深層攪拌石灰樁加固軟土地基
2012-01-10 來源：建設(shè)工程教育網(wǎng)
在高等級公路中，遇到不少涵洞、通道、擋土結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)物置于軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，施工期短暫時，成為不少建設(shè)單位和設(shè)計單位的棘手問題。針對這個問題，采用生石灰噴粉深層攪拌樁（簡稱石灰攪拌樁）進行軟土地基處理，具有技術(shù)簡單可行，且經(jīng)濟合理的特點，能有效地加固軟弱地基，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。
1、生石灰對軟粘土地基的基本作用
根據(jù)設(shè)計確定石灰攪拌樁鉆機的位置，啟動攪拌機，鉆進時噴射壓縮空氣，準(zhǔn)備加固的土在原位受到擾動。隨著鉆進到設(shè)計標(biāo)高，鉆機鉆頭反向旋轉(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，使土體和石灰進行充分拌和，形成具有整體性好，水穩(wěn)定性好和一定強度的石灰土樁。
通過機構(gòu)攪拌，將軟土重塑的同時摻入適量的石灰，石灰與軟土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種復(fù)雜的不溶于水的、將土顆粒粘結(jié)在一起的硅酸鈣凝膠，硅酸鈣凝膠起到包裹和聯(lián)結(jié)的作用，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在土顆粒間相互穿插，使土顆粒聯(lián)系得很牢固，改善了土的物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)揮了石灰固化劑的強化作用。
要形成硅酸鈣凝膠，只有在有足夠的水使Ca2+和OH-1離子能夠轉(zhuǎn)移到粘土顆粒表面時才能實現(xiàn)，利用土顆粒、水和石灰之間的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到這一目的，以改善土的性質(zhì)，具體來說，石灰對軟土的基本作用如下：
（1）生石灰與地基軟粘土通過強制做拌均勻，很快產(chǎn)生水化作用，形成 Ca（OH）2 .在這生石灰變?yōu)槭焓业倪^程中，產(chǎn)生的熱量促進水分蒸發(fā)，使軟土地基的含水量降低，同時石灰體積產(chǎn)生膨脹，此時膨脹力所作的功轉(zhuǎn)化為周圍土的變形位能。例如廣東省云浮硫鐵礦專用線有一座4.5m蓋板涵基礎(chǔ)采用石灰噴粉深層攪拌處理軟基，鉆頭直徑為500mm，形成石灰樁之后，在粉細(xì)砂層直徑增大為520mm，在軟土層直徑內(nèi)直徑增大為600-700mm，樁體體積增大，對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)過程使軟土顆粒結(jié)合水膜厚度減簿，土的塑性降低，土粒間的粘結(jié)力增加，土體強度和水穩(wěn)定性提高。
上述兩種化學(xué)反應(yīng)過程，主要發(fā)生在生石灰與軟土強制攪拌混合后的數(shù)小時內(nèi)，是石灰對軟粘土的早期基本作用。
（3）熟石灰與粘土顆粒中的活性硅鋁礦物進一步緩慢地產(chǎn)生化學(xué)作用，過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)過程將持續(xù)數(shù)年，是石灰對軟粘土的后期作用。
2、石灰攪拌樁身的排水固結(jié)作用
通過對一些工程施工的石灰攪拌樁觀測，發(fā)現(xiàn)施工期樁體含水量總是很高，直觀表現(xiàn)在樁頂?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)均大于樁間土。由于樁身材料拌合不均勻，以及配合比、摻合料不同，涮得樁身滲透系數(shù)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)，較粘土、亞粘土的滲透系數(shù)大10倍至100倍，說明石灰樁身排水固結(jié)作用較好。
圖1表示軟粘土地基經(jīng)石灰攪拌后滲透增長情況，K為滲透系數(shù)。用10％
生石灰作為固化劑時，軟粘土的滲透性系數(shù)隨著時間而直線上升；而用10％的水泥作為固化劑時，軟粘土的滲透系數(shù)隨著時間而直線下降。石灰適合于塑性指數(shù)較高的軟粘土地基，水泥適合于塑性指數(shù)較低的軟土地基。在相同條件下，用石灰處理的臨時加固效果在前數(shù)小時內(nèi)比水泥處理的要明顯來得快。
值得注意的是，當(dāng)石灰攪拌樁滲透系數(shù)K值足夠?。ㄈ畿浾惩恋鼗?，而樁的直徑d又足夠大（例d≥50cm時），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小。在天津塘沽軟土路基試驗中，于五年后挖出石灰樁，也發(fā)現(xiàn)樁身仍非常堅硬，日本的一份資料談到，即使在含水量高達(dá)100％的軟土中，石灰樁身強度也比周圍土的強度高達(dá)10倍以上。
3、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，石灰攪拌與未加固部分地基土形成復(fù)合地基，復(fù)合地基的強度包括攪拌樁樁體的強度和樁周土粘聚力增加后的強度，石灰攪拌樁與周圍地基相比具有更高的抗剪強度。與生石灰攪拌樁鄰接的樁周土，由于拌合時產(chǎn)生的高溫和凝聚反應(yīng)形成厚度達(dá)數(shù)厘米的高度硬殼，此層硬層的存在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，排水作用是可以發(fā)揮的。從對一些工程的天然土和單樁復(fù)合地基荷載試驗中，發(fā)現(xiàn)石灰攪拌樁復(fù)合地基的加荷后穩(wěn)定時間較天然土基為短，也就證實了石灰攪拌樁的排水固結(jié)作用。
石灰攪拌樁與樁間土的復(fù)合地基抗剪強度可用下式計算：
τˊ= （1-dˊs）Cˊ+ dˊsτp （1）
式中：τˊ -復(fù)合地基抗剪強度，KPa；
τˊP -石灰攪拌樁的抗剪強度，KPa；
dˊs -消化和凝硬反應(yīng)結(jié)束后石灰攪拌樁加固率（面積比）
dˊs =（1.5-1.8）ds （2）
ds -石灰攪拌樁置換率（面積比）
ds = πd2/4l2 （3）
d -石灰攪拌樁直徑，d=50cm；
l -石灰攪拌樁間中心距，cm；
Cˊ -石灰攪拌樁加固后地基土的粘聚力，KPa；
Cˊ=Co＋dΔP， （4）
式中：Co -原地基土的粘聚力，KPa；
d -經(jīng)石灰攪拌樁處理后的強度增加系數(shù)，d= 0.1-0.4；
ΔP -有效壓縮荷載，它是固結(jié)試驗曲線中與加固后孔隙比e‘對應(yīng)的壓縮荷載P’與固結(jié)屈服應(yīng)力Pc之差。
石灰攪拌加固后的地基，樁體強度高于樁間土。因此，在工程結(jié)構(gòu)荷載和車輛荷載作用下，土體被壓縮，承載力主要靠樁體承擔(dān)。由于土相對于樁有向下滑動的趨勢，樁面對樁周土產(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與向上的摩擦力兩部分之和。因此，靠近樁邊的土承受的壓力最小，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的土壓力盒測定結(jié)果，得出樁體和樁間土的荷載應(yīng)力分擔(dān)比n＝P/S=3-15（為石灰攪拌承擔(dān)的應(yīng)力，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，一般采用n=3～5較適宜。
石灰攪拌樁加固公路軟基的容許沉降量S用下式計算：
S=ΔH-ΔS （5）
式中：ΔH -加固前的地基土最終沉降量，cm；
ΔS -石灰攪拌樁在垂直方向產(chǎn)生的固結(jié)沉降，cm；
ΔS=HC*Δe/（1+e0） （6）
式中：HC -石灰攪拌樁的加固深度；
Δe -孔隙比的降低值；
Δe=e0-eˊ =GS*ΔH/100 （7）
式中：e0 -原地基的初始孔隙比；
e -地基加固后孔隙比；
Δw -由式（s）求出的含水量降低值；
GS -土顆粒比重。
據(jù)資料介紹某一路堤地基用深層攪拌石灰樁處理軟土地基，該地基由高靈敏度的粉質(zhì)軟粘土構(gòu)成，厚度6-12m，抗剪強度10KPa，含水量60％，經(jīng)室內(nèi)試驗表明，用制備的石灰加固試樣測試其抗剪強度，在10d后增加到50KPa，三個月后測試強度增加到100KPa，在試驗路堤4m高的下面，石灰攪拌樁的設(shè)計間距為1.0-1.2m，樁長10m.經(jīng)現(xiàn)場測試的沉降曲線表明，用石灰攪拌樁加固的地基沉降減少了大約60％，其沉降量為20-25m，設(shè)計計算值與實測值吻合較好。
4、生石灰劑量對石灰攪拌樁強度的影響
圖2表示不同的生石灰劑量對各種土的單軸抗壓強度的影響。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度，根據(jù)室內(nèi)試驗表明：（1）當(dāng)生石灰含量在6％- 18％的范圍內(nèi)變化時，石灰攪拌樁仍保持原來土壤的特性；（2）不同土性的石灰粉滲入量各有最佳滲人量區(qū)間，大于或小于這一區(qū)間的滲入量，都得不到經(jīng)濟的加固效果。
生石灰的膨脹力與生石灰的含量成正比，但膨脹應(yīng)力的大小，則與生石灰有效氧化鈣含量、約束力的大小和方向、熟化的快慢有關(guān)，如采用有效氧化鈣含量為85％-89％的生石灰，讓其在近似完全約束的條件下熟化，測得其軸向膨脹應(yīng)力最高可達(dá)11.6MPa，隨著周圍約束的放松，軸向膨脹應(yīng)力急劇減少，膨脹力所做的功已轉(zhuǎn)化為周圍土的變形位能而趨于平衡?？傊瑢τ谝话愕牡鼗ㄌ貏e是軟土），當(dāng)生石灰用量超過一定界限時，其約束力絕對不可能阻止石灰攪拌樁的膨脹，巨大的膨脹力必將在相當(dāng)范圍內(nèi)傳布，這就是石灰攪拌樁直徑增大的原因。
5、石灰攪拌樁的強度取決于軟粘土的含水量
石灰攪拌樁的強度能否形成和強度高低，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，否則無法形成強度。另一方面水又不能過多，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)生成有一定強度的膠結(jié)物質(zhì)條件，形成較高的強度。由于石灰攪拌樁中的水分在強度形成中得到消耗，灰土含水量就會大幅度減少，甚至由流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛菜苣酥翀杂矤顟B(tài)，從而大大提高石灰土的強度。圖3為石灰土抗剪強度軟土含水量、時間的變化情況，縱軸表示石灰土的抗剪強度，橫軸表示軟粘土含水量。從圖3可以看出：
6、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)而形成強度的，不同的土質(zhì)會產(chǎn)生不同的加固效果，其適宜的加固土粒徑范圍如圖4所示，圖中陰影部分為適宜的石灰攪拌樁應(yīng)用范圍，可用于公路工程的軟粘土中的擋土結(jié)構(gòu)，開挖護坡、橋涵通道結(jié)構(gòu)地基等。
粘土顆粒粒徑小，表面積大，分散性大，穩(wěn)定性差，容易和石灰發(fā)生反應(yīng)，并且粘土較小的滲透系數(shù)?？墒故覕嚢铇逗拷档?，所以石灰攪拌樁適宜處理軟粘土地基。在軟粘土礦物成份中，高嶺土、伊利土和蒙脫土為三種主要的粘土礦物成分，而從結(jié)構(gòu)、能量和成份三個方面又可以說明蒙脫土最容易與石灰發(fā)生反應(yīng)，例如對于淤泥質(zhì)粘土土樣用X射線衍射礦物分析，穩(wěn)定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，約一個多小時就完全崩解為泥漿，崩解速度與一般粘土十分接近，說明了這類粘土恰恰缺少蒙脫土類粘土礦物，石灰較難與土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不能大量生成碳酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)，致使石灰攪拌樁強度較低，也揭示了石灰攪拌樁適宜于蒙脫土類礦物含量高的粘土地基。
7、結(jié)語
通過分析，可見石灰攪拌樁處理軟粘士和淤泥質(zhì)粘土地基的效果是明顯的，用石灰攪拌樁處理后的地基，滲透性增大，石灰攪拌樁有助于排水固結(jié)，經(jīng)處理后復(fù)合地基降低了軟土含水量，增大了粘聚力，復(fù)合地基的強度得到了提高，可以取得較好的經(jīng)濟效益，適宜用于高等級公路的擋土結(jié)構(gòu)、橋涵、通道的軟土地基中。
