石灰桩加固软土地基减小基坑变形技术的理论研究

1石灰桩加固软土地基减小基坑变形技术的探讨刘守城（中国第十七冶金建设有限公司技术中心，安徽马鞍山243061）[摘要]用石灰桩处理基坑潜在危险滑移面上的软土，改良土性，提高软土的抗剪强度和自稳能力，达到减小基坑变形的目标，该技术可作为基坑被动支护的一种辅助手段。[关键词]软土深基坑变形滑移场滑移面石灰桩加固抗剪强度自稳能力辅助手段0背景软土深基坑支护通常采用护壁桩和地下连续墙两种挡土结构，从受力形式上划分属被动支护，即坑壁土体产生一定变形位移后，挡土结构被动受力，发挥支护作用。基坑支护设计的重点是进行挡土结构和支撑系统的内力、稳定性计算，通过支护结构的强度、刚度和稳定性来控制基坑的变形。而在工程实践中，基坑往往出现过大的位移变形，轻则出现明显的地面沉降和水平位移，重则使挡土结构和支撑系统破坏，酿成工程事故，造成重大的经济财产损失。所以，研究如何减小被动支护的软土深基坑变形问题是一项有意义的课题。鉴于目前人们对基坑滑移模式的认识和软土地基加固技术已经有了比较成熟的理论和实践[1][2]，酝酿出对软土深基坑潜在危险滑移面进行适当加固、提高软土地基的抗剪强度和自稳能力、达到主动减小基坑位移变形的目标这样一个思路，本文分析研究的是用石灰桩加固软土地基以减小基坑位移变形的理论技术。1.认识基坑滑移1.1基坑滑移场基坑开挖时,随着坑内土体挖出,坑壁土体内原始应力场和变性场破坏,在新的平衡场势形成之前,土体单元不断蠕动变形,直到达到新的力学平衡。设定岩土参数，用FLAC2D岩土分析程序模拟无支护情况下基坑的滑移场（下图1）[3]。场势图明显的划分为两个区：受拉区和剪切区，场势的分布范围反映场势的强度大小，范围越大表示场势越强，受拉区和剪切区贯通，表明滑动势很强，坑壁土体将沿贯通面发生滑移，表征在坑壁土体上部开裂下部滑动。滑移场势的2强弱取决于坑壁岩土参数（Ε、c、φ、μ、γ），参数指标提高，滑移场范围减小，受拉区和剪切区散开，潜在发生滑移的势减小。对受拉区和剪切区土体加固，改良岩土参数，提高抗剪滑能力和自稳能力，能够缩小基坑滑移场势的范围，工程实践中就是缩小了塑性变形区的范围，能够主动地延缓或阻止潜在的滑移。1.2搜索滑移面土作为离散体材料，滑移面的形状不很规则，搜索滑移面是为了进行软土加固时有的放矢。1.2.1基本方法基坑的破坏模式与边坡相类似，引用研究边坡稳定性的方法来研究基坑，最常用的是圆弧滑动法，不同之处在斜坡换成挡土结构，坡角为90°（图2）。多土层边坡稳定性验算通常采用条分法（图3）[4][5]，取单位长度边坡按平面问题计算。设可能滑动面是一圆弧，圆心为O，半径为R。将滑动土体分成许多竖向土条，土条宽度一般取b=0.1R。1)土条的重力W¡,其大小、作用点位置及方向均已知；2)滑动面上的法向反力N¡及切向反力T¡，假定N¡、T¡作用在滑动面的中点，大小未知；3)土条两侧的法向力E¡、E¡+1及竖向剪切力X¡、X¡+1，其中E¡和X¡可由前一个土条的平衡条件求得，而E¡+1和X¡+1的大小和作用点均未知。由上可见，土条¡的作用中有5个未知数，但只能建立3个平衡条件方程，故为静不定问题。为求得N¡、T¡值，必须对土条两侧的作用力大小和作用点作适当假定。费伦纽斯的条分法是不考虑土条¡两侧的作用力，即假设E¡和X¡的合力等于3E¡+1和X¡+1的合力，同时它们的作用线重合，因此土条¡两侧的作用力相互抵消。这样土条¡仅有作用力W¡、N¡、T¡，根据平衡条件可得：N¡=W¡cosα¡T¡=W¡sinα¡滑动面上图的抗剪强度为：τf¡=σtagφ¡+c¡=li1（N¡tagφ¡+c¡ι¡）=li1（W¡cosα¡tagφ¡+c¡ι¡）式中α¡——土条¡滑动面的法线（亦即圆弧半径）与竖直线的夹角；ι¡——土条¡滑动面的弧长；c¡、φ¡——土条¡滑动面上土的粘聚力和内摩擦角，采用固结快剪峰值指标。土条¡上的作用力对圆心O产生的滑动力矩Ms及抗滑稳定力矩Mr分别为：Ms=T¡R=W¡Rsinα¡Mr=τf¡ι¡R=（W¡cosα¡tagφ¡+c¡ι¡）R整个边坡相应与滑动面时的稳定安全系数为：K=MsMr=niiniiiWiRciliiitgWiR11sin)cos(对于非均质土体，c¡、φ¡取标准值，c¡=c、φ¡=φ,则得:K=niiniiiWicLiWitg11sin)cos(式中L——滑动面的弧长；n——土条分条数设定参数就能计算出某个可能的滑移面的安全稳定系数。1.2.2滑移面圆心位置的确定按上述方法求得某个可能的滑移面稳定安全系数，经多次试算，相应于安全系数最小的滑移面即为要搜索的最危险的滑移面。确定最危险滑移面圆心位置可采用费伦纽斯经验方法，大多设计软件都有此功能，不再赘述。2.石灰桩加固地基的机理[6][7]石灰桩主要用料为生石灰，生石灰一个显著特性是吸水发热膨胀：CaO+H2O=Ca(OH)2+Q2.1膨胀挤密作用石灰桩在成孔后灌入生石灰，便吸水膨胀，使桩间土受到强大的挤压力，这对地下水位以下的软粘土的挤密起主导作用。测试结果表明，根据生石灰质量的高低，在自然状态下熟化后其体积可增到原来的1.5~3.5倍，即体胀系数为1.5~3.5，质量好的一等钙石灰其体胀系数约为3.0~3.5，挤土成桩时，作用更明显。42.2高温效应软粘土的含水量一般为35%~50%，1kg生石灰的消解需要吸收0.32kg的水，同时在理论上将释放出1164kJ的热量，加掺合料的石灰桩，桩内温度最高达200~300℃。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℃，升温使土体产生一定的汽化脱水，从而使土中含水量下降，孔隙比减小，土颗粒相互靠拢挤密，加固区的地下水位也有一定的下降。2.3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，亦即相当于细砂等级。由于石灰桩桩距较小（一般为2~3倍桩体直径），水平排水路径很短，具有较好的排水固结作用。当桩体掺合料采用煤渣、矿渣、钢渣等粗颗粒料时，排水固结作用更加明显。2.4胶凝作用由于生石灰吸水生成的熟石灰（Ca(OH)2）一部分与水土中的CO2、SiO2、Al2O3发生化学反应，生成碳酸钙、水化硅酸该、水化铝酸钙等水化产物。Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2OCa(OH)2+SiO2+nH2O=CaSiO3•(n+1)H2OCa(OH)2+Al2O3+nH2O=CaO-Al2O3•(n+1)H2O水化产物对土颗粒产生胶结作用，使土颗粒聚集，体积增大，并趋于紧密，形成骨架结构，同时加固的粘粒含量减少。土颗粒胶结作用从本质上改变了土的结构，提高了土的强度，而且土体的强度将随龄期的增长而增加。3.石灰桩加固地基的处理效果江苏省建筑设计研究院通过相当数量的土工和静载荷等试验手段，检测出石灰桩处理地基效果较天然地基有相当大的改观。1)桩身变形模量Εs=10~30MPaΕs=(3~5)Εc(Εc为桩间土的变形模量)2)加固后地基承载力为天然地基的承载力的2.0~3.3倍：3)加固后土的含水量下降30%以上：4)土的塑限含水量大幅下降，土的液性指数下降30%~45%，土的状态明显改观：5)土的天然重度增加20%以上，孔隙比减小15%~40%6)土的粘聚力和无侧限抗压强度提高40%~70%。这些数据足以说明石灰桩可以在软土基坑支护中发挥作用。我公司近期在圣戈班工程中利用石灰桩处理了大面积的软土地基，检测试验结果较好，承载力和抗剪指标都达到了设计的要求。4.石灰桩的设计包括生石灰选料、桩径、桩长和桩间距的布置。1)材料石灰粧的材料以生石灰为主，生石灰选用新鲜现烧的，并过筛，粒径一般为50mm，含粉量不得超过总重量的20%，CaO含量不低于70%，其中夹石不大于50%。生石灰中掺入适当粉煤灰或者火山灰等含硅材料是，重量配合比一般为3∶7，粉煤灰采用干灰，含水量ω＜5%，使用时要与生石灰拌均匀。2)桩径石灰桩的桩径一般为150~400mm，具体桩径取决于成孔机具的管径。53)桩间距桩间距一般为2~3倍桩径，桩距太大则约束力太小，一般离桩3~4倍桩径外，原状土得不到加固。平面布置可设为正方形或者梅花形。4)桩长石灰桩加固地基以减小基坑变形的设计一项重要内容是布置桩长和范围。因为加固的目的是为了解决深层滑动问题，石灰桩的桩长需要穿透危险滑移面3倍桩径以上，方能起到明显效果。布置范围为抗剪区和受拉区，重点是抗剪区。潜在滑移面的确定按前文所述的条分法搜索。5.石灰桩的施工考虑石灰桩加固地基是作为被动支护的辅助措施，目的是为了提高滑移面范围土体的抗剪切滑移能力和自稳能力，石灰桩的膨胀挤密作用非常大，为了减小对挡土结构（如水泥土挡墙）的影响，石灰桩在挡墙后5~6倍桩径范围内不布置。成孔采用钻孔法，掏出部分土体，不至于增加过多自重。螺旋钻孔深度不受设备限制，钻进效率高。施工流程简述为：定位—成孔—投料夯压—封顶。软弱土层中螺旋钻成孔经常会有塌孔现象，导致生石灰料下不到设计深度，可以下套管方法解决，在套管内投料夯压。投料量按设计桩体积乘以1.4倍的压密系数控制。桩身上段1.0~1.5m范围做土塞封顶，可以用粘性土填入捣实，也可以浇入素混凝土捣实，目的是为了减小地表水的直接影响，减小地面膨胀隆起作用。施工顺序：从靠近挡土结构向后施工，并间隔1~2孔疏打，后隔数天按设计间距补桩。6.结束语如上所述，对变形控制要求严格的基坑，用石灰桩加固软土作为减小变形的辅助措施，在理论上是可行的。如果基坑外本身还有建筑物，那样还能一举两得。按此思路，针对土层条件特点，也可以衍生其他类似的技术措施。该技术在基坑工程上的适用性，还需要实践的检验，同时也不可缺少其他措施（如降水、排水等）。针对不同底层条件和基坑等级、深度，设计和施工上也不尽相同。在其他措施对变形控制不力或经济成本较高时，可以选择采用该项技术。参考文献[1]JGJ120—99建筑基坑支护技术规程[S][2]JGJ79—2002建筑地基处理技术规范[S][3]贾金青.深基坑预应力锚杆柔性支护法的理论及实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.[4]东南大学.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.[5]陈忠汉等.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，2002.[6]叶观宝.地基加固新技术[M].北京：机械工业出版社，2004.[7]编委会.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.