第10章--石灰桩

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第10章石灰桩法Chapter10LimeColumn10.1概述10.1Introduction用机械或人工的方法成孔，然后将不同比例的生石灰（块或粉）和掺合料（粉煤灰、炉渣等）灌入，并进行振密或夯实形成石灰桩桩体，桩体与桩间土形成石灰桩复合地基，以提高地基承载力，减小沉降，称为石灰桩法。石灰桩法发展历史我国将石灰作为建筑材料利用，始于距今五、六千年前的仰韶文化时期。西方最早的石灰窖大约建于公元前2000年，几乎所有古代文明的民族都懂得烧制石灰。用石灰加固软弱地基至少有2000年的历史，但直到上世纪中叶，不论在我国还是国外，大多属于表层或浅层处理，例如用3：7或2：8的灰土夯实作为路基和房基；或将生石灰直接投入软土层，用木夯夯实，使土挤密、干燥和变硬。由此，发展到用木槌在土中冲孔，在土中投入生石灰块，经吸水膨胀形成桩体，其深度一般在300～500mm。石灰桩法发展历史我国与1953年开始对石灰桩进行了研究，当时天津大学与天津市等单位对生石灰的基本性质、加固机理、设计和施工等方面进行了系统的研究，由于当时的条件，施工系手工操作，桩径仅100～200mm，长度仅2m，又因为发现桩中心软弱等问题，所以工作未能继续。1975年～1980年间，北京铁路局勘测设计所、同济大学等单位进行了石灰桩与其它加固方法对比试验研究，证明了石灰桩的良好加固效果。石灰桩法发展历史直到1981年后，江苏省建筑设计院对东南沿海的大面积软土地基采用生石灰与粉煤灰掺和料进行加固，仅南京市采用生石灰桩加固了50余幢房屋的软土地基，加固面积达3万m2，取得了较好的经济技术效果；其后浙江省建筑科学研究所与湖北省建筑科学研究院等单位相继展开了试验研究和工程实践应用，都作出了卓有成就的工作。石灰桩法发展历史在国外，60年代期间，德、美、英、法、原苏联、日、瑞典、澳大利亚等国纷纷开展石灰加固软基的研究和应用，现代化机械施工加大了桩长的应用，拓宽了应用领域。石灰桩法种类1.块灰灌入法（亦称石灰桩法）采用钢套管成孔，在孔内灌入新鲜生石灰块，或在石灰块中掺入适量的水硬性掺和料粉煤灰和火山灰，配合比一般为8:2或7:3。在拔管的同时进行振密和挤密。利用生石灰吸取桩周土体中水分进行水化反应，此时生石灰的吸水、膨胀、发热及离子交换作用，使桩四周土体的含水量降低、孔隙减小，土体挤密和桩体硬化。石灰桩法种类2.粉灰搅拌法（亦称石灰柱法）是粉体喷射搅拌法中的一种。原料为石灰粉，通过特制的搅拌机械将石灰粉加固料与原位软土搅拌均匀，促使软土硬结，形成石灰（土）桩。3、石灰浆压力喷注法采用压力将石灰浆喷于地基土的孔隙内或者预先钻好的孔内，使石灰浆在地基中扩散和硬结。工人在用洛阳铲进行石灰桩成孔工人用推土铁钎将洛阳铲带出的土刮除工人在室内进行石灰桩施工石灰桩孔径d=300mm，桩间距s＝800mm人工洛阳铲三名工人正在夯填石灰桩夯填石灰桩所用的夯锤（夯板）夯填石灰桩所用的夯锤（夯板）运到施工现场的生石灰块运到施工现场的粉煤灰工人正在拌合生石灰块与粉煤灰量孔器（测量石灰桩孔径及孔深）量孔器（测量石灰桩孔径及孔深）石灰桩法适用于处理饱和黏性土、淤泥、淤泥质土、素填土和杂填土等地基；用于地下水位以上的土层时，宜增加掺合料的含水量并减少生石灰用量，或采取土层浸水等措施。10.2加固原理10.2MechanismofReinforcement一、物理加固作用1挤密作用（1）成桩中挤密桩间土（2）生石灰吸水膨胀挤密桩间土2桩和地基土的高温效应3置换作用4排水固结作用5加固层的减载作用1挤密作用（1）成桩中挤密桩间土石灰桩施工时是由振动钢管下沉成孔，使桩间土产生挤压和排土作用，其挤密效果与土质、上覆压力及地下水状况等有密切关联。一般地基土的渗透性愈大，打桩挤密效果越好；挤密效果地下水位以上比以下的要好。（2）生石灰吸水膨胀挤密桩间土石灰桩在成孔后贯入生石灰便吸水膨胀，使桩间土收到强大的挤压力，这对地下水位以下软粘土的挤密起主导作用。测试结果表明：根据生石灰质量高低，在自然状态下熟化后其体积可增加1.5～3.5倍，即体膨胀系数为1.5～3.5。2桩和地基土的高温效应软粘土的含水量一般为40％～80％，1Kg生石灰的消化反应要吸收0.8~0.9Kg的水，同时在理论上将放出1172kJ的热量。我国加掺和料的石灰桩，桩内温度最高到200～400摄氏度。桩间土的温度升高滞后于桩体，在正常情况下，桩间土的温度最高可达40～50度，其土体产生一定的气化脱水。吸水和升温脱水，从而使土体含水量下降，土体产生固结，孔隙减小，土体颗粒靠拢挤密，加固区的地下水位也有一定的下降。桩间土的抗剪强度得到提高。3置换作用由于石灰桩桩体具有桩间土更大的强度（抗压强度约0.5~1MPa），通过这种置换作用，形成复合地基，从而达到提高地基承载力和减小沉降的目的。4排水固结作用试验分析结果表明，石灰桩桩体的渗透系数一般为10-5～10-3cm/s，亦相当于细砂。由于其桩间距较小（一般为2～3倍桩径），水平排水路径很短，具有较好的排水固结作用。从建筑物沉降记录表明，建筑竣工开始，其沉降已基本稳定。5加固层的减载作用石灰桩的密度为8kN/m，显著小于土的密度，即使桩体饱和后，其密度也小于土的天然密度。当采用排土成桩时，加固层的自重减小，作用在下卧层的自重应力显著减小，即减小了下卧层顶面的附加应力。采用不排土成桩时，对于杂填土和砂类土等，由于成孔挤密了桩间土，加固层的重量变化不大。对于饱和粘性土，成孔时土体将隆起或侧向挤出，加固层的减载作用仍可考虑。二、石灰桩的化学加固作用1桩体材料的胶凝反应2石灰与桩周土的化学反应（1）离子化作用（熟石灰的吸水作用）（2）离子交换（3）固结反应（4）石灰的碳酸化石灰桩与桩间土之间能够产生离子交换。生石灰吸水生成的Ca(OH)2一部分与土中二氧化硅和氧化铝发生反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等。水化物对土体颗粒起胶结作用，使土聚集体积增大，并趋于紧密。加固土体粘粒含量减少，说明颗粒胶结根本上变了土的结构，石灰桩体与四周土体接触处形成硬壳体，提高了土的强度。且随着龄期增加，强度也会逐渐提高。一、设计参数及技术要点1桩径桩孔直径根据工程地基条件和采用的施工方法和机具确定，一般为300～400mm，当排土成孔时，实际桩径取1.1～1.2倍设计直径。10.3设计计算10.3DesignProcedure2桩长设计桩的长度取决与石灰桩的加固目的和上部结构的条件（1）如果加固目的是为了形成一个压缩小的垫层，则桩长可较小，一般可取2～4m。洛阳铲成孔时不宜超过6m；机械成孔外投料时，桩长不宜超过8m；螺旋钻成孔及管内投料时可适当增加。（2）若加固目的是为了减少沉降，则就需要较长的桩。如果为了解决深层滑动问题，也需要较长的桩，保证桩身穿过滑动面。（3）根据加固区下卧层承载力要求和建筑物沉降来确定（4）取决于施工机具及施工工艺水平，一般小于8m。式中pz－加固区下卧层顶面处附加压力（kPa）pcz－加固区下卧层顶面处自重压力（kPa）faz－加固区下卧层顶面经深度修正后的地基承载力特征值（kPa），宜通过试验确定。下卧土层承载力：zczazppf式中Ec－复合地基压缩模量；m－复合地基置换率；Ep－石灰桩桩体压缩模量；Es－桩间土压缩模量。建筑物沉降量控制：(1)cpsEmEmE3.桩位布置和桩间距设计桩位布置：一般选用等边三角形布置，也可采用正方形或矩形布置。桩间距一般选用桩孔直径的2.5~3.5倍。具体尺寸应该根据复合地基承载力公式来计算。复合地基极限承载力的表达式为：(1)cfpfsfpmpmp式中：pcf为复合地基极限承载力；Ppf为石灰桩极限承载力，由现场试验确定选用值；λ为桩间土强度发挥程度。Psf为桩间土极限承载力，由试验确定选用值。（1）3.桩位布置和桩间距设计对于等边三角形，复合地基置换率m表达式为：220.9069dmS式中：S----桩孔中心距；d----桩孔直径；23S2面积（2）3.桩位布置和桩间距设计0.95pfsfcfsfppSdpp0.886pfsfcfsfppSdpp可得到等边三角形布置的桩孔间距S，为类似，对于正方形布置的桩孔间距S，为值得注意的是：石灰桩桩间距与桩间土强度有关。随着桩间距增大，由于桩体的物理化学作用引起的桩间土强度的提高减弱，桩间土强度降低。在式（1）的应用中应该考虑这一点。4桩体抗压强度可取350～500kPa。5桩间土承载力与置换率、施工工艺和土质情况有关。可取天然地基承载力的1.05～1.20倍。土质软弱或置换率大时取高值。6桩土应力比可取3～4，长桩取大值。（1）复合地基承载力特征值不宜超过160MPa，当土质较好且采取保证桩身强度的措施时，经过试验后可适当提高。（2）其复合地基承载力特征值应通过单桩或多桩复合地基载荷试验确定。（3）初步设计时可按一般散体材料桩的复合地基承载力公式估算：7.复合地基承载力计算sfpfcfpmmpp)1(8布桩范围的确定石灰桩加固范围宜大于基础宽度，也可仅布置在基础底面下，当基底土的承载力特征值小于70kPa时，宜在基础以外布置1～2排围护桩。9.垫层（1）当地基需要排水通道时，可在桩顶以上设200～300mm厚的砂石垫层。因为石灰桩属可压缩性桩，一般情况桩顶可不设垫层。其渗透系数一般为10-5～10-3cm/s，可作为排水通道。（2）石灰桩宜留500mm，以上的孔口高度，并用含水量适当的粘性土封口，封口材料务必夯实。10桩身材料配合比石灰桩的材料以生石灰为主，生石灰选用现烧的并过筛，粒径一般为50mm以下，含粉量不得超过总重量的20％，CaO含量不低于70％，其中夹石或其他杂物不大于5％。掺和料优先选用粉煤灰、火山灰、炉渣等工业废料、生石灰与掺和料的配合比宜根据地质情况确定，生石灰与掺和料的体积比可选用1：1或1：2，对于淤泥、淤泥质土等软土可适当增加生石灰用量，桩顶附近生石灰用量不宜过大。当掺石膏和水泥时，掺加量为生石灰的3%~10%。二、石灰桩复合地基承载力计算面积置换率m应取膨胀后的桩面积计算，即取1.1～1.2倍成孔直径。skpkspkfmmff)1(三、石灰桩复合地基沉降计算石灰桩复合土层的压缩模量宜通过桩身及桩间土压缩试验确定，初步设计时可按下式估算：式中Es为天然土的压缩模量（MPa），系数可取1.1～1.3，成孔对桩周土挤密效应好或置换率大时取高值。sspEnmE)]1(1[施工工艺：先用人工或者机械成孔后，再填料夯实、封顶。自上而下成孔、自下而上夯实成柱。施工工序一般是先外排后内排，先周边后中间，单排桩应先施工两端后中间，并按每间隔1-2孔的施工顺序进行，不得由一边向另一边平行推进，以免桩挤向一边。石灰桩成孔方法：包括人工挖孔成桩、冲击法成桩、螺旋钻进法成桩、沉管法成桩、爆扩法成桩5种施工工艺。10.4施工10.4Construction①人工挖孔成桩：一般采用人工洛阳铲成孔，适用于一般黏性土、淤泥、淤泥质土。洛阳铲法②冲击法成桩：适用于冲击钻机成孔。使用冲击钻机将0.6-3.2t锥形钻头提升0.5-2.0m高度后自由落下，反复冲击，使土层成孔。成孔孔径大，孔深不受机架高度限制。③螺旋钻进法成桩：螺旋钻进发成桩是一种干式钻进方法，特点是用螺旋钻杆不断将土输送到地面，不使用冲洗液，钻进效率高。可分为：长螺旋钻进法和套管式螺旋钻进法。长螺旋钻进法可以深孔钻进，但是孔壁不能自立的土中不能使用。套管式螺旋钻进法适用于不稳定的塌孔地层，最深可以达到35m。套管式螺旋钻进法④沉管法成桩：包括震动沉管法和冲击沉管法。优点：成孔孔壁光滑，挤密效果和施工工艺都较于控制和掌握。缺点：最大空深受到桩架限制，一般不超过8m.⑤爆扩法成桩包括药眼法（适用于含水量不大于22%的土层）和药管法（适用于