生石灰桩地基加固研究

前言

生石灰桩膨胀法是在湿陷性黄土地区广泛采用的地基处理方法之一，这是利用生石灰吸收桩周土中的水分发生消化反应，使得桩身体积膨胀，挤密桩间土，从而有效地消除大厚度黄土的湿陷性。与其它处理方法相比，该方法具有不需要大量开挖和回填、所用施工机械简单、处理费用底、处理深度大（可达5～15m）等特点，这是其它处理方法（如重锤夯实法、强夯法）所难以达到的。除了消除黄土湿陷性外，生石灰桩与被挤密的桩间土一起构成复合地基，提高了地基强度，减小了地基变形，改善了湿陷性黄土地基的工程特性。

1.生石灰桩加固地基的基本原理

生石灰桩是用人工或机械的方法在土体中成孔，然后灌入生石灰块混合填料，经夯实后形成的一根桩体。其加固机理可概括为：

（1） 桩挤密作用

生石灰桩的成孔工艺有排土和不排土两种成孔工艺。在非饱和粘性土和其他渗透性较大的地基中采用不排土成孔工艺施工时，由于在成孔的过程中，桩管将桩孔处的土体挤进桩周土层，使桩周土层孔隙减小，密实度增大，压缩性降低，承载力提高。土的挤密效果与土的性质、上覆压力和地下水位状况等密切相关。一般而言，地基土的渗透系数越大，挤密的效果就越明显，地下水位以上土体比地下水位以下土体的挤密效果明显。

（2） 桩间土的脱水挤密作用

① 吸水作用

对于渗透系数小于桩体材料渗透系数的土体，由于桩周边土中被生石灰吸收的水分得不到迅速补充，再加上消化反应释放热量的蒸发作用，在桩周约0.3倍桩径的范围内出现脱水现象。在脱水区内，土体的含水量下降，孔隙比减小，土颗粒密实度增大。生石灰的吸水量随着桩周土围压的增大而降低。实际工程中，生石灰的桩长大都不长（一般在8m左右），土体对桩体的围压大致在50～100kpa。在50kpa的压力下，1生石灰可吸水0.8～0.9，其中约0.25为生石灰熟化吸水，其余为熟石灰熟化后继续吸水。若采用10%的置换率进行加固，桩间土的平均失水量为8%～9%；在桩体置换率为9%、桩间距为3d的软基上实测的失水量约5%。而5%～9%含水量的降低值，可使土的承载力增长15%～20%。

② 胀发挤密作用

生石灰吸水消化后，桩体体积发生膨胀。生石灰体积膨胀的主要原因是固体崩解，孔隙体积增大，颗粒比表面积增大，表面附着物增多，固相颗粒体积也得到增大。大量室内实验表明，在50～100kpa的围压下，生石灰消化后桩体体积的胀发量为1.2～1.5倍，相当于桩径胀发量1.1～1.2倍。在渗透系数大于桩体材料渗透系数的土层中，土层因生石灰桩涨发挤压所产生的超孔隙水压力能迅速消散，桩周土得以迅速固结。在渗透系数小于桩体材料渗透系数的土层中，由于生石灰的吸水蒸发，在桩周边形成脱水区，脱水区内含水量下降，饱和度减小。随着桩体的吸水胀发，桩周土层得以挤密压实。

③ 升温加热作用

伴随着生石灰的消化反应，反应释放出大量的热量，使桩周土的温度升高200～600℃，桩周土中水分产生一定程度的汽化。由于汽化反应释放出了大量的热能，从而大大促进了土层中的胶凝反应的进行。

（3） 碳化作用

生石灰与土中的二氧化碳气体反应，可生成不溶的碳酸钙。这一反应虽不如凝硬反应明显，但碳酸钙的生成也起到了使桩身硬壳形成的作用。

2.生石灰桩周围土体挤压密实度的确定

生石灰桩周围土体在桩膨胀后的孔隙比变化应符合以下函数规律。

e=e(x,y,z)

式中，当x=0时，e=emin，emin为土体最小孔隙比；当x= l0/2时，e=e0， e0 为原地基土体的孔隙比，l0为膨胀挤压影响范围。如假定原基础下土体孔隙比相等，膨胀挤压完成后孔隙比在单位长度范围内沿x方向呈二次抛物线分布，则孔隙率的分布方程为：

e=e(x,y,z)=4(e0-emin)l02 x+emin

3.单位面积内所需生石灰桩的横截面积

设v0,v1分别为处理前后土的体积；Vv0,Vv1和e0, emin分别为处理前后土的孔隙体积及孔隙比；Vs为固体颗粒体积，处理前后不变；Vp为桩膨胀后占有的体积；A为生石灰桩复合地基的加固面积；h为处理深度（桩的长度）；ξ为生石灰桩的面积和加固面积之比。

V0=Vs+VV0=Vs(1+e0)(1)

V1=Vs+VV1=Vs(1+emin) (2)

V0- V1=e0-emin1+e0•V0(3)

ξ= e0-emin1+e0(4)

公式（4）中，e0可测得，emin可根据设计要求取值，这样可以求出ξ，从而可以计算出单位面积内所需生石灰桩的横截面积。

4.加固面积内生石灰桩的桩数确定

根据已知的生石灰桩膨胀后的桩径和上式所求的ξ值，便可以算出桩数。

ξA=N•πd12/4

N=4ξA/(πd12)

式中：N为桩数。

结语

本文针对生石灰桩吸收周土体中水分发生消化反应，使得桩身体积膨胀，挤密桩间土，从而有效地消除大厚度黄土的湿陷性的特性，提出了利用混合膨胀材料加固地基的方法，通过孔隙挤密原理推导了该方法的计算公式，并应用于实际工程中，成功地消除了黄土的湿陷性，通过理论研究和工程实践可以得出以下结论。

（1） 经过大量的工程实践，采用生石灰膨胀材料加固湿陷性黄土地基，加固效果良好，说明在湿陷性黄土地区采用生石灰桩这种膨胀材料加固地基是可行的。

（2） 推导的计算公式对湿陷性黄土地基的加固具有借鉴意义，计算结果准确可靠，施工中仅需根据工程实际情况进行适当调整即可。

（3） 生石灰桩膨胀法加固湿陷性黄土地基有其适用范围，对于不适宜的情况建议采用其他处理方法。

参考文献

［1］ 陈希浩、崔京浩.建筑工程事故处理与预防.中国建材工业出版社，1995

［2］ 朱彦鹏、王秀丽等.湿陷性黄土地区倾斜建筑物的膨胀法纠偏加固理论分析与实践.岩石力学与工程学报，2005

【文章编号】1006-2688（2011）04-0037-02

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