深層攪拌石灰樁加固軟土地基

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在高等級公路中，遇到不少涵洞、通道、擋土結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)物置于軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，施工期短暫時，成為不少建設(shè)單位和設(shè)計單位的棘手問題。針對這個問題，采用生石灰噴粉深層攪拌樁（簡稱石灰攪拌樁）進(jìn)行軟土地基處理，具有技術(shù)簡單可行，且經(jīng)濟(jì)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后沉降，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(jù)設(shè)計確定石灰攪拌樁鉆機(jī)的位置，啟動攪拌機(jī)，鉆進(jìn)時噴射壓縮空氣，準(zhǔn)備加固的土在原位受到擾動。隨著鉆進(jìn)到設(shè)計標(biāo)高，鉆機(jī)鉆頭反向旋轉(zhuǎn)，邊提升，邊由壓縮空氣輸送生石灰，向著由鉆頭攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙部位噴入被攪拌的土體中，使土體和石灰進(jìn)行充分拌和，形成具有整體性好，水穩(wěn)定性好和一定強(qiáng)度的石灰土樁。
    通過機(jī)構(gòu)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種復(fù)雜的不溶于水的、將土顆粒粘結(jié)在一起的硅酸鈣凝膠，硅酸鈣凝膠起到包裹和聯(lián)結(jié)的作用，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在土顆粒間相互穿插，使土顆粒聯(lián)系得很牢固，改善了土的物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)揮了石灰固化劑的強(qiáng)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(zhuǎn)移到粘土顆粒表面時才能實現(xiàn)，利用土顆粒、水和石灰之間的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到這一目的，以改善土的性質(zhì)，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(qiáng)制做拌均勻，很快產(chǎn)生水化作用，形成 Ca（OH）2 。在這生石灰變?yōu)槭焓业倪^程中，產(chǎn)生的熱量促進(jìn)水分蒸發(fā)，使軟土地基的含水量降低，同時石灰體積產(chǎn)生膨脹，此時膨脹力所作的功轉(zhuǎn)化為周圍土的變形位能。例如廣東省云浮硫鐵礦專用線有一座蓋板涵基礎(chǔ)采用石灰噴粉深層攪拌處理軟基，鉆頭直徑為500mm，形成石灰樁之后，在粉細(xì)砂層直徑增大為520mm，在軟土層直徑內(nèi)直徑增大為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(chǎn)生絮凝反應(yīng)作用，這一反應(yīng)過程使軟土顆粒結(jié)合水膜厚度減簿，土的塑性降低，土粒間的粘結(jié)力增加，土體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性提高。
    上述兩種化學(xué)反應(yīng)過程，主要發(fā)生在生石灰與軟土強(qiáng)制攪拌混合后的數(shù)小時內(nèi)，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(jìn)一步緩慢地產(chǎn)生化學(xué)作用，過程中又吸收熟石灰漿中的水分，形成結(jié)晶和生成鋁酸鹽和水化硅酸鈣，改變了粘土的結(jié)構(gòu)。這一反應(yīng)過程將持續(xù)數(shù)年，是石灰對軟粘土的后期作用。
    2、石灰攪拌樁身的排水固結(jié)作用
    通過對一些工程施工的石灰攪拌樁觀測，發(fā)現(xiàn)施工期樁體含水量總是很高，直觀表現(xiàn)在樁頂?shù)膲|層上有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數(shù)均大于樁間土。由于樁身材料拌合不均勻，以及配合比、摻合料不同，涮得樁身滲偷耐裂沽?脅舛ń峁??貿(mào)鱟?搴妥?渫戀暮稍賾αΨ值１萵＝P/S=3-15（為石灰攪拌承擔(dān)的應(yīng)力，為樁間土承擔(dān)的應(yīng)力）．在用石灰攪拌樁加固公路軟基時，一般采用n=3～5較適宜。
    3、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(chǎn)生的固結(jié)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——地基加固后孔隙比；
    Δw——由式(s)求出的含水量降低值；
    GS——土顆粒比重。
    據(jù)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(zhì)軟粘土構(gòu)成，厚度6-12m，抗剪強(qiáng)度10KPa，含水量60％，經(jīng)室內(nèi)試驗表明，用制備的石灰加固試樣測試其抗剪強(qiáng)度，在10d后增加到50KPa,三個月后測試強(qiáng)度增加到100KPa，在試驗路堤4m高的下面，石灰攪拌樁的設(shè)計間距為1.0-1.2m，樁長10m。經(jīng)現(xiàn)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％，其沉降量為20-25m，設(shè)計計算值與實測值吻合較好。
    4、生石灰劑量對石灰攪拌樁強(qiáng)度的影響
    在同一生石灰含量的條件下，不同的土類具有明顯不同的抗壓強(qiáng)度，根據(jù)室內(nèi)試驗表明:  （1）當(dāng)生石灰含量在6％- 18％的范圍內(nèi)變化時，石灰攪拌樁仍保持原來土壤的特性；（2）不同土性的石灰粉滲入量各有最佳滲人量區(qū)間，大于或小于這一區(qū)間的滲入量，都得不到經(jīng)濟(jì)的加固效果。
    生石灰的膨脹力與生石灰的含量成正比，但膨脹應(yīng)力的大小，則與生石灰有效氧化鈣含量、約束力的大小和方向、熟化的快慢有關(guān)，如采用有效氧化鈣含量為85％-89％的生石灰,讓其在近似完全約束的條件下熟化，測得其軸向膨脹應(yīng)力最高可達(dá)11.6MPa，隨著周圍約束的放松，軸向膨脹應(yīng)力急劇減少，膨脹力所做的功已轉(zhuǎn)化為周圍土的變形位能而趨于平衡。總之，對于一般的地基（特別是軟土），當(dāng)生石灰用量超過一定界限時，其約束力絕對不可能阻止石灰攪拌樁的膨脹，巨大的膨脹力必將在相當(dāng)范圍內(nèi)傳布，這就是石灰攪拌樁直徑增大的原因。
    5、石灰攪拌樁的強(qiáng)度取決于軟粘土的含水量
    石灰攪拌樁的強(qiáng)度能否形成和強(qiáng)度高低，與軟粘土的含水量有關(guān)。生石灰轉(zhuǎn)變?yōu)槭焓乙约袄^續(xù)水化，都要吸收和蒸發(fā)軟粘土中的水份。因此，必須要有足夠的水供石灰水化，否則無法形成強(qiáng)度。另一方面水又不能過多，以使處于飽和狀態(tài)的軟粘土能夠因脫水而轉(zhuǎn)變成三相狀態(tài)，軟土中的空氣才能為碳酸化反應(yīng)提供足夠的二氧化碳，從而形成使灰土反應(yīng)生成有一定強(qiáng)度的膠結(jié)物質(zhì)條件，形成較高的強(qiáng)度。由于石灰攪拌樁中的水分在強(qiáng)度形成中得到消耗，灰土含水量就會大幅度減少，甚至由流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛菜苣酥翀杂矤顟B(tài)，從而大大提高石灰土的強(qiáng)度。
    6、石灰攪拌樁適宜的土質(zhì)條件
    石灰攪拌樁是靠石灰與土之間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而形成強(qiáng)度的，不同的土質(zhì)會產(chǎn)生不同的加固效果，粘土顆粒粒徑小，表面積大，分散性大，穩(wěn)定性差，容易和石灰發(fā)生反應(yīng)，并且粘土較小的滲透系數(shù)?？墒故覕嚢铇逗拷档?，所以石灰攪拌樁適宜處理軟粘土地基。在軟粘土礦物成份中，高嶺土、伊利土和蒙脫土為三種主要的粘土礦物成分，而從結(jié)構(gòu)、能量和成份三個方面又可以說明蒙脫土最容易與石灰發(fā)生反應(yīng)，例如對于淤泥質(zhì)粘土土樣用X射線衍射礦物分析，穩(wěn)定性好的礦物石英含量在40％以上，高嶺土和伊利土含量為40％，把其中一段大氣干燥的淤泥粘土石灰攪拌樁鉆取試樣放入水中，約一個多小時就完全崩解為泥漿，崩解速度與一般粘土十分接近，說明了這類粘土恰恰缺少蒙脫土類粘土礦物，石灰較難與土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不能大量生成碳酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)，致使石灰攪拌樁強(qiáng)度較低，也揭示了石灰攪拌樁適宜于蒙脫土類礦物含量高的粘土地基。