石灰桩对冻土地基预融效果模型试验研究

王　兴,熊治文,刘德仁,韩龙武,程　佳,3

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州　730070； 2.中铁西北科学研究院有限公司,兰州　730000；3.青海省冻土与环境工程重点实验室,青海格尔木　816000)

全球多年冻土面积占陆地面积的23%，其中我国的多年冻土面积约占国土面积的21%[1-3]。国内外冻土工程一般采用开挖换填、铺隔热层、安装热管等措施解决地基融沉等病害问题[4-8]。针对埋深较浅、厚度较小的岛状冻土，多采用开挖换填法进行处理，性价比较高，但对埋深厚度大的冻土，如采用开挖换填处理工程量偏大，而采用铺隔热层和安装热管工程费用又偏高，且适用条件要求严格，经济性较差，因此，提出一种深埋冻土新型处理措施显得迫在眉睫。石灰桩复合地基，作为处理软土[9-11]和湿陷性黄土[12]的一种常用手段，具有开挖量少、施工便捷、加固效果好、处理费用低等特点。根据某项目现场地质勘察资料，地表以下8～18 m有不连续岛状冻土，因全球气候变暖，冻土融化深度逐年增加，地基产生不均匀沉降，本文探讨一次性解决方案，从融化冻土角度和石灰桩加固原理出发，提出利用石灰桩预融挤密方案解决岛状冻土地基融沉变形问题的新思路，并通过石灰桩预融挤密冻土地基的模型试验，分析了石灰桩对冻土的预融和加固效果，并与其他工程措施进行比较。

1　石灰桩的预融挤密原理

石灰桩预融挤密冻土地基原理主要体现在3个方面：(1)生石灰与水发生化学反应放出的热量将冻土融化；(2)生石灰与水反应体积膨胀对桩周土产生挤密作用，提高复合地基承载力；(3)石灰桩产生的热量促进桩间土的水分蒸发，一定程度上提高了桩间土承载力，间接提高了复合地基承载力[13]。

1.1　预融机理[14]

石灰桩是生石灰和土组成的混合物。石灰桩放热实质是生石灰与水发生化学反应。热量融化冻土中的冰，冰融化的水继续与生石灰反应，形成放热吸水循环直到生石灰完全反应。生石灰(即氧化钙)遇水后生成氢氧化钙。其热化学反应方程式

CaO+H2O→Ca(OH)2Δh=-65.17 kJ/mol

(1)

从(1)式中可以得出：1 mol氧化钙即56 g氧化钙与水反应放出65.17 kJ的热量，计算得出1 kg氧化钙放出1 163.75 kJ的热量。

从分子角度分析，一个氧化钙分子需要一个水分子完成反应，质量比为56∶18，即1 kg的氧化钙完全反应需要0.32 kg的水。冻土中融化的水提供了氧化钙反应需要的一部分水，使反应放出更多的热量。

1.2　挤密机理

从(1)式中可以得出，参加化学反应的相同摩尔质量的氧化钙、水、氢氧化钙的质量之比

mCaO∶mH2O∶mCa(OH)2=56∶18∶74

查阅相关资料，氧化钙的密度为3.35 g/cm3，水的密度为1 g/cm3，氢氧化钙的密度为2.24 g/cm3。计算出体积比为

mCaO∶mH2O∶mCa(OH)2=1∶1.08∶1.97

可以看出，氧化钙反应生成氢氧化钙的过程体积膨胀1.97倍，石灰桩正是利用生石灰与水反应体积膨胀的特性将桩周土挤密，达到提高复合地基承载力的目的。

2　室内模型试验

2.1　试验方案

室内模型试验在冻土室进行。石灰桩桩体材料由生石灰、水泥和土混合组成。掺入一定量水泥是为了提高石灰桩的强度。试验主要是通过测定不同位置桩间土的温度和密度来分析桩体放热对冻土地基的预融和加固效果。

模型试验分为两组，第一组为群桩试验，桩的半径为0.05 m，桩间距为0.25 m，模型箱设计尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m；第二组为单桩试验，桩的半径为0.2 m，模型圆筒半径为0.6 m，高度0.5 m。

2.2　桩间土样制作、填筑和测点布置

桩间土试样采用塑限22.3%、最大干密度为1.6 g/cm3的黏土质砂(制作土样前进行翻晒)和碎冰制作(冰的最大粒径<2 cm)，土冰质量比为3∶1，含冰量约为25%。

桩间土在冻土室分层填筑，环境温度控制在-2 ℃，每填筑5 cm夯实1次，压实度控制在85%。填筑完成后采集初始温度读数和桩周土密度。保持环境温度不变，48 h后测得桩间土的温度稳定在-1 ℃左右。

群桩试验温度测点沿等边三角形中线方向线性排列，距桩底15、25、35 cm分3层布置，测点单层布置如图1所示。

图1　群桩测点布置(单位：cm)

单桩温度测温点分别按距桩底15、25、35 cm布置，每层沿桩周往外120°方向线性布置，间距为5 cm，单层测点布置如图2所示。

图2　单桩测点布置(单位：cm)

2.3　桩体材料制作与填筑

桩体材料由生石灰、土和水泥混合组成。水泥掺入量为5%，通过轻型击实试验得到最大干密度为1.69 g/cm3，最优含水率为19.1%。试验使用生石灰的氧化钙含量为70%。桩体材料的含水率采用5%水泥土的最优含水率ω1与生石灰反应需水质量百分数ω2之和，即ω=ω1+ω2。考虑到石灰桩反应放热融化桩周冻土中的冰，融化的大部分水会被生石灰吸收，使石灰桩进一步发生熟化反应，通过对生石灰中有效成分氧化钙与水反应放出的热量和冻土融化所需热量的分析，初步确定生石灰、水泥和土的配比为60∶35∶5，含水率为21.6%。

桩体填筑待桩间土温度稳定后进行(此时桩周土温度保持在-1 ℃左右)，温度控制在-2.0 ℃。桩体填筑前，先配备水泥含量5%、含水率为19.1%的灰土，然后加入生石灰和少量水拌和均匀后迅速填筑。相比较土、水泥和生石灰直接加水拌和可以减少热量损失和体积膨胀，减缓生石灰反应速度，提高桩体填筑密实度。填筑完成后模型周围包裹保温材料，减少热量散失。

单桩桩体填筑要求和群桩相同。不同之处是，单桩模型由于桩体膨胀后竖向位移较大，为限制石灰桩的竖向位移，填筑完成后在其顶部施加荷载，使其体积径向膨胀，达到更好的挤密效果。图3为单桩填筑试验模型。

图3　单桩填筑试验模型

3　试验结果及数据分析

3.1　群桩试验分析

试验填筑后，模型四周及顶部用保温模板密封，数据采集间隔：10 h之内每0.5 h采集1次数据，10 h以后每1.0 h采集1次数据，温度没有明显变化时试验结束。石灰桩不同位置的温度随时间变化如图4所示。

图4　群桩试验距桩底15、25、35 cm处的温度变化

从图4不难看出，不同测点的温度随时间的变化趋势基本一致，均呈现先增大后减小的趋势，但越远离桩体曲线越平缓。同时，还可以发现测点温度峰值(约43 ℃)出现在0.5～3 h后，距离桩体越远峰值达到的时间越长，20 h后温度基本稳定且温度均在0 ℃以上。温度曲线表明：石灰桩对桩间冻土的预融效果良好，且越靠近桩体预融效果越好；该配合比与桩间距布置存在热富余量，可以适当增加桩间距或减少石灰比例。

通过解剖试验，发现桩径有膨胀现象，桩径膨胀趋势随深度逐渐减小，桩顶和桩底膨胀率分别为140%和120%。表明石灰桩对桩间土有明显的挤密作用，可在一定程度上提高桩间土承载力，间接提高石灰桩复合地基承载力。试验数据及试验模型的解剖表明试验达到预期效果，生石灰、水泥和土配合比60∶35∶5的石灰桩融化了相邻石灰桩之间的全部冻土。桩体有明显的膨胀，桩径变化随深度逐渐减小，桩顶由初始的5 cm扩大到7 cm，桩底只扩大到6 cm。

3.2　单桩试验分析

试验填筑后，模型四周及顶部用保温模板密封保温，数据采集时间间隔：12 h之内每0.5 h采集1次数据，36 h内每1.0 h采集1次数据，36 h以后每2.0 h采集1次数据，温度没有明显变化时试验结束。

石灰桩单桩模型不同距离、不同深度桩周土温度随时间变化如图5所示。

图5　单桩试验距桩底15、25、35 cm处的温度变化

从图5可以看出，单桩温度曲线与群桩温度曲线类似，温度均随时间的推移呈现先增大后减小的趋势，且距桩体越远曲线越平缓。但单桩温度峰值达到的时间在6～30 h，温度稳定时间在60～62 h。

从温度时间曲线可以看出，距桩周5 cm处测点温度1 h内升到0 ℃，6 h左右温度达到最大值后逐渐降低，至62.5 h保持在4 ℃左右；距桩周10 cm处测点温度2h升到0 ℃，12 h左右温度达到最大值；距离桩周15 cm处测点温度5h升至0 ℃，距桩周20 cm处测温点8 h升至0 ℃；距桩周25 cm处测点温度15 h升至0 ℃，距桩周30 cm和35 cm的测温点也在42 h左右升至0 ℃，试验结束后各点温度稳定在4 ℃左右；距离桩周较近点的温度略高于距离较远的点。试验数据表明：单桩模型试验达到预期效果，石灰桩采用的配合比使模型边界范围内冻土全部融化。

通过解剖试验发现，桩体也发生了膨胀现象，与群桩类似，桩径膨胀趋势随深度逐渐减小，但桩顶和桩底膨胀率分别为137.5%和125%。在桩顶堆载8 kN的情况下，竖向向上有2 cm的位移，这说明在桩体挤密过程中应考虑限制竖向应力引起的位移来增强挤密效果。

试验过程中，对模型不同位置的取样，采用烘干法测试其含水率见表1。单桩试验预融挤密前后桩周土干密度对比见表2。

表1　石灰挤密桩地基土不同位置处含水率变化

表2　单桩试验预融挤密前后桩间土干密度

从表1各断面试验过程中不同距离土样的含水率变化得出，石灰桩熟化过程会吸收桩周冻土融化的一部分水，桩体吸收水的能力随距离的增大逐渐减小。

从表1数据可知，距离桩体越远，桩间土的含水率越大，表明石灰桩放热过程中，距离桩体越近对吸收和蒸发桩间土水分的作用越强烈。表2证实了石灰桩对桩周土有一定的挤密效果，试验结束后桩周土的干密度、密实度有明显提升，距离桩体越近的桩间土干密度增幅越大。崔莹等[15]提出，在湿陷性黄土和填土路基中，石灰桩复合地基挤密影响区半径随着地基深度的增加而减小，影响区半径为(3.02～3.36)R，而冻土地基模型试验挤密影响区半径为55 cm，为桩半径的2.75倍。

4　结论及建议

(1)生石灰：水泥：土的配合比60∶5∶35，含水率21.6%，压实度90%的石灰桩释放的热量能够融化25%含冰量的2倍桩半径范围的冻土。单桩试验结束后最低温度保持在3 ℃，热量富余较大，根据现场实际情况可适当减少生石灰比例或者增大桩间距。

(2)石灰桩对冻土地基的挤密影响半径与黄土、填土地基相比较小，分析原因是冻土在冻结状态具有较高的强度。模型试验挤密影响区半径是55 cm，为2.75倍桩的半径。

(3)石灰桩在预融挤密冻土地基过程中会从桩周土体中吸收水分参与桩体熟化反应，根据现场实际情况，含水率可以适当减小。

参考文献：

[1]徐晓祖，王家澄，张立新，等.冻土物理学[M].北京：科学出版社，2010：9-12.

[2]邱国庆，刘经仁，刘鸿绪，等.冻土学词典[M].兰州：甘肃科学技术出版社，1994：17-19.

[3]王澄海，靳双龙，施红霞.未来50a中国地区冻土面积分布变化[J].冰川冻土，2014，36(1)：1-8.

[4]Jorgensen A S， Doreg. Experimentation of several mitigation methods in Tasiuijaq Airport to minimize the effects caused by the melting of permafrost[C]. Proceeding of the 14th Conference on Cold Regions Engineering，Duluth，Minn, 2009，31:171-182.

[5]DOREG. Airfields and access road performance assessment in Nunavik， Quebec， Canada[C]. Cold Regions Engineering 2006： Current Practices in Cold Regions Engineering.ASCE， 2006：1-12.

[6]Vinson T S， Rooney JW， Haas W H. Roads and airfields in cold regions： A state of the practice report [M].Reston： ASCE Publications， 1996.

[7]刘伟博，喻文兵，陈琳，等.多年冻土地区机场跑道修筑技术现状[J].冰川冻土，2015，37(6)：1599-1610.

[8]孙永福.青藏铁路多年冻土工程的研究与实践[J].冰川冻土，2011，27(2)：157-162.

[9]陈善雄.石灰桩加固软弱地基的若干问题简述[J].岩土力学，1995，16(1)：91-97.

[10] 汪稔，陈善雄.用石灰桩加固软弱地基[J].岩土力学，1994，15(3)：19-25.

[11] 杨校辉，黄雪峰，朱彦鹏，等.大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(5)：1063-1074.

[12] 米海珍，杨鹏.挤密桩处理湿陷性黄土地基的现场试验研究[J].岩土力学，2012，33(7)：1951-1956.

[13] 郑俊杰，吴世明.石灰桩复合地基固结分析[J].华中理工大学学报，2000，28(5)：111-113.

[14] 王雪浪，朱彦鹏.灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基理论分析及试验[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2010，42(2)：288-293.

[15] 崔莹，赵均海，张常光，等.基于统一强度理论的灰土桩复合地基挤密影响区半径计算[J].岩土力学，2013，34(4)：1116-1120.