深層攪拌石灰樁加固軟土地基

深層攪拌石灰樁加固軟土地基 摘 要 討論深層攪拌石灰樁強度形成機理，加固處理公路軟基的有效性和應用條件。該方法具有設備簡單、施工方便、經濟效益好的特點。 關鍵詞 公路軟基；復合地基；深層攪拌石灰樁 在高等級公路中，遇到不少涵洞、通道、擋土結構等結構物置于軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，施工期短暫時，成為不少建設單位和設計單位的棘手問題。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，具有技術簡單可行，且經濟合理的特點，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 根據設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，準備加固的土在原位受到擾動。隨著鉆進到設計標高，鉆機鉆頭反向旋轉，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產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)生化學反應，形成一種復雜的不溶于水的、將土顆粒粘結在一起的硅酸鈣凝膠，硅酸鈣 凝膠起到包裹和聯結的作用，形成網狀結構，在土顆粒間相互穿插，使土顆粒聯系得很牢固，改善了土的物理力學性質，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離子能夠轉移到粘土顆粒表面時才能實現，利用土顆粒、水和石灰之間的化學反應達到這一目的，以改善土的性質，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，很快產生水化作用，形成 Ca（ OH） 2 .在這生石灰變?yōu)槭焓业倪^程中，產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 產生膨脹，此時膨脹力所作的功轉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，在粉細砂層直徑增大為 520mm，在軟土層直徑內直徑增大為 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生絮凝反應作用，這一反應過程使軟土顆粒結合水膜厚度減簿，土的塑性降低，土粒間的粘結力增加，土體強度和水穩(wěn)定性提高。 上述兩種化學反應過程，主要發(fā)生在生石灰與軟土強制攪拌混 合后的數小時內，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生化學作用，過程中又吸收熟石灰漿中的水分，形成結晶和生成鋁酸鹽和水化硅酸鈣，改變了粘土的結構。這一反應過程將持續(xù)數年，是石灰對軟粘土的后期作用。 2 石灰攪拌樁身的排水固結作用 通過對一些工程施工的石灰攪拌樁觀測，發(fā)現施工期樁體含水量總是很高，直觀表現在樁頂的墊層上有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數均大于樁間土。由于樁身材料拌合不均勻，以及配合比、摻合料不同，涮得樁身滲透系數在 4.071 0-3-10-5cm s之間，相當于粉砂、細砂的滲透系數，較粘土、亞粘土的滲透系數大 10倍至 100倍，說明石灰樁身排水固結作用較好。 圖 1表示軟粘土地基經石灰攪拌后滲透增長情況， K為滲透系數。用 10 生石灰作為固化劑時，軟粘土的滲透性系數隨著時間而直線上升；而用 10的水泥作為固化劑時，軟粘土的滲透系數隨著時間而直線下降。石灰適合于塑性指數較高的軟粘土地基，水泥適合于塑性指數較低的軟土地基。在相同條件下，用石灰處理的臨時加固效果在前數小時內比水泥處理的要明顯來得快。 值得注意的是，當石灰攪拌樁 滲透系數 K值足夠?。ㄈ畿浾惩恋鼗鴺兜闹睆?d又足夠大（例 d50cm 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)現樁身仍非常堅硬，日本的一份資料談到，即使在含水量高達 100的軟土中，石灰樁身強度也比周圍土的強度高達 10 倍以上。 3 石灰攪拌樁與樁間土的復合地基效應 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合地基，復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，由于拌合時產生的高溫和凝聚反應形成厚度達數厘米的高度硬殼，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合地基荷載試驗中，發(fā)現石灰攪拌樁復合地基的加荷后穩(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作用。 石灰攪拌樁與樁間土的復合地基抗剪強度可用下式計算： = （ 1-ds ） C+ dsp （ 1） 式中： -復合地基抗剪 強度， KPa； P -石灰攪拌樁的抗剪強度， KPa； ds -消化和凝硬反應結束后石灰攪拌樁加固率（面積比） ds = （ 1.5-1.8） ds （ 2） ds -石灰攪拌樁置換率（面積比） ds = d2/4l2 （ 3） d -石灰攪拌樁直徑， d=50cm； l -石灰攪拌樁間中心距， cm； C -石灰攪拌樁加固后地基土的粘聚力， KPa； C=Co dP ， （ 4） 式中： Co -原地基土的粘聚力， KPa； d -經石灰攪拌樁處理后的強度增加系數， d= 0.1-0.4； P -有效壓縮荷載，它是固結試驗曲線中與加固后孔隙比 e 對應的壓縮荷載 P 與固結屈服應力 Pc之差。 石灰攪拌加固后的地基，樁體強度高于樁間土。因此，在工程結構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。由于土相對于樁有向下滑動的趨勢，樁面對樁周土產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，樁間地基土應力降低，而石灰攪拌樁樁體產生應力集中現象，根據基礎底面樁和樁間土上埋沒的土壓力盒測定結果，得出 樁體和樁間土的荷載應力分擔比 n P/S=3-15（為石灰攪拌承擔的應力，為樁間土承擔的應力）。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=H -S （ 5） 式中： H -加固前的地基土最終沉降量， cm； S -石灰攪拌樁在垂直方向產生的固結沉降， cm； S=HC*e/ （ 1+e0） （ 6） 式中： HC -石灰攪拌樁的加固深度； e -孔隙比的降低值； e=e0 -e =GS*H/100 （ 7） 式中： e0 -原地基的初始孔隙比； e -地基加固后孔隙比； w -由式（ s）求出的含水量降低值； GS -土顆粒比重。 據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軟粘土構成，厚度 6-12m，抗剪強度 10KPa，含水量 60，經室內試驗表明，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，石灰攪拌樁的設計間距為 1.0-1.2m，樁長 10m.經現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，根據室內試驗表明：（ 1）當生石灰含量在 6 - 18的范圍內變化時，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，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，測得其軸向膨脹應力最高可達 11.6MPa，隨著周圍約束的放松，軸向膨脹應力急劇減少，膨脹力所做的功已轉化為周圍土的變形位能而趨于平衡?？傊?，對于一般的地基（特別是軟土），當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范圍內傳布，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。生石灰轉變?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變成三相狀態(tài)，軟土中的空氣才能為碳酸化反應提供足夠的二氧化碳，從而形成使灰土反應生成有一定強度的膠結物質條件，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)生一系列物理化學反應而形成強度的，不同的土質會產生不同的加固效果，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用范圍，可用于公路工程的軟粘土中的擋土結構，開挖護坡、橋涵通道結構地基等。 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，并且粘土較小的滲透系數?？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，而從結構、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，例如對于淤泥質粘土土樣用 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)生化學反應，不能大量生成碳酸鈣等膠結物質，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 結語 通過分析，可見石灰攪拌樁處理軟粘士和淤泥質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，經處理后復合地基降低了軟土含水量，增大了粘聚力，復合地基的強度得到了提高，可以取得較好的經濟效益，適宜用于高等級公路的擋土結構、橋涵、通道的軟土地基中。 摘 要：地基處理 粉體攪拌法 關鍵詞：地基 （一）施工準備 材料 （ 1）粉體攪拌法目前主要使用的固化劑為石灰粉、水泥以及石膏及礦渣等，也可使用粉煤灰作摻和料。 （ 2）粉體生石灰樁技術要求 ）石灰應該是細磨的，在攪拌過程中，為防止樁體中石灰聚集，石灰最大粒徑應小于 2mm. ）石灰應盡量選取純凈無雜質的，石灰中氧化鈣和氧化鎂含量至少應為 8.5%，其中氧化鈣含量最好不低于 80%。 ）石灰的儲存期，不宜超過三個月。 ）石灰的液性指數不低于 70%. （ 3）石灰樁法（包括塊灰灌入法、粉灰攪拌法）常用摻合料是粉煤灰，也可摻入火山灰、鋼渣或黏土、采用摻合料后可防止石灰樁軟心。 （ 4）石灰加摻合料比例通常為 15%-30%，加大摻合料比例，使樁身強度提高 較大，粉體材料為生石灰粉摻入 3%，半水石膏適用于地基酸性反應。 （ 5）摻粉煤灰必然引起減少樁身吸水效果，對不追求石灰吸水脹發(fā)作用可增大粉煤灰摻量，最高摻量達 80%-90%。 （ 6）摻入 30%細磨石灰粉，提高流塑狀輕亞黏土地基的加固效果。 作業(yè)條件 （ 1）工作場地表層硬殼很薄時，需先鋪填砂、礫石墊層，以便機械在場內順利移動和施鉆，如場內樁位有障礙物，例如木樁、石塊等應排除。 （ 2）機械設備配置：鉆機、粉體發(fā)送器、空氣壓縮機、攪拌鉆頭等。 （ 3）根據地質資料，通過原位測試及室內試驗 取得地基土、灰土物理力學及化學指標，選取最佳含灰量，作為設計摻灰量，決定設置攪拌范圍，選擇樁長、截面及根數。 （二）操作工藝 粉體噴射攪拌法是在軟土地基中輸入粉柱體加固材料，通過和原位地基土強制攪拌混合，使地基土和加固材料發(fā)生化學反應，在穩(wěn)定地基土的同時，提高強度的方法。 （ 1）施工原理：由壓縮空氣輸送的加固材料通過攪拌葉片旋轉產生的空隙部位噴出，并隨著攪拌葉片的旋轉和原位地基土攪拌均勻混合一起，和加固材料分離后的空氣，就沿著攪拌軸，由軸與土的縫隙處排出地面。 （ 2）固結原理：粉體噴 射攪拌法使用的固化劑，主要有石灰、水泥，還有石膏及礦渣，可使用粉煤灰作為摻合料。 通過固結反應而形成穩(wěn)定的石灰粉體，在軟土中加入生石灰，生石灰和土中的水分發(fā)生化學反應成熟石灰，水分被吸收，起到了膠結作用，并產生熱量，柱體消化而產生體積膨脹 1-2 倍，促進周圍土體的固結。 拌入石灰后軟土物理性能起了變化，加灰后軟土液性指數隨含水量增加呈線性遞減，含水量小于 50%的土加灰后，液性指數從原來流態(tài)進入半固態(tài)或固態(tài)，在穩(wěn)定壓力下壓縮量隨石灰粉含量增加而遞減，壓縮量減小達 1/3，提高石灰柱體的強度。拌入石灰后增加 軟黏土的滲透性，石灰柱在不同類型軟土中起到排水作用。 粉體攪拌法工藝要求 （ 1）略 （ 2）略 （ 3）室內試驗：在現場取回土樣與加固料均勻攪拌后制備灰土試件，具體按下面原則選擇： ）當含水量為天然地基土含水量，養(yǎng)護齡期為 7 天， 28 天和 90 天。 ）當含水量高于天然地基土含水量，含灰量可取 10-15%. ）當含水量低于天然地基土含水量，含灰量可取 6-10%. 粉體噴射攪拌法施工工藝 粉體噴射攪拌法是以機械強制攪拌土粉混合體，使灰土混合形成加固柱體。 粉體攪 拌加固形成 （ 1）制成獨立柱狀 （ 2）連續(xù)搭接布置成壁狀 （ 3）連續(xù)縱、橫網向搭接成塊狀。 分體攪拌樁的排列和間距 （ 1）根據結構要求的承載力，初步選定間距，從而定出加固范圍內攪拌樁的數量以及每平方米內攪拌樁所占的面積。 （ 2）攪拌樁的排列一般呈等邊三角形，也可四方形布置，樁徑為 0.5-1.5m，樁距約 1m. 粉體攪拌法施工順序 （ 1）樁體對位 （ 2）下鉆 （ 3）鉆進 （ 4）提升 （ 5）提升結束 （三）質量標準 保證項目 使用材料的各種 指標，包括含灰量、灰液性指數和外加劑品種摻量，必須符合設計要求。 檢驗方法：材料出廠證明、合格證、試驗報告及施工日志。 基本項目 （ 1）樁徑、深度及灰土質量，必須符合設計要求。 檢驗方法：一般成樁后開挖樁體，測量樁身直徑、樁體連續(xù)均勻程度，要求黏結牢固，無孔洞、不松散、無裂隙、樁質堅硬、灰體強度高。在開挖出來的樁體中切取 100100100MM 立方體，在正常養(yǎng)護下進行強度、壓縮試驗。 （ 2）經養(yǎng)護后進行載荷試驗，試驗樁體強度，要符合設計要求。 檢驗方法：采用十字型鋼排架、鋼筋 砼地錨，用千斤頂加載或用重物加載法。 允許偏差 檢查數量：樁數 5% 項目允許偏差（ mm）檢驗方法 樁位中心位置 10 拉線及尺量檢查 鑿出浮漿后樁頂標高 樁（墻）體垂直度 1H/100 吊線檢查 （四）施工注意事項 （ 1）空壓機的壓力不需要很高，風量不宜過大。 （ 2）鉆機及桅稈安裝在載體上，在地面上進行操作，要滿足耐壓力要求。 （ 3）石灰（生）使用前一般用水熟化，是碳化作用產生放惹反應，可用下式表示： （ OH） 2+65.31K/mol 生石灰加水后放出熱量形成蒸汽，同時體積膨脹增大，體積增大是由于比重減少（生比重 3： 1，熟比重 2： 1）和質地變?yōu)槭杷傻姆勰钏隆?石灰有次特性，在施工現場要設置石灰池，石灰粉要遮蓋，一防止飛粉污染，二防止遇雨水產生化學反應，濺傷皮膚及眼睛，施工人員要配戴防護眼鏡。 （ 4）鉆頭提升距地面 30-50CM 應停止噴粉，以防溢出地面。 石灰樁法 一般規(guī)定 石灰樁法適用于處理飽和粘性土、淤泥、淤泥質土、素填土和雜填土等地基；用于地下水位以上的土層時，宜 增加摻合料的含水量并減少生石灰用量，或采取土層浸水等措施。 對重要工程或缺少經驗的地區(qū)，施工前應進行樁身材料配合比、成樁工藝及復合地基承載力試驗。樁身材料配合比試驗應在現場地基土中進行。 設計 石灰樁的主要固化劑為生石灰，摻合料宜優(yōu)先選用粉煤灰、火山灰、爐渣等工業(yè)廢料。生石灰與摻合料的配合比宜根據地質情況確定，生石灰與摻合料的體積比可選用 或 ，對于淤泥、淤泥質土等軟土可適當增加生石灰用量，樁頂附近生石灰用量不宜過大。當摻石膏和水泥時，摻加量為生石灰用量的 。 當地基需要排水通道時，可在樁頂以上設厚的砂石墊層。 石灰樁宜留以上的孔口高度，并用含水量適當的粘性土封口，封口材料必須夯實，封口標高應略高于原地面。石灰樁樁頂施工標高應高出設計樁頂標高以上。 石灰樁成孔直徑應根據設計要求及所選用的成孔方法確定，常用，可按等邊三角形或矩形布樁，樁中心距可取倍成孔直徑。石灰樁可僅布置在基礎底面下，當基底土的承載力特征值小于時，宜在基礎以外 布置排圍護樁。 洛陽鏟成孔樁長不宜超過；機械成孔管外投料時，樁長不宜超過；螺旋鉆成孔及管內投料時可適當加長。 石灰樁樁端宜選在承載力較高的土層中。在深厚的軟弱地基中采用 “ 懸浮樁 ” 時，應減少上部結構重心與基礎形心的偏心，必要時宜加強上部結構及基礎的剛度。 地基處理的深度應根據巖土工程勘察資料及上部結構設計要求確定。應按現行國家標準建筑地基基礎設計規(guī)范驗算下臥層承載力及地基的變形。 石灰樁復合地基承載力特征值不 宜超過，當土質較好并采取保證樁身強度的措施，經過試驗后可以適當提高。 石灰樁復合地基承載力特征值應通過單樁或多樁復合地基載荷試驗確定。初步設計時，也可按公式（）估算，公