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條件。該具有設備簡單、施工方便、效益好的特點。【關鍵詞】 公路軟基；複合地基；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於軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，施工期短暫時，成爲不少建設單位和設計單位的棘手。針對這個問題，採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後沉降，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鑽機的位置，啓動攪拌機，鑽進時噴射壓縮空氣，準備加固的土在原位受到擾動。隨着鑽進到設計標高，鑽機鑽頭反向旋轉，邊提升，邊由壓縮空氣輸送生石灰，向着由鑽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，石灰與軟土礦物發生化學反應，形成一種複雜的不溶於水的、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，使土顆粒聯繫得很牢固，改善了土的物理力學性質，發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 。在這生石灰變爲熟石灰的過程中，產生的熱量促進水分蒸發，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爲周圍土的變形位能。例如廣東省雲浮硫鐵礦專用線有一座4．5m蓋板涵基礎採用石灰噴粉深層攪拌處理軟基，鑽頭直徑爲500mm，形成石灰樁之後，在粉細砂層直徑增大爲520mm，在軟土層直徑內直徑增大爲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，土體強度和水穩定性提高。 上述兩種化學反應過程，主要發生在生石灰與軟土強制攪拌混合後的數小時內，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數年，是石灰對軟粘土的後期作用。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溼痕，表明樁體含水量及滲透係數均大於樁間土。由於樁身材料拌合不均勻，以及配合比、摻合料不同，涮得樁身滲透係數在4.07×10-3-10-5cm／s之間，相當於粉砂、細砂的滲透係數，較粘土、亞粘土的滲透係數大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後滲透增長情況，K爲滲透係數。用10％ 生石灰作爲固化劑時，軟粘土的滲透性係數隨着時間而直線上升；而用10％的水泥作爲固化劑時，軟粘土的滲透係數隨着時間而直線下降。石灰適合於塑性指數較高的軟粘土地基，水泥適合於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，當石灰攪拌樁滲透係數K值足夠小（如軟粘土地基），而樁的直徑d又足夠大（例d≥50cm時），即使樁處於水下，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，於五年後挖出石灰樁，也發現樁身仍非常堅硬，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複合地基效應 生石灰加固軟弱地基後，石灰攪拌與未加固部分地基土形成複合地基，複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後的強度，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，由於拌合時產生的高溫和凝聚反應形成厚度達數釐米的高度硬殼，此層硬層的存在了石灰攪拌樁的吸水和排水，尤其是後期排水，但在施工期內此層硬殼尚未形成，排水作用是可以發揮的。從對一些工程的天然土和單樁複合地基荷載試驗中，發現石灰攪拌樁複合地基的加荷後穩定時間較天然土基爲短，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複合地基抗剪強度可用下式：τˊ= （1-dˊs)Cˊ dˊsτp （1）式中：τˊ ——複合地基抗剪強度，KPa;τˊP ——石灰攪拌樁的抗剪強度，KPa；dˊs ——消化和凝硬反應結束後石灰攪拌樁加固率（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 ——石灰攪拌樁加固後地基土的粘聚力，KPa；Cˊ=Co＋dΔP， （4）式中：Co ——原地基土的粘聚力，KPa；d ——經石灰攪拌樁處理後的強度增加係數，d= 0.1-0.4；ΔP ——有效壓縮荷載，它是固結試驗曲線中與加固後孔隙比e'對應的壓縮荷載P'與固結屈服應力Pc之差。 石灰攪拌加固後的地基，樁體強度高於樁間土。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。由於土相對於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爲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（爲石灰攪拌承擔的應力，爲樁間土承擔的應力）．在用石灰攪拌樁加固公路軟基時，一般採用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生的固結沉降，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 ——地基加固後孔隙比；Δw ——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，用製備的石灰加固試樣測試其抗剪強度，在10d後增加到50KPa,三個月後測試強度增加到100KPa，在試驗路堤4m高的下面，石灰攪拌樁的設計間距爲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％，其沉降量爲20-25m，設計計算值與實測值吻合較好。