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岩土研究院

石灰桩及灰土桩复合地基

360 2022-04-11 09:28:05

一、概 述

石灰是古老的传统建筑材料,石灰的生产在我国至少有 4000余年的历史。目前我国石灰年产量约 4000 万吨,产地遍布全国,是价廉易得的建筑材料。

石灰作为建筑物基础垫层材料以及石灰稳定土的技术在我国历史久远,同时又是最早应用石灰桩的国家。近 40年来国内外以石灰为桩体主要材料的多种工艺应运而生,目前这种类型的桩大体有以下三种。

(一)灰土(隆)挤密桩

灰土拼密桩以消石灰和土(或粉煤灰、炉碴等)为桩体材料,成孔夯实并挤密桩周土形成复合地基。灰土桩的特点是使用消石灰,仅适用于地下水位以上的土层,具有地区性。

(二)石灰柱(深层搅拌或粉喷)—lime columns Method

60年代在瑞典首先研究成功,70年代投入使用。此技术以生石灰粉作主要加固料,通过专用的施工机械,用压缩空气将粉状加固料喷入地基内,并与原位土体实现强制搅拌。从而使软士固结形成具有整体性、水稳性和一定强度的石灰土柱。80年代后期,我国铁道部第四设计院研究成功,并开始少量应用,现以水泥作主要加固料的深层搅拌应用较多。

(三)石灰桩

石灰桩的试验研究,长期以来处于"百家争鸣"的状态。加上少数工程出现事故,石灰桩在我国的发展经历了较其它地基处理工艺更多的波折和困难,甚至连石灰桩的定名亦很混乱,诸如两灰桩、灰碴桩、生石灰挤密桩等等,有的和灰土桩相混淆。

本章所讨论的石灰桩复合地基的确切定义为∶将不同比例的生石灰(块或粉)和掺合料(粉煤灰、炉硝、矿碴、钢硝、土等常用掺合料以及少量附加剂如石膏、水泥等))用桩的形式贯人土中。通过桩体材料之间。以及这些材料与桩周土的一系列物理化学反应,使桩具有一定的强度,桩间土的力学性能得到改善,二者组成复合地基共同承受上部结构传来的荷载。

二、发展简况

(一)国内情况

50年代初期,在天津大学范恩银教授的倡导下,由当时的天津大学、天津工业建筑设计院、第一航务工程局共同开展了石灰桩加固软弱地基的研究。在室内模拟试验和原位试验的基础上,在塘沽地区软土中首次应用,应用的范围限于3层以下的民用建筑。1959年由天津工业建筑设计院编制了"石灰桩加固地基设计施工规程草案",限于当时的条件和水平,虽然草案条文比较粗糙,但却起到了承上启下的作用。

1975年铁道科学院、北京铁路局勘测设计所、西南交通大学、交通部第一公路工程局在塘沽新港低路基下进行了石灰桩、换填土、砂热层、长砂井、短密砂井的加固对比试验。在地下水位很高的条件下。试验结果是石灰桩效果最佳。在 1976年地震及长期动荷条件下,石灰桩显示出其变形小且均匀的独特优点。1980 年挖开检查,石灰桩周围的软土形成了厚约10cm 的坚硬外壳,核心仍为块状石灰,没有桩心软化现象,证实了石灰桩在地下水浸溶下的长期稳定性。

1979年江苏省建筑设计院开展了石灰桩的研究,并于1981年迅速大规模应用于工程实践。用于多层及单层工业与民用建筑,取得了良好的经济效益,有了自己一套简易的管外投料的施工方法。

尔后浙江省建筑科研所、浙江轻工业设计院、浙江工学院等有关单位在杭州地区进行了石灰桩的试验,其特点是管内投料,灌注桩机施工的纯生石灰桩。

1983年湖北省建筑科研设计院、华中理工大学共同进行了石灰桩的研究,在吸取经验的基础上,试验成功了一套用人工铲成孔的简易可行的施工方法。研究和工程实践紧密结合,在1986年省级鉴定时已在 12项工程中采用,截至目前共处理近 500栋建《构)筑物的地基,建筑面积约 160 万 m²,并且首次成功地将石灰桩用于 11层的高层建筑中。有了一套用静力触探取得设计参数和检验质量的方法。

针对石灰资源丰富、粉煤灰废料难以处理的特点,太原工业大学等单位于1985年也开始了石灰桩的研究和应用。施工工艺类似南京,采用灌注桩机施工,管外投料。少数采用套管夯实法施工。由于材料价格低廉,石灰桩在山西具有明显的竞争优势。

此外,同济大学、东南大学、南京大学、南京建工学院、河海大学、关津市建筑科研所、上海勘察设计院、浙江工学院、宁波大学等 20余个单位都进行了石灰桩的试验研究。

80年代末期,天津、湖北、浙江等省市已制定了石灰桩设计和施工的地区性规程。1987年,根据建设部"七五"计划重点科研课题计划的要求,由湖北省建筑科学研究设计院、中国建筑科学院地基基础研究所、江苏省建筑设计院共同开展了石灰桩复合地基的设计计算和成桩工艺的试验研究。通过大规模的模型试验,在国内外首次测得了石灰桩复合地基变形场以及桩体应力分布规律。据此提出了石灰桩复合地基承载力和变形的计算方法。同时对石灰桩水下硬化机理、桩边土固结机理、加固层的减载效应等重要机理作了深入的研究和全面的阐述。

截至目前为止,据不完全统计,我国约有近千栋建(构)筑物采用了石灰桩复合地基,建筑面积近300厅 m²。全国已有天津、江苏、湖北、浙江、山西、河南、山东、湖南、广东、广西、江西、福建、陕西、上海、河北、内蒙古等16个省市自治区有过应用石灰桩的工程实践。台湾省也有研究应用石灰桩处理淤泥的报道。作为一种地基处理手段,得到了广泛的重视。

(二)国外情况

60年代,正当我国中断研究工作之际,日本、美国、瑞典、苏联、法国、联邦德国、澳大利亚等国开展了石灰加固软弱地基的研究和应用,应用最广泛的是日本。

日本是石灰桩技术最为发达的国家,是从 1965年开始发展起来的,广泛应用于公路、铁路、地铁、填筑地等软弱地基加固工程。70年代随着新施工机械的发展(旋转套管式无振动无噪音的石灰桩专用机械),该法又扩大应用到城市下水道工程的地基或边坡加固,油罐以及桥台地基的加固等等。

日本的石灰桩施工机械自动化程度高,有一套标准的石灰桩施工的配套机械,桩径帖200~帆450mm,桩长可达 35m。D型桩机为双轴,可以同时施打两根石灰桩。

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