石灰桩法

第5章石灰桩法5.1概述石灰桩是指采用机械或人工方法在地基中成孔，然后灌入生石灰块或按一定比例加入粉煤灰、炉渣、火山灰等掺合料及少量外加剂进行振密或夯实而形成的桩体，石灰桩与经改良的桩周土共同组成石灰桩复合地基以支承上部建筑物。石灰桩法适用于加固杂填土、素填土、淤泥、淤泥质土和粘性土地基，对素填土、淤泥、淤泥质土的加固效果尤为显著。有经验时也可用于粉土地基。加固深度从几米到十几米。不适用于地下水以下的砂类土。5.2加固机理1.桩间土(1)成桩挤密主要发生在不排土成桩工艺之中。对土的挤密效果随不排土工艺和成桩夯实桩料的情况，桩径和桩距不同而不同，挤密效果还与土质、土覆压力及地下水状况有密切关系。成孔及成桩的挤压可以提高一般黏性土和粉土的承载力，大体上为原土强度的1.1~1.5倍。对于杂填土，不排土的成孔工艺有显著的挤密效果。对于灵敏度高的饱和软粘土(包括淤泥)，成桩中不能挤密桩间土，而且还破坏了土的结构，强度下降。作为浅层加固的石灰桩，由于被加固土层的上覆压力不大，且有隆起现象，成桩过程中的挤密效应不大。对一般黏性土，粉土，可考虑1.1左右的加强系数。而杂填土和含水量适当的素填土（砂）应根据现场测试结果确定。对饱和软黏土和淤泥则不考虑。(2)膨胀挤密生石灰体积膨胀的主要原因是固体崩解空隙体积增大，颗粒比表面积增大，附着物增多，使固相颗粒体积也增大。在自然状态下熟化后其体积增到1.5~3.5倍。(3)高温效应1kg的生石灰水化生成Ca(OH)2时，理论上放出278千卡的热量，经测定放热时间在水化充分进行时为1h。因此，生石灰CaO成分越高，桩内生石灰用量越大时，升温越高。日本的纯生石灰桩测得的桩内温度最高达400℃。我国加掺合料的石灰桩，桩内温度最高达200~300℃。桩间土温度的升高滞后于桩体，在正常置换比的情况下，桩间土的温度最高可达40~50℃，由于桩数多，桩区内温度消散很慢，在全部桩施工完毕后15d，地温仍达25℃左右，完全恢复地温至少要20~30d甚至更长的时间。高温引起土中水分的大量蒸发，对减少土的含水量促过桩周土的脱水起了积极的作用。(4)桩体材料的胶凝反应石灰中的钙离子和土中的钠离子会在桩体和桩孔界面上产生交换，改变土粒表面的带电状态，使粘土颗粒混聚起来形成团粒，同时生石灰吸水生成氢氧化钙与土中二氧化硅和氧化铝产生反应形成水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙等水化物产生胶结作用在桩孔表面形成一定厚度的硬壳（厚度可达5-10cm）提高土的纯度，可随龄期而增长。2.桩身对于单一的以生石灰作原料的生石灰，当生石灰水化后，生石灰的直径可胀到原来所填的生石灰块屑体积的一倍，如充填密实和纯氧化钙的含量很高，则生石灰密度可达1.1～1.2t/m3。在古老建筑物中所挖出来的石灰桩里，曾经发现过桩周呈硬壳而中间呈软膏状态。因此对形成石灰桩的要求，应该把四周土的水吸干，而又要防止桩身的软化。因此，必须要求石灰桩应具有一定的初始密度，而且吸水过程中有一定的压力限制其自由胀发。可采用提高填充初始密度、加大充盈系数、用砂填石灰桩的孔隙、桩顶封顶和采用掺和料等措施，借以防止石灰桩桩心软弱。实验分析结果，石灰桩桩体的渗透系数一般在10-5~10-3cm/s间，即相当于细砂。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。从建筑物沉降观测记录说明，建筑竣工开始使用，其沉降已基本稳定，沉降速率在0.04mm/d左右。3.复合地基由于石灰桩桩体具有较桩间土更大的强度（抗压强度约500kPa），在与桩间土形成的复合地基中具有桩体作用。当承受荷载时，桩上将产生应力集中现象。根据国内实测数据，石灰桩复合地基的桩土应力比一般为2.5~5.0。5.3设计计算5.3.1石灰桩设计一般原则一、生石灰应新鲜，CaO含量不宜低于70%，含粉量不得超过15%。桩身材料的无侧限抗压强度根据土质及荷载要求，一般情况下为0.3MPa~1.0MPa。二、石灰桩的设计直径一般采用300~500mm，桩中心距宜为2~3.5倍成孔直径。桩位布置根据基础形式可采用正三角形、正方形或矩形排列。三、石灰桩的加固深度，应满足桩底未经加固土层的承载力要求，当建筑物受地基变形控制时尚应满足地基变形容许值的要求。石灰桩桩端宜选在承载力较高的土层中。在深厚的软弱地基中采用悬浮桩时，应减少上部结构重心与基础形心的偏心，必要时宜加强上部结构重心与基础的刚度。在深厚的软土中采用悬浮桩时建筑物层数不应高于5层。四、石灰桩的加固范围应根据土质和荷载情况决定。石灰桩可仅布置在基础底面下，当基底土承载力特征值小于70kPa时，宜在基础以外增设1~2排围护桩。在有经验时，也可不设围护桩，以降低造价。五、洛阳铲成孔桩长不宜超过6m；机械成孔管外投料时，桩长不宜超过8m；螺旋钻成孔及管内投料时可适当加长。六、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。七、石灰桩宜留500mm以上的空孔高度，并用含水量适当的土封口，封口材料必须夯实，封口标高应略高于原地面，防止孔口积水。石灰桩桩顶施工标高应高出设计桩顶标高100mm以上。5.3.2石灰桩复合地基承载力计算石灰桩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测定。初步设计时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：skpkspkfmmff)1(（4-1）式中pkf—石灰桩桩身抗压强度比例界限值，有单桩竖向载荷试验测定，初步设计时可取350~500kPa，土质软弱时取低值（kPa）；skf—桩间土承载力特征值，取天然地基承载力特征值的1.05~1.20倍，土质软弱或置换率大时取高值（kPa）；m—面积置换率，桩面积1.1~1.2倍成孔直径计算，土质软弱时取高低值（kPa）5.3.3复合地基变形计算建筑物基础的最终沉降值，可按分层总和法计算。在桩长范围内复合土的压缩模量按下式估算：)1(1'nmEEssp(4-2)式中spE—石灰桩复合土层压缩模量(MPa)；'sE—桩间土的压缩模量(MPa)，由室内土工试验确定，可取(1.1~13)sE，成孔对桩间土挤密效应好或置换率大时取高值；n—桩土应力比，取3~4，长桩取高值。在施工质量有保证时，桩长范围内复合土层沉降量可按桩长的0.5%~1%估算。正常情况下桩底下卧层的沉降为控制因素。经实测统计，对于多层建筑物，在一般软土地区，下卧层承载力在80kPa以上时最终沉降量一般为30~60mm；下卧层承载力低于80kPa时，最终沉降量一般为50~100mm；在深厚软土地区，最终沉降一般为100~200mm。5.4施工工艺5.4.1管外投料法石灰桩体中含有大量掺合料，掺合料不可避免有一定含水量。当掺合料与生石灰拌合后，生石灰和掺合料中的水分迅速发生反应，生石灰体积膨胀，极易发生堵管现象。管外投料法避免了堵管，可以利用现有的混凝土灌注桩机施工，但又受到如下限制：首先，在软土中成孔，当拔管时容易发生塌孔或缩孔现象。第二，在软土中成孔深度不宜超过6m。第三，桩径和桩长的保证率相对较低。一、施工方法采用多种打入、振入、压入的灌注桩机均可施工。由于石灰桩多用于8m以内的浅层加固，因此，桩机的高度不必过高。桩管采用200~325mm无缝钢管。为防止拔管时孔内负压造成塌孔，桩尖采用活动式，拔管时桩尖靠自重落下，空气由桩管进入孔内，避免负压。桩尖角度一般为50°、60°、90°。土质较硬时用小值。二、工艺流程桩机定位—沉管—拔管—填料—压实—再拔管—再填料—再压实，这样反复几次，最后填土封口压实，一根桩即告完成，如图5-14所示。图5-1成桩工艺流程三、施工控制(一)灌料量控制影响灌料量的因素很多。如桩周土强度、压实次数、设计桩径、桩管直径等。控制灌料量的目的是保证桩径和桩长，同时要保证桩体密实度。根据室内外试验结果，当掺合料为粉煤灰及煤渣时，桩料干密度要求达到1.00~1.10g/cm3，即可保证桩体密实度。在软土中施工，塌孔和缩孔不可避免，一根6m长的桩，往往需要填料压实反复四五次。即使如此，桩长和桩底直径尚无确切把握，而桩的中部、上部直径往往偏大。目前是采用桩管上做刻度记一号，每次沉管压入的深度要经过现场试验后严格控制，确保质量。确定灌料量时，首先根据设计桩径计算每延长米桩料体积，然后将计算值乘以1.4的压实系数作为每米灌料量。由于掺合料含水量变化很大，在工地宜采用体积控制。关于桩管直径的选择，原则上应根据一设计桩径确定，一般设计桩径为桩管直径的1.3~1.5倍。当桩管直径较大时，由于反插后拔管力较大，要注意是否会造成拔管困难。(二)打桩桩顺序应尽量采用封闭式，即从外圈向内圈施工。桩机宜采用前进式，即刚打完的桩处于桩机下方，以机身重量增加覆盖压力，减少地面隆起量。为避免生石灰膨胀引起邻近孔塌孔，宜间隔施打。(三)技术安全措施1.生石灰与掺合料拌合不宜过早，随灌随拌，以免生石灰遇水胀发影响质量。拌合过一早容易引起冲孔“放炮”(即生石灰和掺合料冲出孔口）。2.冲孔的原因是桩料内含有过量空气，空气遇热膨胀，产生爆发力。因此，防止冲孔的主要措施是保证桩料填充的密实度。要求孔内不能大量进水，掺合料的含水量不宜大于70﹪(指粉煤灰、炉渣)。3.做好施工准备，采取可靠的场地排水措施，保证施工顺利进行。4.石灰桩施打后，在地下水下，1~2d时间即可完成吸水膨胀的过程，在含水量为25%左右的土中，需要3~5d；在含水量小于20%的土中，当掺合料含水量也不大时，完成吸水膨胀需要较长时间，但后期膨胀最显著减小。经验证明，在石灰桩施打5~7d后，即可进行基坑开挖。5.孔口封顶宜用含水量适中的土，封口高度不宜小于0.5m，孔口封土标高应高于地面，防止地面水早期浸泡桩顶。6.石灰桩容许偏差没有混凝土桩要求严格。遇有地下障碍物时，技术人员在现场可根据基础尺寸，荷载等因素变动桩位。正常情况下，杭位偏差不宜大于10cm，倾斜度不大于l.5%，桩径误差±3cm，桩长误差士15cm。7.大块生石灰必须破碎，粒径不大小7cm。生石灰在现场露大堆放的时间视空气湿度及堆放条件确定，一般不长于2~3d。8.桩顶应高出基底标高10cm左右。5.4.2管内投料法管内投料施工法适用于地下水位较高的软土地区。管内投料施工工艺与振动沉管灌注桩的工艺类似，详见图5-2。图5-2管内投料施工工艺一、施工要点(一)石灰及其他掺合料应符合设一计要求，随时抽样检验。生石灰应新鲜，堆放时间不得超过3d，做好石灰堆放的防水防火设施。(二)石灰灌入量不应小于设计要求，拔出套管后，用盲板将套管底封住，将桩顶石灰压下约800mm，然后用粘土将桩孔填平夯实，以阻止石灰向上涨发，并对场地采取排水措施，防止地表水流入桩内。(三)石灰桩容许偏差参见管外投料法。(四)石灰桩施工应在有实践经验的技术人员指导下进行，并做好施工记录，按要求交付所有隐蔽工程验收竣工资料。二、施工主要机具(一)DZ-40Y振动打桩机(二)377mm钢管和盲板(三)小车及配套工具5.4.3挖孔投料法利用特制的洛阳铲，人工挖孔、投料夯实。由于洛阳铲在切土、取土过程中对周围土体的扰动很小，在软土中均可保护孔壁稳定。这种简易的施工方法避免了振动和噪声，能在极狭窄的场地和室内作业，大量节约能源，造价低，工期短，质量可靠，因此，适用的范围较大。挖孔投料法主要受到深度的限制，一般清况下桩长不宜超过6m。穿过地下水下的砂类土及塑性指数小于10的饱和粉土则难以成孔。5.5质量控制和效果检验5.5.1施工质量控制施工质量控制的主要内容包括：桩点位置、材料质量、桩身密实度等，其中以材料质量和桩身密实度检验为重点。一、桩点位置检查施工基础轴线，场地标高及桩位是否与施工图相符。二、材料质量把好材料关，不应使用不符合质量要求的施工材料，配合比要准确，石灰块大小及每米桩一长灌入量应符合设计要求。三、桩身密实度检验(一)轻便触探及静力触探检验根据各地施工方法的差异情况，建立轻便触探锤击数10N。和填料压实系数yD、之间的关系。按设计要求的yD值定出轻便触探检验的“检定锤击数”