钢渣桩在软土路基处理中的应用

一、概述

在路基施工中，经常遇到荷塘、池塘、稻田常年积水的浅水区域形成的软土路基地段，给工程设计、施工等带来了不少困扰。为有效解决软土路基因素造成的路基质量问题，经过大量的工程实践，目前已经积累了不少富有成效的软基处理经验，其中，钢渣桩作为一种环保、经济、安全及实用的处理方法得到了较为广泛的应用。本文主要对钢渣桩的加固软土机理、工程特征、设计计算及应用进行简单的论述。

二、钢渣桩加固软土机理

钢渣桩加固地基是利用制桩过程中对桩周土的振密、挤压和桩体材料的吸水、膨胀以及与桩周土的离子交换、硬凝反应等作用,改善桩周土的物理力学性质,并与桩周土一起共同构成复合地基。

(一) 钢渣材料的水化反应

钢渣内的 CaO 吸收一定水份，与水发生化学反应生成Ca(OH)2，并与其中的铁、铝等氧化物发生化学反应生成强度很高的水化物，从而使土体硬化，形成强度较高的板体，其变形模量远大于原地基土，从而大大提高地基强度。

(二) 柱桩作用

在钢渣桩刚打入土中,水化反应尚未进行时,因为钢渣的透水系数较大,就类似于碎石桩的作用。在施工过程中,因为机械的振动、挤压的作用,软土地基中产生了超静水压力,水就会通过钢渣桩排出,从而缩短了孔隙水的渗透渗出路径,加快了软土的固结速度。

(三) 成孔挤密作用

钢渣桩施工时由于钢管在振动下沉过程中产生排土作用，使桩周土得到挤密，孔隙减小，密实度增大，桩周围的土体受到脱水、挤密，并发生固结作用。

(四) 置换作用

因为钢渣取代了相同体积的原状软土,桩同承受上部荷载时,就会泛起应力向钢渣桩集中现象,使得桩体附近土体承受应力减小,从而加固土体的沉降也就相应地减小。

(五) 加筋作用

因钢渣的抗剪强度高,从而进提高了复合地基的抗剪强度,钢渣桩起到了加筋作用，可有效地防止地基产生滑移破坏，提高了地基的稳定性。

(六) 排水作用

钢渣的渗透系数约为10－3－10－4cm/s,与细砂相当，比软土的渗透系数大数百倍。在软土层中设置钢渣桩，可以缩短软土中超孔隙水的水平渗透途径，加速了软土沉降固结，使固结速度加快。

(七) 垫层作用

钢渣桩复合地基可以被认为是将垫层加厚，即钢渣桩与周围土体一起组成一个刚度较大的人工垫层，使上部荷载引起的土体应力均匀地向四周及深部扩散。

三、钢渣桩的工程特性

钢渣的化学成份主要为：CaO、Fe2O、SO2、MgO、AL:O3和游离化钙ƒ.CaO等。其化学成分随矿石原料、炼钢钢种和钢渣堆放时间长短不同而稍有变化。对钢渣稳定性及安定性影响的主要因素是ƒ.CaO和MgO的含量，武钢三炼钢钢渣经过热渣新工艺处理及破碎磁选并经1年以上露天堆放后，MgO含量相对较低，ƒ.CaO的含量则明显减少，约在2.2%以下，侵水膨胀率在0.05%以内，膨胀粉化现象基本完成。

颗粒级配良好的钢渣，属易压实性填筑材料，在一定的压实功作用下，能使颗粒嵌挤密实，容易使压实达到设计要求。钢渣的松散密度为2.0~2.4t/m³，稍密实的钢渣约为2.4~2.8t/m³,重型压实后钢渣的密度可达3.2t/m³左右，是普通石料密度的1.2~1.4倍。钢渣压碎值变化范围为6%~12%，可见其强度高，坚固性好，弹性模量高。钢渣系数为0.84，相当于3级石料标准。钢渣的磨耗率为11%~15%，耐磨性能较好。

钢渣混合料在压实后会自行变硬，板结成一整体，其强度和整体性高于碎石灰土或二灰碎石，钢渣混合料7d龄期的无侧限抗压强度约为0.15~0.30MPa，而90d龄期的无侧限抗压强度约为0.6~1.1MPa，钢渣在渗入4%普通硅酸盐水泥后，7d龄期抗压强度可达到0.5MPa，3个月后的抗压强度可达到2.8MPa，钢渣填筑料的地基在压实后做荷载板试验，测得地基极限承载力为400~500KPa：变形模量为40~60MPa：钢渣填筑料压实后的抗剪强度粘聚力指标可达8~80KPa：内摩擦角可达32~38度。

四、钢渣桩的设计计算要求

用于钢渣桩的钢渣混合料，一般应采用陈放期1年以上的陈渣，游离氧化钙含量不宜大于3%，钢渣的最大粒径宜小于50mm，且要有一定的级配：施工时应控制的最大干密度范围为2.1~2.4g/cm³，最佳含水量范围为7.0%~13.5%。

钢渣桩的设计计算要求如下：

1、采用现场载荷试验确定单桩及复合地基极限承载力。根据复合地基极限承载力、单桩极限承载力、桩间土极限承载力、桩间土极限承载力折减系数和桩的截面积等，反算出钢渣桩对土的置换率。与砂井排水固结法相似，设计时还应考虑桩距和桩的布置方式。当等边三角形排列时，η=0.907（D/B)²，D，B分别为桩的直径和桩间距（m)；正方形排列时，η=0.785（D/B)²。桩的直径及设置深度、间距应经稳定、沉降验算后确定，相邻桩的净距不应大于4倍桩径。当路基下有暗沟、空洞以及上部有比较的集中荷载时，可视具体的情况疏密相距布置。

2、由置换率η桩间土压缩模量E.和桩体压缩模量Ep，设计复合地基的压缩模量。

Ep=ηEp+(1.η)E.

3、复合地基沉降的计算首先是确定地基的压缩模量，按复合压缩模量法计算加固区复合地基的沉降量S2，并使地基最终沉降量小于设计容许的沉降量和满足工后沉降要求。

4、软土路基路堤的稳定验算一般采用瑞典圆弧滑动法或简化Bishop法。复合地基内滑动面上的抗剪强度采用复合地基抗剪强度公式Tp.=ηtp+(1.η)t，式中，t为桩的抗剪强度，以30d龄期的强度为标准强度；tp为地基土的抗剪强度。

5、根据置换率n与钢渣桩深度H，计算出钢渣总投料量W，把总投料量除以桩总根数得出每根桩的投料量。

钢渣桩管径在30cm时，成桩的平均直径可能达到45~60cm；桩径的确定要根据具体地质条件进行考虑，一般情况采用管径30~35cm，桩长一般在6~15m，主要应根据软土层得厚度具体考虑。当软土层较厚时，为了减少沉降量应增加桩长。钢渣桩的主要受力范围在间距桩顶6~10倍的成桩直径，设计桩长时应满足桩尖处的附加应力不大于地基极限承载力。

五、钢渣桩的应用实例

某高速公路试验路段的路面宽26m，路堤坡率1：:15，平均路堤填筑高度4-5m，该路段地质条件如下：1层填杂土，平均层厚0.4m;11层黄色粉质粘土，可塑状态，平均厚度21m，容重181KM/m³，天然含水量42.2%，空隙比1.04，饱和度96%，桩周土承载力特征值F=62Kpa，侧摩阻力特征值q=8kpa压缩系数a1.2=0.45Mpa：3层灰色淤泥质粘土，软塑状态，层厚61m，容重16.8KM/m³，天然含水量49.3%空隙比1.43，饱和度94%，桩周土承载力特征值fa=60Kpa，侧摩阻力特征值q2=8kpa，桩端端阻力特征值q=90kpa，压缩系数a1.2=0.68Mpa，桩（）粉质粘土，可塑状态，层厚9.0m，容重17.6KM/m³，天然含水量31%，空隙比0.88%，饱和度83%，地基土承载力特征值Fa=96kpa，压缩系数a1.2=0.40Mpa；V层粉质粘土，硬塑状态，未穿透，该工程若采用排水固结法需要较长的时间，工期不能满足；若采用钢筋混凝土桩加固，造价又太高，若采用深层搅拌站加固，费用也较高由于距工程场地不远有丰富的钢渣，决定采用钢渣桩进行加固软基；施工时采用了钢管直径275~325mm的振动打桩机，成桩后桩径D约为450mm，桩长采用9m。桩间距B为1.5m，案等边三角形布置，置换率为81.6%。

钢渣桩桩体抗压强度，龄期90D已达0.8~1.1M pa，钢渣桩加固后的地基天然含水量降低了8%~16%，天然重度提高5%~9%。无侧限抗压强度提高15%~28%，压缩横量提高25%~42%。钢渣加固区地基的压缩变形得到了明显地减小，而且由于何载应力的广散角有所增大。加固区下卧层的应力减少，地基的总沉降值得以减少。实测表明2年内钢渣桩加固断面的路基工后沉降量为46mm，要求比未加固断面减小85%左右。当填土高度达到设计标高1年后路基的沉降就趁于稳定。用钢渣桩加固地基，要比用砂井或塑料排水板加固法约缩短半年时间。

六、结论

根据前述分析,通过钢渣桩处理后的软土地基,地基承载力加强了近37%,地基的沉降量由最初的424.82mm减小到395.25mm,沉降量减少近7%,可见钢渣桩在进步地基承载力、减小软基沉降方面有一定的效果。此外,钢渣桩的原料价格低廉,大幅度降低了工程造价,同时也为废钢渣的回收利用找到了一条环境保护新的出路, 可取得较明显的经济、社会和环境三大效益，是一种极有发展潜力的地基处理新技术。