膨脹土路基石灰樁處理方法

1、第4章 膨脹土路基石灰樁處理方法4.1 石灰樁法在軟弱地基中用機械成孔，填入固化劑的生石灰并加以壓實形成樁體，利用生石灰的吸水膨脹放熱作用和土與石灰的離子交換反應(yīng)凝硬反應(yīng)等作用，改善周圍土體的物理力學(xué)性質(zhì)，石灰樁和周圍被改良的土體一起組成復(fù)合地基，達到地基加固的目的。適用：軟弱粘性土地基。根據(jù)鉆孔柱狀圖可知，本設(shè)計需要的土層數(shù)據(jù)如下表4-1：表 4-1 土的地質(zhì)條件層數(shù)密度（g/cm3）每層的厚度（m）每層的承載力（kPa）土的性質(zhì)第1層水位上第1層水位下第2層第3層第4層第5層第6層第7層第8層1.9231.9261.9371.9251.6891.8951.9271.8872.0352.70

2、0.501.322.583.401.501.802.503.80150150100140100150130110250亞粘土亞粘土亞粘土亞粘土淤泥粘質(zhì)土亞粘土亞粘土亞粘土亞粘土注：第九層及其以下各層的數(shù)據(jù)本設(shè)計不需要4.2 設(shè)計基本要求填土高6m，頂面寬27.5m，底面寬36.5m，坡度為1：1.5，長度為30m，地基處理面積為1320m²。路基下的軟土地基采用石灰樁進行加固處理，形成復(fù)合地基，使之滿足上部路基承載力和總體沉降的要求。設(shè)計要求為：復(fù)合地基承載力特征值：>108kPa；軟弱下臥層承載力滿足要求；復(fù)合地基工后總沉降量：S<10cm16。4.3 極限高度的計算土

3、的單位體積重量即重度按下式計算：，為土的密度，為重力加速度，取9.8。計算每層土的自重q為： （41）式中，土層的厚度； 土的重度，其中，當(dāng)?shù)叵滤灰陨喜糠植捎迷瓲钔恋闹囟?第一層水位上)；地下水位以下的部分采用土的浮重度(第一層水位下及其以下所有的層)，浮重度為土的飽和重度減去水的重度。由每層土的自重即可得到每層的層底自重，進而極限高度 H 的計算公式如下： （42）式中，第i層的容許承載力； 第i1層的層底總自重； 路基填土重度，取r=18kN/m3。上述的計算數(shù)據(jù)請見表4-2。表 4-2 極限高度的計算值層數(shù)每層土的重度（kPa）每層自重應(yīng)力（kPa）每層層底的總自重（kPa）每層的容許

4、承載（kPa）每層的極限高度（m）第1層水位上第1層水位下第2層第3層第4層第5層第6層第7層第8層18.84518.87518.98318.86516.64018.57118.88518.49319.94350.884.4411.8622.8722.5812.8615.9921.2337.7850.8855.3267.1890.05112.63125.48141.47162.71200.49150.00150.00100.00140.00100.00150.00130.00110.00250.008.3335.5072.4824.0460.5532.0760.251-1.7494.8504.

5、4 加固前沉降量的計算路基填土橫斷面為頂面寬27.5m，底面寬36.5m，坡度為1：1.5，高6m的等腰梯形其形狀如圖4-1所示。圖 4-1 豎向附加應(yīng)力的計算上圖中，因A點左側(cè)的梯形荷載引起的A點正下方深度z處的邊角處的豎向附加應(yīng)力，可以用下面的奧斯塔巴古法計算： （4-3） 式中，代表影響系數(shù)； 代表弧度數(shù)，其中1與2的計算式如圖4-1所示； 單位面積作用的荷載，其中為路基填土的重度。根據(jù)各層的厚度可知圖A中z的值，進而算得1、2的值，用奧斯塔巴古法即得到了每層層底的附加應(yīng)力，其值見表4-3。表 4-3 每層層底附加應(yīng)力層數(shù)a(m)b(m)每層之上土厚度（m）每層的厚度（m）1（rad）2

6、（rad）底層附加應(yīng)力（kPa）第1層水位上第1層水位下第2層第3層第4層9999913131313132.703.204.527.1010.502.700.501.322.583.400.0830.0970.1320.1880.2341.3661.3291.2361.0710.89153.90753.84753.58852.58950.317第5層第6層第7層第8層99991313131312.0013.8016.3020.101.501.802.503.800.2460.2550.2600.2560.8250.7560.6730.57449.05347.40344.98441.282目前在

7、沉降計算方法中應(yīng)用最廣泛的是分層總和法，分層總和法是假定地基土為直線變形體，在外荷載作用下的變形只發(fā)生在有限厚度的范圍內(nèi)，將壓縮層厚度內(nèi)的地基土分層，分別求出各分層的應(yīng)力，然后用土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式求出各分層的變形量，加起來即為地基的沉降量首先，計算各土層中的平均自重應(yīng)力Pi1，平均自重應(yīng)力與附加應(yīng)力的和Pi2，根據(jù)壓縮曲線即可算出對應(yīng)的孔隙比ei1、ei2。由此求得該分層的壓縮變形量Si為： （44）將計算范圍內(nèi)各分層的壓縮變形量Si疊加起來，即得地基的最終沉降時S為： （45）式中，n計算沉降范圍內(nèi)的分層總數(shù)； 每層的厚度。表中、分別為壓力為 0kPa、50Pa、100kPa、200kPa

8、時所對應(yīng)的土的孔隙比。假設(shè)在壓力從 0kPa 到 50kPa 之間時壓縮曲線近于直線，由應(yīng)力即可得到對應(yīng)的孔隙比。壓力在 50kPa 至 100kPa 之間或 100kPa 至 200kPa 之間計算方法相同計算所得的最終結(jié)果見表4-4表 4-4 沉降的計算層數(shù)平均自重（kpa）自重+附加自重（kpa）e0e50e100e200ei1ei2層沉降量（m）總沉降量（m）第1層水位上第1層水位下第2層第3層25.4553.1061.2578.6180.87881.47289.581106.7110.8240.8330.8610.9510.7830.8030.8280.8930.7590.7850.

9、8050.8520.7240.7460.7680.8010.8030.8020.8230.8700.7570.7820.7990.8360.0690.0050.0170.0470.2620.1920.1870.170第4層第5層第6層第7層第8層101.34119.05133.48152.09181.60128.669145.13158.721176.357204.3861.5580.9110.8470.8970.6641.4870.8490.7980.8550.6411.4330.8130.7720.8260.6221.3730.7660.7260.7910.6011.4320.8040.7

10、570.8080.6051.4010.7810.7340.7920.5980.0430.0190.0230.0220.0160.1240.0800.0610.0380.0164.5 石灰樁參數(shù)的確定石灰樁的設(shè)計參數(shù)主要有：樁徑、樁長、置換率、填料的選用、樁距、布樁原則、樁土應(yīng)力比、承載力及地基沉降計算。通過上述參數(shù)，可以確定樁數(shù)及平面范圍。采用石灰樁加固地基主要是形成復(fù)合地基，確定這些參數(shù)的原則是根據(jù)工程地質(zhì)條件，滿足復(fù)合地基承載力的下臥層承載力的驗算；同時，滿足地基變形、沉降和穩(wěn)定性的要求，這些參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)。石灰樁復(fù)合地基設(shè)計計算主要包括下述幾個方面：1. 樁孔直徑的選用；2. 填料的選

11、用；3. 樁長的設(shè)計；4. 樁距及樁的布置；5. 置換率的計算；6. 樁土應(yīng)力比的確定；7. 承載力驗算；8. 沉降計算。 下面分別介紹。4.5.1 樁孔直徑的選用從前述石灰樁的加固機理看，采用“細而密”的布樁方式較好，但還得顧及施工技術(shù)裝備條件，并保證樁身質(zhì)量。因此，國內(nèi)一般選用直徑為300mm500mm的樁孔。樁徑的大小還與樁長有關(guān)。為了避免過大的長細比，一般較長的樁其樁徑較大。國內(nèi)樁長一般不超過15m，樁徑通常在300350mm左右14。本設(shè)計采用直徑d=350mm的石灰樁。施工排土成孔，實際樁徑mm。此處取mm=415mm。4.5.2 填料的選用石灰樁樁身的主要材料是生石灰。應(yīng)選用新鮮

12、的生石灰，生石灰宜用鈣質(zhì)石灰(MgO含量不大于5%)，不宜選用鎂質(zhì)石灰(MgO含量大于5%)。鈣質(zhì)石灰比鎂質(zhì)石灰硬化速度快，放熱效應(yīng)高，質(zhì)量較好。要求采用新鮮良好的塊灰并需要過篩?；钚匝趸}含量不應(yīng)少于70%80%，含粉量不得超過總重量的10%。過火的或欠火的、受潮的生石灰均會影響加固效果，不宜采用。塊灰粒徑一般為3070mm，粒徑大小可以調(diào)整，并宜選用合適級配，灰中夾石量不得大于5%。石灰樁中常用的摻合料是粉煤灰或火山灰等活性材料。本文選用粉煤灰與生石灰的重量配合比一般為2：8。粉煤灰以含活性SiO2、Al2O3、Fe2O3量高者為佳，要求采用干灰，含水量應(yīng)小于5%。摻入粉煤灰可以提高樁身強

13、度，減少樁身的膨脹應(yīng)力及膨脹量。摻入量以能填充生石灰塊間的孔隙為佳。4.5.3 樁長的設(shè)計石灰樁作為一種柔性樁，其有效長度的概念比別的膠體程度更好、樁身強度更高的柔性樁更加明顯。亦即當(dāng)樁長大于其有效樁長時，再加長的樁身對提高石灰樁的承載力影響甚微。根據(jù)這一概念，石灰樁不宜過長。但從提高樁土復(fù)合承載力及減小變形的角度講，又要求樁間土有必要的處理深度，樁長的選用原則按復(fù)合墊層法確定樁長，即把石灰樁加固過的復(fù)合土層作為硬層，未加固過的下臥層作為軟層組成雙層地基，樁長應(yīng)滿足雙層地基的承載力和變形的要求。此處取樁長為10.5m。4.5.4 樁距及樁的布置樁距的確定既要滿足地基的承載力和變形的要求，又要經(jīng)

14、濟上合理，另外，樁距還依賴于所需的置換率。當(dāng)土質(zhì)較差，建筑物對復(fù)合地基承載力要求較高時，樁距應(yīng)小些。但過分小的樁距或過分大的置換率不一定是好的處理方法，可能會造成地面較大的隆起并破壞土的結(jié)構(gòu)，尤其是對結(jié)構(gòu)破壞后不易恢復(fù)的土類更應(yīng)注意。樁距應(yīng)該通過試樁確定，大多數(shù)工程中，通常樁距可取(2.53.5)，相應(yīng)的置換率為0.090.2，膨脹后實際置換率為0.130.28。本設(shè)計取樁距是樁徑的3倍。d樁的布置一般可分為正方形，正三角形兩種形式，本設(shè)計為正方形布樁。4.5.5 置換率的計算復(fù)合地基的面積置換率不僅影響地基處理的加固效果，還對工程造價有很大影響。置換率主要與樁距和樁徑有關(guān)，因此，計算時可先確

15、定樁的間距和直徑，然后再計算置換率。本論文即是根據(jù)工程實際，采用先假設(shè)樁徑和樁距，然后根據(jù)公式計算置換率13。置換率是一個不容易估算的參數(shù)，實際上受石灰樁質(zhì)量、摻料配合比、樁體密實程度、樁的施工質(zhì)量和樁周土質(zhì)情況等因素的影響，可按式(4-6)確定，也可按經(jīng)驗公式(4-7)進行估算。 (46)式中，實際樁徑，既石灰樁膨脹后的樁徑，+30mm=415mm(排土成孔時)。 設(shè)計樁徑，d=350mm； 布樁的行距，此處取=3d=1050mm； 布樁的列距，值同(mm)。正方形布樁時，膨脹前、后的石灰置換率m和m'也可按下式計算。膨脹前置換率m： (47)膨脹后置換率： (48)式中，a石灰樁樁

16、距與樁徑之比； 石灰樁的膨脹率。本設(shè)計采用式(4-5)的計算置換率的方法，因為它比(4-6)考慮的因素多，計算結(jié)果要精確。代入數(shù)據(jù)可由(4-5)式可得m'=0.1226。4.5.6 樁土應(yīng)力比的確定樁土應(yīng)力比n表示表示后樁土之間的荷載分擔(dān)作用實際上反應(yīng)樁土相對剛度的影響。因此，當(dāng)樁間土相同時，石灰樁樁身質(zhì)量越大，n越大。而對相同的石灰樁，樁間土越軟弱，n就越大，對同一石灰樁復(fù)合地基，n隨荷載的大小而有所變化。其一般規(guī)律是：因為樁身剛度大，最初荷載總是向樁身集中，n隨荷載的增大而增大；當(dāng)石灰樁分擔(dān)的荷載使其產(chǎn)生較大的刺入式沉降時，樁間土便發(fā)揮較大的作用，這時n隨之下降。對擠密石灰樁處理飽

17、和軟土?xí)r，n取值為37。本設(shè)計n值取為4。4.6 設(shè)計計算4.6.1 復(fù)合地基承載力驗算石灰樁復(fù)合地基承載力來源于以下三個方面：(1) 膨脹后的樁身強度；(2) 加固后的樁間土；(3) 樁周形成的1cm至數(shù)厘米的硬土殼。石灰樁復(fù)合地基承載力按復(fù)合地基承載力計算公式確定14。單樁豎向承載力特征值計算單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場荷載試驗確定，也可通過計算確定。石灰樁的破壞是以碎裂和刺入破壞為主要破壞形式，因而其單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)分別按樁體材料強度和土對樁的支承力計算，并取其中較小值13，即： (49) (410)式中，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值，在和中取小值(kN)； 與樁身加固體配比相同的室內(nèi)石灰試塊的

18、無側(cè)限抗壓強度平均值，此處取=1000kPa； 樁身強度折減系數(shù)，取0.350.50，此處取0.44； 樁的平均周長，； 樁身的平均截面積，； 每層的樁長(m)； 樁端天然地基土的承載力特征值(kPa)； 樁周土的加權(quán)平均摩擦阻力特征值，對淤泥可取47kPa；對軟塑狀態(tài)的粘性土可取1015kPa；對可塑狀態(tài)的粘性土可取1218kPa，本設(shè)計中取用的值如表4-5所示； 樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取=1。由(4-8)式可得石灰樁單樁承載力。由(4-9)式可得石灰樁單樁承載力，每一層的計算數(shù)值見表4-5。本設(shè)計取表 4-5 單樁承載力計算層數(shù)（kpa）樁長（m）(kpa)(kN)(kN)(kN

19、)(kN)第1層水位上102.7015035.2135.2120.3055.50第1層水位下第2層第3層第4層第5層第6層第7層第8層108108121010163.204.527.1010.5012.0013.8016.3020.101501001401001501301102506.5213.7733.6435.4723.4723.4732.6079.2841.7355.5089.14124.61148.08171.55204.15283.4420.3013.5318.9413.5320.3017.5914.8833.8362.0269.03108.08138.14168.38189.14

20、219.04317.26加固后樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值將硬殼強度與加固土的強度加權(quán)平均后，視為加固區(qū)土的強度。本設(shè)計只考慮樁身四周的早期強度，后期強度作為安全儲備。是加固后樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值。大量的試驗結(jié)果表明，石灰樁排土成孔時，樁周10cm樁邊土上具有明顯的改良效果。經(jīng)測試可知，樁邊土的強度約為天然地基的1.11.8倍，平均1.4倍。使用時按1.31.6考慮。此系數(shù)稱為樁邊土加強系數(shù)。在正常情況下，樁邊土以外的樁間土加固效果不明顯15。根據(jù)上述分析，計算樁間土的承載力時，擬將樁間土分為樁邊土(加強區(qū))及樁和樁邊土以外的部分(正常區(qū))。加強區(qū)范圍為樁外0.25厚的圓環(huán)，其面積為： (411)正常

21、區(qū)面積為： (412)因此，樁間土承載力為： (413)式中，加強系數(shù)，=1.31.6，此處取=1.5； 成樁擠密系數(shù)，排水成孔時=1； 天然地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)； 石灰樁體的面積(m2)； A處理范圍內(nèi)的樁土總面積(m²)。其它符號含義同前。代入數(shù)據(jù)可得=0.1722m²，=0.7951m²，=1.089=1.089由此可得到加樁的各層樁間土承載力的值如表4-6所示。表 4-6 樁間土承載力(kPa)第1層水位上第1層水位下第2層第3層第4層163.35163.35108.90152.46108.90石灰樁復(fù)合地基承載力計算石灰樁復(fù)合地基承載力可按下式計

22、算： (414)或 (415)式中，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)； 石灰樁體單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，由前幾節(jié)的結(jié)果可知； 處理后樁間土承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)； n樁土應(yīng)力比，取n=4； 石灰樁吸水膨脹后的面積置換率，=0.1226。上式估算復(fù)合地基承載力的關(guān)鍵是要較準(zhǔn)確的確定出、n、等參數(shù)，最好是通過試驗確定。由于無試驗測得的數(shù)據(jù)，可按前幾節(jié)所算得的結(jié)果進行計算，其中=0.1226，n=4，取處理后樁間土承載力最小的值=108.9kPa，由式(4-14)可得復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值=0.1226×439.87+(1-0.1226)×108.9 kPa,由此可知復(fù)合地基承載

23、力標(biāo)準(zhǔn)值>108kPa，滿足復(fù)合地基承載力要求。4.6.2 下臥層承載力驗算將復(fù)合地基視為雙層地基，通過一個應(yīng)力擴散角簡單的求得未加固區(qū)頂面附加壓應(yīng)力的數(shù)值，石灰樁復(fù)合地基下面存在未處理的軟弱下臥層時，應(yīng)驗算軟弱下臥層承載力。軟弱下臥層的強度驗算應(yīng)按下式應(yīng)力擴散角法進行計算： (416)式中，軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力值(kPa)； 軟弱下臥層頂面處土的自重壓應(yīng)力值(kPa)； 軟弱下臥層頂面處經(jīng)修正后地基承載力特征值(kPa)，此處取層底自重應(yīng)力與該層的極限承載力之和。用式(4-3)計算，用式(4-1)計算，它們所得的結(jié)果如表4-7。表 4-7 下臥層承載力驗算層數(shù)567826.19625.44324.41423.061112.63125.48141.47162.71138.83150.92165.88185.77262.63255.48251.47412.71 由表可知：，下臥層