石灰搅拌桩处理软土地基技术探讨

2013-01-26陆伟

治淮 2013年4期

陆伟

水利工程临时设施施工过程中，常遇到不少预制场地、临时设施基础等结构物置于软弱地基上或软厚的杂填土之上，针对这个问题，可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。这项技术简单可行、经济合理，能有效加固软弱地基，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。

一、石灰搅拌桩处理软土地基的的基本原理

采用搅拌桩钻机，钻进时喷射压缩空气，使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，向钻头搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷入土体，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。

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搅拌均匀，很快产生水化作用，形成Ca（OH）2。化学反应方程式为：CaO+H2O=Ca（OH）2；Ca（OH）2再与空隙中的CO2反应生成CaCO3，硬化了地基，化学反应方程式为：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。在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。形成石灰桩之后，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薄，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。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，是石灰对粘土的后期作用。

二、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。

粘土颗粒粒径小，表面积大，疏散性大，稳固性差，容易和石灰产生反应，并且粘土较小的渗透系数常可使石灰搅拌桩含水量降低，所以石灰搅拌桩适合处理软粘土地基。在软粘土矿物成份中，高岭土、伊利土和蒙脱土为三种重要的粘土矿物成分，而从结构、能量和成份三个方面又可以阐明蒙脱土最容易和石灰产生反应，例如对于淤泥质粘土土样用X射线衍射矿物分析，稳固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，崩解速度和一般粘土十分接近，说明了这类粘土恰恰缺乏蒙脱土类粘土矿物，石灰较难和土产生化学反响，不能大批生成碳酸钙等胶结物质，致使石灰搅拌桩强度较低，也说明石灰搅拌桩适用于蒙脱土类矿物含量高的粘土地基。

三、生石灰剂量对石灰搅拌桩强度的影响

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，根据经验得出:

（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入量区间，大于或小于这一区间的渗入量，都得不到经济的加固效果。

（3）生石灰的膨胀力与其含量成正比，但膨胀应力的大小，却与其有效氧化钙含量、约束力的大小和方向、熟化的快慢有关。

四、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，石灰搅拌和未加固部分地基土形成复合地基，复合地基的强度包含搅拌桩桩体的强度和桩周土粘聚力增长后的强度，石灰搅拌桩和四周地基相比具有更高的抗剪强度。和生石灰搅拌桩邻接的桩周土，由于拌合时产生的高温暖凝聚反应形成厚度达数厘米的高度硬壳，此层硬层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，排水功效是可以发挥的。从一些工程的天然土和单桩复合地基荷载实验中，发现石灰搅拌桩复合地基加荷后稳固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功效下，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向，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和向上的摩擦力两部分之和。因此，靠近桩边的土遭遇的压力最小，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成果，得出桩体和桩间土的荷载应力分担比n＝P/S=3～15（P为石灰搅拌承担的应力，S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较合适。

某一路堤地基用深层搅拌石灰桩处理软土地基，该地基由高敏锐度的粉质软粘土构成，厚度6～12m，抗剪强度10kPa，含水量60%，经室内实验表明，用制备的石灰加固试样测试其抗剪强度，在10d后增长到50kPa，三个月后测试强度增长到100kPa，在实验路堤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20～25mm，设计计算值和实测值吻合较好。

五、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学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。

通过在工程施工中对石灰搅拌桩观测，在桩顶的垫层上直观表现有明显的圆形湿痕，表明桩体含水量及渗透系数均大于桩间土，得到施工期桩体含水量总是很高的结果。由于桩身材料拌合不均匀，以及掺合料、配合比不同，测得桩身渗透系数在4.07×10-3～4.07×10-5cm／s间，相当于细砂、粉砂的渗透系数，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。约用10%生石灰作固化剂时，软粘土的渗透性系数会随时间而直线上升；而用10%的水泥作固化剂时，软粘土的渗透系数却随着时间而直线下降。说明石灰适合塑性指数较高的软粘土地基，而水泥适合塑性指数较低的软土地基。条件相同情况下，在处理临时加固效果的前数小时内，用石灰处理效果明显比水泥处理来得快。

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（例如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少。