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岩土研究院

石灰桩的加固机理和适用范围

341 2022-04-11 09:42:54

石灰桩既有别于砂桩、碎石桩等散体材料桩,又与混凝土桩等刚性桩不同。其主要特点是在形成桩身强度的同时也加固了桩间土。当用于建筑物地基时。石灰桩与桩间土组成了石灰桩复合地基共同承担上部结构的荷载。在加固机理上,石灰桩与古老的石灰掺填法及现代石灰桩法有共同之处,它们都是利用石灰、水和土的基本作用,但是。在作用的贡献上却有所不同。石灰桩加固地基的机理可从以下几个方面探讨。

一、石灰桩的挤密作用

(一)成孔挤密作用

这种挤密作用主要发生在不排土成桩工艺中。通常施工石灰桩时用的是振动下沉管法,在将钢管打入土中时,向四周挤开等于自身体积的土,将桩间土挤密,作用大小与石灰桩置换率有关。同为不排土工艺,静压、振动、击人成孔和成桩夯实材料的方法不同,所形成的桩径与桩距就不同,对桩间士的挤密效果也不同。挤密效果还与土质、上覆压力及地下水状况有密切关系。一般情况下。地基土的渗透性越大。打桩挤密效果越好,地下水位以上的土比地下水位以下的土挤密效果好。但是,对于高灵敏度的饱和粘性土,尤其是淤泥,成桩时不仅不能挤密桩间土,而且还会破坏土的原有结构,强度会下降。天津室内模拟试验测试证明,对于饱和软粘土,测定石灰桩成桩后,地面隆起占灌灰量体积的 70%~90%,如果包含侧向挤出,可以说明石灰桩成桩过程中对软粘土挤密效果很小。

如上所述,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,抵消了一大部分成桩过程中的挤密效果。对于一般粘性土、粉土,可考虑1.1左右的承载力提高系数;对于杂填土和含水量适当的素填土。可根据具体情况如桩距、施工工艺(即排土还是不排土施工,若用人工挖土或钻孔的施工方法则不存在挤密作用)可考虑1.3左右的承载力提高系数;对于饱和粘性土地基或排土施工工艺则不考虑承载力提高系数。

通过山西、浙江等地(不排土成孔)与湖北(排土成孔)的试验与工程实际相比较,其结果表明;除杂填土、素填土之外,在地质条件、桩材、桩长、置换率相近的情况下,石灰桩复合地基承载力相近。由此说明,成孔成桩挤密作用影响不大,在一般粘性土中,石灰桩复合地基承载力标准值大多在 140~180kPa范围内。

综上所述,对选择石灰桩的成孔成桩工艺有一定的参考价值。

(二)吸水膨胀挤密作用

石灰桩在成孔后灌入生石灰。生石灰便吸收桩间土中的水分而发生体积膨胀。使桩间土产生强大的挤压力,这对地下水位以下软粘土的挤密起主导作用。

生石灰的主要成分是 CaO,生石灰吸水形成熟石灰 Ca(0H)2的水化消解反应。是石灰桩加固地基的基本原理,见表3~8-1。

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表中的体积比表示,CaO水化消解成Ca(0H)。时,理论上体积增大约1倍。对于石灰桩,由于吸水膨胀对桩间土的加固机理有不同的认识,从大量的原位测试及土工试验结果分析,石灰桩的膨胀量与受到的约束有关。如陈环等提出,在 50~100kPa 的压力条件下,石灰桩膨胀量约为20%~30%,相当于桩径增大10%~15%;丁国良测得当生石灰受到的压力从 50kPa增加到150kPa时。吸水膨胀量减小 40.82%。桩体的膨胀对周围土产生很大的挤压力。其大小与生石灰中有效钙的含量、桩体所受约束力的大小和方向、桩身材料的配合比、生石灰的水化速度等有关。在完全约束的条件下,生石灰的膨胀压力可高达 10MPa以上,面土中石灰桩的膨胀压力会大大减小,二灰桩的膨胀压力比纯石灰桩小。石灰桩的膨胀压力尤其对土体侧向加压。使非饱和土挤密。使饱和土排水固结。

从大量的原位测试和室内试验中也可得出以下结论,石灰桩仅对桩周边一定范围内的土体显示了加固效果,而桩周边以外桩间土,在加固前后,其力学性质无明显变化(由于成孔时挤密桩间土的情况除外)。

关于生石灰吸水膨胀的机理和规律性,国内外建材方面的许多学者曾进行过大量研究工作。认为生石灰体积膨胀的主要原因是固体崩解和孔隙体积增大,同时颗粒比表面积增大。表面附着物增多.使固相燕粒体积增大。体积膨胀与生石灰的唇细度、水灰比、熟化温度、有效钙含量及外部约束有关。生石灰越细,膨胀率越小;熟化温度高时,体胀大;水灰比不同,体胀率也不同,有效钙含量高的、外部约束小的石灰体积膨胀大。

由于 CaO 体积膨胀主要来自孔隙体积增量.因此,在无约束消解水化时。由于蒸汽的力量。孔隙变得更大。测试结果表明;根据生石灰的质量高低,在自然状态下熟化后,其体积增至原来体积的1.5~3.5倍,即体胀系数为1.5~3.5。质量好的一等钙石灰,体胀系数约能达到3~3.5倍。这些研究成果促进了对石灰机理的认识。

为了更详细探讨石灰桩吸水膨胀挤密的作用机理,有的学者利用固结仪进行了不同压力(模拟不同的约束)下。桩体材料膨胀量和吸水量的测试结果,见表3-8~2 和表3-8-3。

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由于土的不同约束以及石灰桩体材料的质量、配合比、密实度不同,石灰桩在土中的体积膨胀率也不同。一般情况下,有掺合料的桩真径增大系数为1.1~1.2,相当于体胀系数为1.2~1.4。对比表3-8-2所测数据,推论为∶桩体在软土中的约束约小于150kPa,这些测试结果均与前述的文献测试结果相近。

石灰桩在周围没有约束的条件下,桩体强度低。试验证明∶f.=50kPa的软土,在成桩过程中提供的桩周约束力已能使石灰桩具有足够的强度(无侧限抗压强度可达 300 ~350kPa。桩体强度首先来源于桩体材料的密实度,继而是桩体材料之间化学凝结反应所致。这说明,石灰桩在饱和超软粘土中应用的可能性。

研究表明。石灰外观体积增大恰恰和水化化学反应同时进行。生石灰消化完毕、体积膨胀也将立即停止。此时,桩内的 Ca(OH)2还将持续吸水。

为了研究石灰桩的体胀对桩边土以外的桩间土的挤密效果。在室内进行了膨胀与时间的关系试验及成桩过程中中孔隙水压力的测试,见图3-8-1和图3-8-2。从图3-8-1中可以看出、石灰桩内生石灰消解水化膨胀的高峰期是在成桩后 1h 左右;由图 3-8-2可以看出、在此期间内、超静孔隙水压力急剧升高。由于膨胀高峰期和超静孔隙水压力急剧升高期相重合,故降低了膨胀对桩间土的挤密作用,虽然桩内 Ca (0H),还继续吸水,超静孔隙水压力消散很快,但此时,生石灰已完成了消解水化作用,不再提供能量膨胀挤密桩间土。另外,由于生石灰膨胀使桩间土在短时间内发生隆起,挤出和部分压缩消耗了一部分能量。余下的膨胀力使桩间土总应力增加,随着孔隙水压的消散。有效应力增大,能否使桩边土以外的桩间土继续产生固结,对于一般粘性土和粉土。土工试验和静力触探的测试结果证明;在正常置换率条件下、桩间土强度有少量提高,计算中可不予考虑。

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桩体的膨胀率与生石灰用量成正比。实际工程中曾出现过膨胀力将相邻的墙基推倒、推裂的现象,都证明了石灰正常用量下的膨胀力足够大,重点是如何合理利用膨胀力。当生石灰用量过大时,多数情况下桩顶土面沿桩中心连线出现贯穿性裂缝,地面伴随隆起。有的裂缝深度超过1m、宽度可达2cm。这是由于桩体在短时间内产生强大的膨胀力,使土发生剪切破坏的缘故。这种膨胀虽然有挤密土的作用。但是,它能使土的结构发生破坏、隆起和挤出,此时桩体强度也会降低。随着时间的增加,由于自重应力和膨胀残留的有效应力增量的影响,裂缝自上而下逐渐闭合,桩间土产生固结,但是,不能大幅度提高桩间土的强度。

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合理利用膨胀土的途径∶首先。根据土质不同、深度不同采用合理的配合比;其次,尽量采用细丽密的布桩方式;第三,降低水流人桩的速度,让膨胀力缓慢发挥作用;第四,控制打桩顺序,间隔成桩。

综上所述,石灰桩对桩间土的膨胀挤密效果是有限的,大量研究成果表明,经挤密后桩间土的强度为原来强度的1.1~1.2倍,如要提高桩间土的挤密效果,除了来取办法合理利用膨胀力外,只有加大置换率。

(三)脱水挤密

石灰桩的吸水量包括两部分,一部分是 CaO消解水化所需的吸水量;另--部分是石灰桩身,主要是水化产物 Ca{OH)2的孔隙吸水量。

软粘土的含水量可高达40%~80%,从表3-8-1可以看出,1kg 的 CoO完全消解反应的理论吸水量为0.32kg,且生成 Ca(OH)2不含水,因此,继续从桩四周的土中吸收水分,贮存在桩体孔隙中。石灰桩的总吸水量与桩体受到的约束压力有关,当压力增加时。吸水量减小,其总吸水量越大,桩间土的改善就越好,但桩体强度却受到影啊。因此,要想提高软土的加固效果,应增加石灰桩的置换率。另外,由于在生石灰消解反应中放出大最的热量。提高了地基土的温度,实测桩间土的温度在 50℃以上,使土产生一定的汽化脱水,从而使土中含水量下降,这对基础开挖施工是有利的。