于處理島狀多年凍土地基，尤其是在建筑工程領(lǐng)域，尚屬空白[5,6]。

文中通過(guò)在漠河機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程中進(jìn)行石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基試驗(yàn)，采用石灰樁法對(duì)島狀多年凍土地基進(jìn)行預(yù)融處理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及監(jiān)測(cè)，得到處理后的復(fù)合地基承載力、樁身及地基土變形、地基土溫度及含水率等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理分析，驗(yàn)證了石灰樁處理多年凍土地基的可行性及有效性。

1 試驗(yàn)概況

漠河機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程位于我國(guó)黑龍江省漠河市漠河古蓮機(jī)場(chǎng)，石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基試驗(yàn)場(chǎng)地地層由上至下描述如下：

（1） 人工填土：雜色，原有跑道兩側(cè)主要由碎石組成，防吹坪附近主要由砂礫石組成，其他位置多為礫質(zhì)粘性土組成。1.0～1.5m以上凍結(jié)，可見(jiàn)大量冰晶。層厚0.3～7.0m。

（2） 全風(fēng)化凝灰?guī)r：灰黃色，全風(fēng)化，巖心手捻呈粉砂及粘土狀。凍結(jié)范圍內(nèi)，肉眼未見(jiàn)分凝冰。層頂埋深0.3～6.9m，該層未鉆穿。

試驗(yàn)場(chǎng)地屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為-5.5℃，1月份平均溫度-30.9℃，7月份平均溫度為18.4℃；場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍深3.0m，最大季節(jié)凍深3.8m，標(biāo)準(zhǔn)融深2.8m，最大季節(jié)融深3.8m。場(chǎng)地多年凍土屬退化型凍土，并且屬高溫島狀不穩(wěn)定凍土，地溫在-0.1～0℃區(qū)間，地基土為不融沉-弱融沉土，局部存在融沉區(qū)。

試驗(yàn)采用石灰樁預(yù)融處理多年凍土地基，石灰樁樁身選用生石灰、土、水泥、煤渣及水混合材料，設(shè)計(jì)樁徑400mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12.0m，樁頂埋深位于自然地面下6.0m，樁基施工采用螺旋鉆取土鉆孔，成孔后混合材料投入樁孔內(nèi)并重錘夯實(shí)，形成石灰樁體，樁頂采用素土夯實(shí)。根據(jù)機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)際施工的需要，試驗(yàn)共設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每區(qū)共布置8根試驗(yàn)樁，試驗(yàn)1區(qū)采用樁間距為2.5倍樁徑布樁，試驗(yàn)1區(qū)采用樁間距為3倍樁徑布樁，兩試驗(yàn)區(qū)樁位布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)區(qū)樁位布置（單位：m）

2 試驗(yàn)方案

石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基試驗(yàn)的原理為：石灰樁樁體成型后，樁身混合材料中的生石灰與水反應(yīng)放熱使樁周多年凍土融化，同時(shí)生石灰又不斷吸收融化后樁周土中水分，加快樁周地基土融化固結(jié)速度；生石灰熟化反應(yīng)后體積膨脹，對(duì)樁周地基土形成擠密效果，有效的減小地基土沉降變形。根據(jù)該試驗(yàn)的原理，試驗(yàn)方案包括以下幾部分：

（1） 通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)樁身混合材料進(jìn)行比對(duì)分析，確定樁身混合材料的性能及配合比；進(jìn)行模型試驗(yàn)，驗(yàn)證石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基的可行性。

（2） 在兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)及場(chǎng)區(qū)外預(yù)埋測(cè)溫元件，對(duì)地溫變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行石灰樁施工，嚴(yán)格控制石灰樁樁身材料的夯實(shí)度。觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地地面的變形。

（3） 進(jìn)行樁間土載荷試驗(yàn)、石灰樁增強(qiáng)體載荷試驗(yàn)及石灰樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下水位的變化。

（4） 進(jìn)行地基土含水率試驗(yàn)，施工后開(kāi)挖探坑取樣測(cè)量樁體及樁周土的含水率變化，同時(shí)通過(guò)開(kāi)挖探坑檢驗(yàn)石灰樁的成樁效果。

3 試驗(yàn)過(guò)程

（1） 室內(nèi)試驗(yàn)。按照就地取材的原則，選用生石灰、礫質(zhì)粘性土及水泥作為室內(nèi)模型試驗(yàn)材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定樁身材料的性能及配合比，驗(yàn)證石灰樁處理島狀多年凍土地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的可行性，并提出合理的施工工藝和試驗(yàn)方法[7,8]。

（2） 地溫監(jiān)測(cè)。地溫監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)采集測(cè)試系統(tǒng)，包括天然地溫監(jiān)測(cè)及樁周地基土體溫度監(jiān)測(cè)，為適應(yīng)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)低溫環(huán)境，測(cè)溫系統(tǒng)選用測(cè)溫范圍大、測(cè)量精度高的熱敏電阻作為測(cè)溫元件。測(cè)溫系統(tǒng)在試驗(yàn)樁施工前完成安裝測(cè)試，以記錄試驗(yàn)區(qū)初始的地溫?cái)?shù)據(jù)。為避免鉆孔施工對(duì)測(cè)溫元件造成損壞，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的測(cè)溫點(diǎn)位施工測(cè)溫孔，同時(shí)采用外包塑料管對(duì)測(cè)溫線進(jìn)行保護(hù)。試驗(yàn)共布置8處測(cè)溫孔，布置原則為選取樁間的中心位置。

（3） 試驗(yàn)樁施工。根據(jù)漠河機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程既定的試驗(yàn)區(qū)邊界，經(jīng)測(cè)量放線定位，確定兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)樁的樁點(diǎn)位置及間距。試驗(yàn)樁施工采用長(zhǎng)螺旋鉆取土成孔，為防止成孔后孔內(nèi)塌方造成試驗(yàn)樁長(zhǎng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，成孔后隨即測(cè)量孔深，如深度不符合設(shè)計(jì)要求，利用鉆機(jī)復(fù)鉆直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度，并立即按照設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行樁身材料配置、填入（由于施工期為冬季且生石灰具有遇水急劇反應(yīng)的特性，為避免生石灰在入孔前完全反應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)樁身材料攪拌配置過(guò)程時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，并在攪拌均勻后立即填入孔內(nèi)）、夯實(shí)（夯實(shí)效果滿足相關(guān)規(guī)范要求，現(xiàn)在派專職人員監(jiān)管），直至達(dá)到設(shè)計(jì)的樁頂高度（距自然地面6m）后，最后采用素土夯實(shí)封孔，形成石灰樁樁體。

（4） 變形測(cè)量。試驗(yàn)樁施工完成后，按照《建筑變形測(cè)量規(guī)范》的相關(guān)要求，采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)試驗(yàn)區(qū)地面的變形情況進(jìn)行測(cè)量，共布置12處變形觀測(cè)點(diǎn)，其中：觀測(cè)點(diǎn)G1～G6布置在試驗(yàn)1區(qū)，觀測(cè)點(diǎn)G7～G12 布置在試驗(yàn) 2 區(qū)，其中 G1、G2、G3、G7、G8、G9為樁間土變形觀測(cè)點(diǎn)，采用地面淺埋標(biāo)，G4、G5、G6、G10、G11、G12為石灰樁變形觀測(cè)點(diǎn)，采用深埋標(biāo)，底部埋入石灰樁樁體內(nèi)，并通過(guò)鋼管將標(biāo)志引到地面。

（5） 載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)樁施工完成后，按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的要求，采用大型機(jī)械配重法進(jìn)行石灰樁增強(qiáng)體載荷試驗(yàn)、樁間土載荷試驗(yàn)及復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。由于機(jī)場(chǎng)不停航條件的限制，能用于進(jìn)行載荷試驗(yàn)的時(shí)間較短，試驗(yàn)的加載方式采用快速維持荷載法。載荷試驗(yàn)點(diǎn)平面位置見(jiàn)圖2。

圖2 載荷試驗(yàn)點(diǎn)位置

（6） 含水率試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)挖探坑及含水率測(cè)試孔分別對(duì)樁體及樁周土進(jìn)行含水率測(cè)量試驗(yàn)。其中開(kāi)挖探坑是根據(jù)補(bǔ)充試驗(yàn)方案要求，開(kāi)挖直徑1300mm，深度13.0m的探坑，其中5.0～8.0m深度范圍內(nèi)每1.0厚度取樣、8.0～13.0m深度范圍內(nèi)每0.5m厚度取樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)，并可以直接觀察石灰樁膨脹后的成樁質(zhì)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

（1） 通過(guò)石灰樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了石灰樁理論上能有效的融化樁周多年凍土并對(duì)融化后的地基土產(chǎn)生明顯的擠密效果的可行性。

（2） 因樁周多年凍土融化后形成較多自由水，為保證石灰樁成樁質(zhì)量及預(yù)融處理效果，配置的樁身混合材料含水率不宜過(guò)高，通過(guò)試驗(yàn)確定含水率宜控制在17%左右。

（3） 石灰樁處理島狀多年凍土地基形成“熟化反應(yīng)放熱-融化樁周凍土-吸收凍土融化的水分-吸水熟化放熱”的循環(huán)過(guò)程，不但可融化樁周多年凍土，同時(shí)能降低地基土融化后的含水率，加快地基土沉降固結(jié)。

（4） 試驗(yàn)推斷出現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)在石灰樁夯實(shí)滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，樁身混合材料中生石灰塊的粒徑控制在60mm以內(nèi)，融化多年凍土的效果較好。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

（1） 通過(guò)分析3處天然地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可知CWK1和CWK3在3.0m以下均為正溫；CWK2只有在1月份-9.5～-12.0m深度范圍內(nèi)為負(fù)溫，且最低溫度僅為-0.12℃。分析由于場(chǎng)地地溫較高，測(cè)溫孔在鉆孔施工時(shí)，樁周凍土融化后未回凍，該測(cè)溫期間3處測(cè)溫孔孔周土體處于融土狀態(tài)。天然地溫觀測(cè)情況見(jiàn)圖3。

圖3 CWK2天然地溫深度曲線

（2） 通過(guò)分析樁周凍土溫度變化數(shù)據(jù)，可知利用石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基，樁體內(nèi)生石灰熟化釋放的熱量可完全融化樁周多年凍土，樁周多年凍土融化后升溫幅度較大，約在100h達(dá)到溫度峰值35℃，升溫后降溫的速度緩慢，分析是由于生石灰熟化釋放的熱量較多，且石灰樁樁頂暖土覆蓋層較厚，熱量無(wú)法快速消散。樁周土地溫變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 C3測(cè)溫孔地溫變化曲線

（3） 石灰樁施工完成后，樁體生石灰熟化放熱體積膨脹，融化并擠密樁周多年凍土，有效避免多年凍土融化后固結(jié)沉降和鉆孔取土施工造成的地基土下沉。

試驗(yàn)對(duì)石灰樁樁體及樁間土向上隆起變形情況進(jìn)行觀測(cè)，共觀測(cè)150d，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知石灰樁樁體及樁間土前期變形較快，約在施工完成后10d達(dá)到變形最大值，向上的最大變形量為3.2cm，樁間土向上的最大變形量為3.1cm，之后向上的變形值逐漸下降，約在13d后即已趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間較短，可滿足上部結(jié)構(gòu)的使用要求。石灰樁及樁間土的向上變形情況圖如圖5、圖6所示。

圖5 試驗(yàn)1區(qū)樁體及樁間土變形曲線

圖6 試驗(yàn)2區(qū)樁體及樁間土變形曲線

（4） 試驗(yàn)區(qū)石灰樁施工完成后，待樁周地基土溫度和變形區(qū)域穩(wěn)定后，分別對(duì)石灰樁增強(qiáng)體、樁間土地基及樁土復(fù)合地基分別進(jìn)行兩組載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖12所示。

通過(guò)圖7、圖8試驗(yàn)曲線可知，石灰樁處理島狀多年凍土地基后，石灰樁豎向增強(qiáng)體承載力特征值為70～80kN，可見(jiàn)其成樁效果明顯，樁體的承載能力較高；因現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)條件限制，樁間土載荷試驗(yàn)未加載至破壞，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，取其比例極限作為承載力特征值，通過(guò)圖9、圖10試驗(yàn)曲線可知，T1試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取200kPa，T2試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取180kPa，高于勘察期間該層地基土融化固結(jié)后地基承載力特征值180kPa，證明了石灰樁體膨脹對(duì)融化后樁間土的具有較好的擠密效果，提高了樁間土的承載能力；同理，復(fù)合地基載荷試驗(yàn)未加載至破壞，取其比例極限作為承載力特征值，通過(guò)圖11、圖12試驗(yàn)曲線可知，D1試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取366kPa，D2試驗(yàn)點(diǎn)承載力檢測(cè)值達(dá)到333kPa，相比勘察期間該層地基土融化固結(jié)后地基承載力特征值180kPa提高了85%～103%，可以滿足地基承載力為200kPa的設(shè)計(jì)要求。

圖7 S1豎向增強(qiáng)體載荷試驗(yàn)Q-s曲線（樁間距2.5倍樁徑）

圖8 S2豎向增強(qiáng)體載荷試驗(yàn)Q-s曲線（樁間距3.0倍樁徑）

圖9 T1樁間土地基載荷試驗(yàn)P-s曲線（樁間距2.5倍樁徑）

圖10 T2樁間土地基載荷試驗(yàn)P-s曲線（樁間距3.0倍樁徑）

圖11 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)P-s曲線（樁間距2.5倍樁徑）

圖12 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)P-s曲線（樁間距3.0倍樁徑）

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，樁間距的不同對(duì)石灰樁豎向增強(qiáng)體承載力影響不明顯；而當(dāng)樁間距較小時(shí)，樁間土承載力和復(fù)合地基承載力均較高，石灰樁膨脹對(duì)樁間土的擠密效果越明顯，土體被增強(qiáng)的效果越好。

（5） 采用鋼板護(hù)壁開(kāi)挖探坑，測(cè)試孔取樣測(cè)試樁土的含水率，探坑挖至地下13m深度附近時(shí)，探坑壁開(kāi)始出水，停止開(kāi)挖。開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)石灰樁成樁效果較好，樁徑由400mm膨脹至440mm，石灰樁樁體含水率比夯填前有了顯著提高，樁周凍土融化后含水率較融化前變化不大，說(shuō)明石灰樁樁身生石灰吸水能力較強(qiáng)，吸水效果很好，熟化程度較高。石灰樁施工后樁體、樁間土，施工前含水率測(cè)試孔及勘察階段含水率變化如表1所示。

表1 不同工況的含水率

通過(guò)表1不同工況時(shí)含水率的變化可知，石灰樁體的含水率由配置時(shí)的17%提高到了平均24.2%左右，樁間土的含水率由23.4%降低至20.7%，證明了石灰樁具有良好的吸水能力，驗(yàn)證了其“熟化反應(yīng)放熱-融化樁周凍土-吸收凍土融化的水分-吸水熟化放熱”循環(huán)過(guò)程的真實(shí)性及可行性。

開(kāi)挖探坑時(shí)發(fā)現(xiàn)存在零星大塊生石灰僅表面熟化而其內(nèi)部并未完成熟化反應(yīng)，所以在石灰樁施工中，應(yīng)確保施工質(zhì)量，嚴(yán)格控樁體材料中生石灰的粒徑大小，如有條件，盡量使用細(xì)粒狀生石灰，避免大塊生石灰未完全熟化，對(duì)工程造成隱患。多年凍土處于凍結(jié)狀態(tài)時(shí)，具有天然隔水的效果，形成豎向隔水層，其融化后失去隔水的性能，地基土中的自由水就會(huì)順著融化土體中的空隙自由流動(dòng)，造成在開(kāi)挖探坑時(shí)，坑壁有出水現(xiàn)象。

5 應(yīng)用展望

該試驗(yàn)由于場(chǎng)地限制，區(qū)域設(shè)置較小，樁數(shù)布置較少，與實(shí)際大面積施工時(shí)的工況會(huì)有一些差別，但已使預(yù)融處理島狀多年凍土地基從理論到實(shí)踐邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，并填補(bǔ)了建筑工程上處理島狀多年凍土的空白。今后要加大試驗(yàn)規(guī)模，做好細(xì)節(jié)工作的分析和處理，繼續(xù)島狀多年凍土地基的預(yù)融處理方法的研究，將石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土技術(shù)完善成熟，早日應(yīng)用到在實(shí)際的工程建設(shè)當(dāng)中。

6 結(jié)語(yǔ)

（1） 針對(duì)島狀多年凍土熱敏感性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)及一系列的輔助試驗(yàn)，驗(yàn)證了石灰樁預(yù)融處理島狀多年凍土地基的可行性和有效性。

（2） 石灰樁施工完成后，樁體混合材料中的生石灰熟化放熱并體積膨脹，融化樁周多年凍土并對(duì)其產(chǎn)生側(cè)向擠密的效果，有效降低了多年凍土融化產(chǎn)生的固結(jié)沉降和鉆孔取土施工造成的地基土下沉變形，使島狀多年凍土地基變形滿足上部結(jié)構(gòu)的使用要求。

（3） 采用載荷試驗(yàn)分別檢測(cè)石灰樁豎向增強(qiáng)體、樁間土地基及樁土復(fù)合地基的承載力，石灰樁豎向增強(qiáng)體成樁效果明顯、承載力較高；樁間土地基承載力的提高驗(yàn)證了石灰樁膨脹對(duì)樁周多年凍土融化后的擠密效果；樁土復(fù)合地基承載滿足地基承載力設(shè)計(jì)要求。

（4） 島狀多年凍土融化后失去了天然隔水的性能，改變了原有地基土內(nèi)地下水流動(dòng)走向，這是否會(huì)降低復(fù)合地基的承載力，增大工后變形，有待進(jìn)一步驗(yàn)證和研究。