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、擋土結構等結構物置于軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，施工期短暫時，成為不少建設單位和設計單位的棘手問題。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
    根據設計確定石灰攪拌樁鉆機的位置，啟動攪拌機，鉆進時噴射壓縮空氣，準備加固的土在原位受到擾動。隨著鉆進到設計標高，鉆機鉆頭反向旋轉，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(wěn)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(fā)生化學反應，形成一種復雜的不溶于水的、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，使土顆粒聯系得很牢固，改善了土的物理力學性質，發(fā)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?yōu)槭焓业倪^程中，產生的熱量促進水分蒸發(fā)，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，在粉細砂層直徑增大為520mm，在軟土層直徑內直徑增大為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(wěn)定性提高。
    上述兩種化學反應過程，主要發(fā)生在生石灰與軟土強制攪拌混合后的數小時內，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(xù)數年，是石灰對軟粘土的后期作用。
    2、石灰攪拌樁身的排水固結作用
    通過對一些工程施工的石灰攪拌樁觀測，發(fā)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濕痕，表明樁體含水量及滲透系數均大于樁間土。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??貿鱟?搴妥?渫戀暮稍賾αΨ值１萵＝P/S=3-15（為石灰攪拌承擔的應力，為樁間土承擔的應力）．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——地基加固后孔隙比；
    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，用制備的石灰加固試樣測試其抗剪強度，在10d后增加到50KPa,三個月后測試強度增加到100KPa，在試驗路堤4m高的下面，石灰攪拌樁的設計間距為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％，其沉降量為20-25m，設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度，根據室內試驗表明:  （1）當生石灰含量在6％- 18％的范圍內變化時，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，都得不到經濟的加固效果。
    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，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，測得其軸向膨脹應力最高可達11.6MPa，隨著周圍約束的放松，軸向膨脹應力急劇減少，膨脹力所做的功已轉化為周圍土的變形位能而趨于平衡?？傊?，對于一般的地基（特別是軟土），當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范圍內傳布，這就是石灰攪拌樁直徑增大的原因。
    5、石灰攪拌樁的強度取決于軟粘土的含水量
    石灰攪拌樁的強度能否形成和強度高低，與軟粘土的含水量有關。生石灰轉變?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變成三相狀態(tài)，軟土中的空氣才能為碳酸化反應提供足夠的二氧化碳，從而形成使灰土反應生成有一定強度的膠結物質條件，形成較高的強度。由于石灰攪拌樁中的水分在強度形成中得到消耗，灰土含水量就會大幅度減少，甚至由流動狀態(tài)轉變?yōu)橛菜苣酥翀杂矤顟B(tài)，從而大大提高石灰土的強度。
    6、石灰攪拌樁適宜的土質條件
    石灰攪拌樁是靠石灰與土之間發(fā)生一系列物理化學反應而形成強度的，不同的土質會產生不同的加固效果，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，并且粘土較小的滲透系數?？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，而從結構、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，例如對于淤泥質粘土土樣用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)生化學反應，不能大量生成碳酸鈣等膠結物質，致使石灰攪拌樁強度較低，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。