石灰樁預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研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

我國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，在季節凍土區的一些高山上也有零星分布，總面積約215萬km2，占全國面積的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的性質，當其作為工程建設的地基時，其熱穩定性非常差，融化后會出現不均勻沉降等問題，且自身承載力降低也不能滿足上部建筑的要求，影響工程建設的安全及穩定性，國家相關規范已明確指出島狀多年凍土不宜直接用作建筑地基[2]。隨著中國經濟持續快速增長，建筑工程也隨之飛速發展，造成可用于工程建設的土地不斷減少，使得利用島狀多年凍土作為地基的工程建設屢見不鮮，然而島狀多年凍土不穩定的性質，就要求有完整成熟的地基處理技術對其進行處理，才能作為地基使用[3,4]。近些年來，我國的地基處理技術有了很大發展，但對于處理島狀多年凍土地基，尤其是在建筑工程領域，尚屬空白[5,6]。

文中通過在漠河機場改擴建工程中進行石灰樁預融處理島狀多年凍土地基試驗，采用石灰樁法對島狀多年凍土地基進行預融處理，通過現場檢驗及監測，得到處理后的復合地基承載力、樁身及地基土變形、地基土溫度及含水率等實測數據，經過處理分析，驗證了石灰樁處理多年凍土地基的可行性及有效性。

1 試驗概況

漠河機場改擴建工程位于我國黑龍江省漠河市漠河古蓮機場，石灰樁預融處理島狀多年凍土地基試驗場地地層由上至下描述如下：

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

（2） 全風化凝灰巖：灰黃色，全風化，巖心手捻呈粉砂及粘土狀。凍結范圍內，肉眼未見分凝冰。層頂埋深0.3～6.9m，該層未鉆穿。

試驗場地屬于寒溫帶大陸性季風氣候，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℃；場地標準凍深3.0m，最大季節凍深3.8m，標準融深2.8m，最大季節融深3.8m。場地多年凍土屬退化型凍土，并且屬高溫島狀不穩定凍土，地溫在-0.1～0℃區間，地基土為不融沉-弱融沉土，局部存在融沉區。

試驗采用石灰樁預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，設計樁徑400mm，設計樁長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并重錘夯實，形成石灰樁體，樁頂采用素土夯實。根據機場項目實際施工的需要，試驗共設置兩個試驗區，每區共布置8根試驗樁，試驗1區采用樁間距為2.5倍樁徑布樁，試驗1區采用樁間距為3倍樁徑布樁，兩試驗區樁位布置情況見圖1。

圖1 試驗區樁位布置（單位：m）

2 試驗方案

石灰樁預融處理島狀多年凍土地基試驗的原理為：石灰樁樁體成型后，樁身混合材料中的生石灰與水反應放熱使樁周多年凍土融化，同時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速度；生石灰熟化反應后體積膨脹，對樁周地基土形成擠密效果，有效的減小地基土沉降變形。根據該試驗的原理，試驗方案包括以下幾部分：

（1） 通過試驗，對樁身混合材料進行比對分析，確定樁身混合材料的性能及配合比；進行模型試驗，驗證石灰樁預融處理島狀多年凍土地基的可行性。

（2） 在兩個試驗區內及場區外預埋測溫元件，對地溫變化進行實時監測。現場進行石灰樁施工，嚴格控制石灰樁樁身材料的夯實度。觀測試驗區場地地面的變形。

（3） 進行樁間土載荷試驗、石灰樁增強體載荷試驗及石灰樁復合地基載荷試驗。觀測試驗區內地下水位的變化。

（4） 進行地基土含水率試驗，施工后開挖探坑取樣測量樁體及樁周土的含水率變化，同時通過開挖探坑檢驗石灰樁的成樁效果。

3 試驗過程

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

（2） 地溫監測。地溫監測采用自動采集測試系統，包括天然地溫監測及樁周地基土體溫度監測，為適應試驗場區低溫環境，測溫系統選用測溫范圍大、測量精度高的熱敏電阻作為測溫元件。測溫系統在試驗樁施工前完成安裝測試，以記錄試驗區初始的地溫數據。為避免鉆孔施工對測溫元件造成損壞，嚴格按照設計的測溫點位施工測溫孔，同時采用外包塑料管對測溫線進行保護。試驗共布置8處測溫孔，布置原則為選取樁間的中心位置。

（3） 試驗樁施工。根據漠河機場改擴建工程既定的試驗區邊界，經測量放線定位，確定兩個試驗區試驗樁的樁點位置及間距。試驗樁施工采用長螺旋鉆取土成孔，為防止成孔后孔內塌方造成試驗樁長度不滿足設計要求，成孔后隨即測量孔深，如深度不符合設計要求，利用鉆機復鉆直至達到設計要求深度，并立即按照設計配合比進行樁身材料配置、填入（由于施工期為冬季且生石灰具有遇水急劇反應的特性，為避免生石灰在入孔前完全反應，現場樁身材料攪拌配置過程時間不宜過長，并在攪拌均勻后立即填入孔內）、夯實（夯實效果滿足相關規范要求，現在派專職人員監管），直至達到設計的樁頂高度（距自然地面6m）后，最后采用素土夯實封孔，形成石灰樁樁體。

（4） 變形測量。試驗樁施工完成后，按照《建筑變形測量規范》的相關要求，采用精密水準儀對試驗區地面的變形情況進行測量，共布置12處變形觀測點，其中：觀測點G1～G6布置在試驗1區，觀測點G7～G12 布置在試驗 2 區，其中 G1、G2、G3、G7、G8、G9為樁間土變形觀測點，采用地面淺埋標，G4、G5、G6、G10、G11、G12為石灰樁變形觀測點，采用深埋標，底部埋入石灰樁樁體內，并通過鋼管將標志引到地面。

（5） 載荷試驗。試驗樁施工完成后，按照《建筑地基處理技術規范》的要求，采用大型機械配重法進行石灰樁增強體載荷試驗、樁間土載荷試驗及復合地基載荷試驗。由于機場不停航條件的限制，能用于進行載荷試驗的時間較短，試驗的加載方式采用快速維持荷載法。載荷試驗點平面位置見圖2。

圖2 載荷試驗點位置

（6） 含水率試驗。通過對試驗場地開挖探坑及含水率測試孔分別對樁體及樁周土進行含水率測量試驗。其中開挖探坑是根據補充試驗方案要求，開挖直徑1300mm，深度13.0m的探坑，其中5.0～8.0m深度范圍內每1.0厚度取樣、8.0～13.0m深度范圍內每0.5m厚度取樣進行含水率試驗，并可以直接觀察石灰樁膨脹后的成樁質量。

4 試驗結果及分析

4.1 室內試驗

（1） 通過石灰樁室內模型試驗，驗證了石灰樁理論上能有效的融化樁周多年凍土并對融化后的地基土產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量及預融處理效果，配置的樁身混合材料含水率不宜過高，通過試驗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”的循環過程，不但可融化樁周多年凍土，同時能降低地基土融化后的含水率，加快地基土沉降固結。

（4） 試驗推斷出現場原型試驗在石灰樁夯實滿足規范要求的基礎上，樁身混合材料中生石灰塊的粒徑控制在60mm以內，融化多年凍土的效果較好。

4.2 現場試驗

（1） 通過分析3處天然地溫監測數據，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深度范圍內為負溫，且最低溫度僅為-0.12℃。分析由于場地地溫較高，測溫孔在鉆孔施工時，樁周凍土融化后未回凍，該測溫期間3處測溫孔孔周土體處于融土狀態。天然地溫觀測情況見圖3。

圖3 CWK2天然地溫深度曲線

（2） 通過分析樁周凍土溫度變化數據，可知利用石灰樁預融處理島狀多年凍土地基，樁體內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，熱量無法快速消散。樁周土地溫變化情況見圖4。

圖4 C3測溫孔地溫變化曲線

（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沉降和鉆孔取土施工造成的地基土下沉。

試驗對石灰樁樁體及樁間土向上隆起變形情況進行觀測，共觀測150d，通過對觀測數據進行分析，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后即已趨于穩定，穩定時間較短，可滿足上部結構的使用要求。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1區樁體及樁間土變形曲線

圖6 試驗2區樁體及樁間土變形曲線

（4） 試驗區石灰樁施工完成后，待樁周地基土溫度和變形區域穩定后，分別對石灰樁增強體、樁間土地基及樁土復合地基分別進行兩組載荷試驗，試驗結果如圖7～圖12所示。

通過圖7、圖8試驗曲線可知，石灰樁處理島狀多年凍土地基后，石灰樁豎向增強體承載力特征值為70～80kN，可見其成樁效果明顯，樁體的承載能力較高；因現場載荷試驗條件限制，樁間土載荷試驗未加載至破壞，根據相關規范要求，取其比例極限作為承載力特征值，通過圖9、圖10試驗曲線可知，T1試驗點承載力特征值取200kPa，T2試驗點承載力特征值取180kPa，高于勘察期間該層地基土融化固結后地基承載力特征值180kPa，證明了石灰樁體膨脹對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，復合地基載荷試驗未加載至破壞，取其比例極限作為承載力特征值，通過圖11、圖12試驗曲線可知，D1試驗點承載力特征值取366kPa，D2試驗點承載力檢測值達到333kPa，相比勘察期間該層地基土融化固結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的設計要求。

圖7 S1豎向增強體載荷試驗Q-s曲線（樁間距2.5倍樁徑）

圖8 S2豎向增強體載荷試驗Q-s曲線（樁間距3.0倍樁徑）

圖9 T1樁間土地基載荷試驗P-s曲線（樁間距2.5倍樁徑）

圖10 T2樁間土地基載荷試驗P-s曲線（樁間距3.0倍樁徑）

圖11 復合地基載荷試驗P-s曲線（樁間距2.5倍樁徑）

圖12 復合地基載荷試驗P-s曲線（樁間距3.0倍樁徑）

通過試驗數據可知，樁間距的不同對石灰樁豎向增強體承載力影響不明顯；而當樁間距較小時，樁間土承載力和復合地基承載力均較高，石灰樁膨脹對樁間土的擠密效果越明顯，土體被增強的效果越好。

（5） 采用鋼板護壁開挖探坑，測試孔取樣測試樁土的含水率，探坑挖至地下13m深度附近時，探坑壁開始出水，停止開挖。開挖時發現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，說明石灰樁樁身生石灰吸水能力較強，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

通過表1不同工況時含水率的變化可知，石灰樁體的含水率由配置時的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，驗證了其“熟化反應放熱-融化樁周凍土-吸收凍土融化的水分-吸水熟化放熱”循環過程的真實性及可行性。

開挖探坑時發現存在零星大塊生石灰僅表面熟化而其內部并未完成熟化反應，所以在石灰樁施工中，應確保施工質量，嚴格控樁體材料中生石灰的粒徑大小，如有條件，盡量使用細粒狀生石灰，避免大塊生石灰未完全熟化，對工程造成隱患。多年凍土處于凍結狀態時，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順著融化土體中的空隙自由流動，造成在開挖探坑時，坑壁有出水現象。

5 應用展望

該試驗由于場地限制，區域設置較小，樁數布置較少，與實際大面積施工時的工況會有一些差別，但已使預融處理島狀多年凍土地基從理論到實踐邁出了堅實的一步，并填補了建筑工程上處理島狀多年凍土的空白。今后要加大試驗規模，做好細節工作的分析和處理，繼續島狀多年凍土地基的預融處理方法的研究，將石灰樁預融處理島狀多年凍土技術完善成熟，早日應用到在實際的工程建設當中。

6 結語

（1） 針對島狀多年凍土熱敏感性強、熱穩定性差的特點，通過室內模型試驗、現場原型試驗及一系列的輔助試驗，驗證了石灰樁預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其產生側向擠密的效果，有效降低了多年凍土融化產生的固結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構的使用要求。

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

（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地下水流動走向，這是否會降低復合地基的承載力，增大工后變形，有待進一步驗證和研究。