深层搅拌石灰桩加固软土地基
2012-01-10 来源：建设工程教育网
在高等级公路中，遇到不少涵洞、通道、挡土结构等结构物置于软弱地基上或软厚的杂填土之上，施工期短暂时，成为不少建设单位和设计单位的棘手问题。针对这个问题，采用生石灰喷粉深层搅拌桩（简称石灰搅拌桩）进行软土地基处理，具有技术简单可行，且经济合理的特点，能有效地加固软弱地基，减少软土层沉降和整体工程工后沉降，提高软土层的承载力。
1、生石灰对软粘土地基的基本作用
根据设计确定石灰搅拌桩钻机的位置，启动搅拌机，钻进时喷射压缩空气，准备加固的土在原位受到扰动。随着钻进到设计标高，钻机钻头反向旋转，边提升，边由压缩空气输送生石灰，向着由钻头搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷入被搅拌的土体中，使土体和石灰进行充分拌和，形成具有整体性好，水稳定性好和一定强度的石灰土桩。
通过机构搅拌，将软土重塑的同时掺入适量的石灰，石灰与软土矿物发生化学反应，形成一种复杂的不溶于水的、将土颗粒粘结在一起的硅酸钙凝胶，硅酸钙凝胶起到包裹和联结的作用，形成网状结构，在土颗粒间相互穿插，使土颗粒联系得很牢固，改善了土的物理力学性质，发挥了石灰固化剂的强化作用。
要形成硅酸钙凝胶，只有在有足够的水使Ca2+和OH-1离子能够转移到粘土颗粒表面时才能实现，利用土颗粒、水和石灰之间的化学反应达到这一目的，以改善土的性质，具体来说，石灰对软土的基本作用如下：
（1）生石灰与地基软粘土通过强制做拌均匀，很快产生水化作用，形成 Ca（OH）2 .在这生石灰变为熟石灰的过程中，产生的热量促进水分蒸发，使软土地基的含水量降低，同时石灰体积产生膨胀，此时膨胀力所作的功转化为周围土的变形位能。例如广东省云浮硫铁矿专用线有一座4.5m盖板涵基础采用石灰喷粉深层搅拌处理软基，钻头直径为500mm，形成石灰桩之后，在粉细砂层直径增大为520mm，在软土层直径内直径增大为600-700mm，桩体体积增大，对周围土起了压密作用。
（2）熟石灰的Ca2+离子在水的作用下与软土颗粒产生絮凝反应作用，这一反应过程使软土颗粒结合水膜厚度减簿，土的塑性降低，土粒间的粘结力增加，土体强度和水稳定性提高。
上述两种化学反应过程，主要发生在生石灰与软土强制搅拌混合后的数小时内，是石灰对软粘土的早期基本作用。
（3）熟石灰与粘土颗粒中的活性硅铝矿物进一步缓慢地产生化学作用，过程中又吸收熟石灰浆中的水分，形成结晶和生成铝酸盐和水化硅酸钙，改变了粘土的结构。这一反应过程将持续数年，是石灰对软粘土的后期作用。
2、石灰搅拌桩身的排水固结作用
通过对一些工程施工的石灰搅拌桩观测，发现施工期桩体含水量总是很高，直观表现在桩顶的垫层上有明显的圆形湿痕，表明桩体含水量及渗透系数均大于桩间土。由于桩身材料拌合不均匀，以及配合比、掺合料不同，涮得桩身渗透系数在4.07×10-3-10-5cm／s之间，相当于粉砂、细砂的渗透系数，较粘土、亚粘土的渗透系数大10倍至100倍，说明石灰桩身排水固结作用较好。
图1表示软粘土地基经石灰搅拌后渗透增长情况，K为渗透系数。用10％
生石灰作为固化剂时，软粘土的渗透性系数随着时间而直线上升；而用10％的水泥作为固化剂时，软粘土的渗透系数随着时间而直线下降。石灰适合于塑性指数较高的软粘土地基，水泥适合于塑性指数较低的软土地基。在相同条件下，用石灰处理的临时加固效果在前数小时内比水泥处理的要明显来得快。
值得注意的是，当石灰搅拌桩渗透系数K值足够小（如软粘土地基），而桩的直径d又足够大（例d≥50cm时），即使桩处于水下，也不能形成充分供水的条件，石灰搅拌桩的含水量仍然较初始含水量大幅度减小。在天津塘沽软土路基试验中，于五年后挖出石灰桩，也发现桩身仍非常坚硬，日本的一份资料谈到，即使在含水量高达100％的软土中，石灰桩身强度也比周围土的强度高达10倍以上。
3、石灰搅拌桩与桩间土的复合地基效应
生石灰加固软弱地基后，石灰搅拌与未加固部分地基土形成复合地基，复合地基的强度包括搅拌桩桩体的强度和桩周土粘聚力增加后的强度，石灰搅拌桩与周围地基相比具有更高的抗剪强度。与生石灰搅拌桩邻接的桩周土，由于拌合时产生的高温和凝聚反应形成厚度达数厘米的高度硬壳，此层硬层的存在影响了石灰搅拌桩的吸水和排水，尤其是后期排水，但在施工期内此层硬壳尚未形成，排水作用是可以发挥的。从对一些工程的天然土和单桩复合地基荷载试验中，发现石灰搅拌桩复合地基的加荷后稳定时间较天然土基为短，也就证实了石灰搅拌桩的排水固结作用。
石灰搅拌桩与桩间土的复合地基抗剪强度可用下式计算：
τˊ= （1-dˊs）Cˊ+ dˊsτp （1）
式中：τˊ -复合地基抗剪强度，KPa；
τˊP -石灰搅拌桩的抗剪强度，KPa；
dˊs -消化和凝硬反应结束后石灰搅拌桩加固率（面积比）
dˊs =（1.5-1.8）ds （2）
ds -石灰搅拌桩置换率（面积比）
ds = πd2/4l2 （3）
d -石灰搅拌桩直径，d=50cm；
l -石灰搅拌桩间中心距，cm；
Cˊ -石灰搅拌桩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 -经石灰搅拌桩处理后的强度增加系数，d= 0.1-0.4；
ΔP -有效压缩荷载，它是固结试验曲线中与加固后孔隙比e‘对应的压缩荷载P’与固结屈服应力Pc之差。
石灰搅拌加固后的地基，桩体强度高于桩间土。因此，在工程结构荷载和车辆荷载作用下，土体被压缩，承载力主要靠桩体承担。由于土相对于桩有向下滑动的趋势，桩面对桩周土产生一向上的摩擦阻力，故靠近桩周土的压力值为向下的施工荷载值与向上的摩擦力两部分之和。因此，靠近桩边的土承受的压力最小，桩间地基土应力降低，而石灰搅拌桩桩体产生应力集中现象，根据基础底面桩和桩间土上埋没的土压力盒测定结果，得出桩体和桩间土的荷载应力分担比n＝P/S=3-15（为石灰搅拌承担的应力，为桩间土承担的应力）。在用石灰搅拌桩加固公路软基时，一般采用n=3～5较适宜。
石灰搅拌桩加固公路软基的容许沉降量S用下式计算：
S=ΔH-ΔS （5）
式中：ΔH -加固前的地基土最终沉降量，cm；
ΔS -石灰搅拌桩在垂直方向产生的固结沉降，cm；
ΔS=HC*Δe/（1+e0） （6）
式中：HC -石灰搅拌桩的加固深度；
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 -土颗粒比重。
据资料介绍某一路堤地基用深层搅拌石灰桩处理软土地基，该地基由高灵敏度的粉质软粘土构成，厚度6-12m，抗剪强度10KPa，含水量60％，经室内试验表明，用制备的石灰加固试样测试其抗剪强度，在10d后增加到50KPa，三个月后测试强度增加到100KPa，在试验路堤4m高的下面，石灰搅拌桩的设计间距为1.0-1.2m，桩长10m.经现场测试的沉降曲线表明，用石灰搅拌桩加固的地基沉降减少了大约60％，其沉降量为20-25m，设计计算值与实测值吻合较好。
4、生石灰剂量对石灰搅拌桩强度的影响
图2表示不同的生石灰剂量对各种土的单轴抗压强度的影响。在同一生石灰含量的条件下，不同的土类具有明显不同的抗压强度，根据室内试验表明：（1）当生石灰含量在6％- 18％的范围内变化时，石灰搅拌桩仍保持原来土壤的特性；（2）不同土性的石灰粉渗入量各有最佳渗人量区间，大于或小于这一区间的渗入量，都得不到经济的加固效果。
生石灰的膨胀力与生石灰的含量成正比，但膨胀应力的大小，则与生石灰有效氧化钙含量、约束力的大小和方向、熟化的快慢有关，如采用有效氧化钙含量为85％-89％的生石灰，让其在近似完全约束的条件下熟化，测得其轴向膨胀应力最高可达11.6MPa，随着周围约束的放松，轴向膨胀应力急剧减少，膨胀力所做的功已转化为周围土的变形位能而趋于平衡。总之，对于一般的地基（特别是软土），当生石灰用量超过一定界限时，其约束力绝对不可能阻止石灰搅拌桩的膨胀，巨大的膨胀力必将在相当范围内传布，这就是石灰搅拌桩直径增大的原因。
5、石灰搅拌桩的强度取决于软粘土的含水量
石灰搅拌桩的强度能否形成和强度高低，与软粘土的含水量有关。生石灰转变为熟石灰以及继续水化，都要吸收和蒸发软粘土中的水份。因此，必须要有足够的水供石灰水化，否则无法形成强度。另一方面水又不能过多，以使处于饱和状态的软粘土能够因脱水而转变成三相状态，软土中的空气才能为碳酸化反应提供足够的二氧化碳，从而形成使灰土反应生成有一定强度的胶结物质条件，形成较高的强度。由于石灰搅拌桩中的水分在强度形成中得到消耗，灰土含水量就会大幅度减少，甚至由流动状态转变为硬塑乃至坚硬状态，从而大大提高石灰土的强度。图3为石灰土抗剪强度软土含水量、时间的变化情况，纵轴表示石灰土的抗剪强度，横轴表示软粘土含水量。从图3可以看出：
6、石灰搅拌桩适宜的土质条件
石灰搅拌桩是靠石灰与土之间发生一系列物理化学反应而形成强度的，不同的土质会产生不同的加固效果，其适宜的加固土粒径范围如图4所示，图中阴影部分为适宜的石灰搅拌桩应用范围，可用于公路工程的软粘土中的挡土结构，开挖护坡、桥涵通道结构地基等。
粘土颗粒粒径小，表面积大，分散性大，稳定性差，容易和石灰发生反应，并且粘土较小的渗透系数常可使石灰搅拌桩含水量降低，所以石灰搅拌桩适宜处理软粘土地基。在软粘土矿物成份中，高岭土、伊利土和蒙脱土为三种主要的粘土矿物成分，而从结构、能量和成份三个方面又可以说明蒙脱土最容易与石灰发生反应，例如对于淤泥质粘土土样用X射线衍射矿物分析，稳定性好的矿物石英含量在40％以上，高岭土和伊利土含量为40％，把其中一段大气干燥的淤泥粘土石灰搅拌桩钻取试样放入水中，约一个多小时就完全崩解为泥浆，崩解速度与一般粘土十分接近，说明了这类粘土恰恰缺少蒙脱土类粘土矿物，石灰较难与土发生化学反应，不能大量生成碳酸钙等胶结物质，致使石灰搅拌桩强度较低，也揭示了石灰搅拌桩适宜于蒙脱土类矿物含量高的粘土地基。
7、结语
通过分析，可见石灰搅拌桩处理软粘士和淤泥质粘土地基的效果是明显的，用石灰搅拌桩处理后的地基，渗透性增大，石灰搅拌桩有助于排水固结，经处理后复合地基降低了软土含水量，增大了粘聚力，复合地基的强度得到了提高，可以取得较好的经济效益，适宜用于高等级公路的挡土结构、桥涵、通道的软土地基中。
