第10章石灰樁法(LimePile)

第10章石灰樁法（LimePile）用機(jī)械或人工的方法成孔，然后將不同比例的生石灰（塊或粉）和摻合料（粉煤灰、爐渣等）灌入，并進(jìn)行振密或夯實(shí)形成石灰樁樁體，樁體與樁間土形成石灰樁復(fù)合地基，以提高地基承載力，減小沉降，稱為石灰樁法。

10.1概述利用洛陽(yáng)鏟成孔用推土鐵釬將洛陽(yáng)鏟帶出的土刮除石灰樁施工石灰樁孔徑300mm，樁間距800mm洛陽(yáng)鏟夯填石灰樁夯錘（夯板）生石灰塊粉煤灰拌合量孔器（測(cè)量孔徑及孔深）適用范圍：石灰樁法適用于處理飽和粘性土、淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土和雜填土以及透水小的粉土等地基；用于地下水位以上的土層時(shí)，宜增加摻合料的含水量并減少生石灰用量，或采取土層浸水等措施。石灰樁處理的重點(diǎn)土質(zhì)是軟土地基。10.2加固原理

一、物理加固作用

1.擠密作用（1）成樁中擠密樁間土（2）生石灰吸水膨脹擠密樁間土

2.樁和地基土的高溫效應(yīng)

3.置換作用

4.排水固結(jié)作用

5.加固層的減載作用

1.擠密作用

（1）成樁擠密作用石灰樁施工時(shí)是由振動(dòng)鋼管下沉成孔，使樁間土產(chǎn)生擠壓和排土作用，其擠密效果與土質(zhì)、上覆壓力及地下水狀況等有密切關(guān)聯(lián)。一般地基土的滲透性愈大，打樁擠密效果越好；地下水位以上比地下水位以下擠密效果好。

（2）膨脹擠密作用石灰樁在成孔后貫入生石灰便吸水膨脹，使樁間土收到強(qiáng)大的擠壓力，這對(duì)地下水位以下軟粘土的擠密起主導(dǎo)作用。測(cè)試結(jié)果表明：根據(jù)生石灰質(zhì)量高低，在自然狀態(tài)下熟化后其體積可增加1.5～3.5倍，即體膨脹系數(shù)為1.5～3.5。

2.樁和樁間土的高溫效應(yīng)軟粘土的含水量一般為40％～80％，1Kg生石灰的消化反應(yīng)要吸收0.32Kg的水，同時(shí)在理論上將放出278千卡的熱量。在我國(guó)，加摻和料的石灰樁，樁內(nèi)溫度最高達(dá)200～300℃。樁間土的溫度升高滯后于樁體，在正常情況下，樁間土的溫度最高可達(dá)40～50℃，使土產(chǎn)生一定的汽化脫水，從而使土體含水量下降，孔隙比減小，土體顆?？繑n擠密，加固區(qū)的地下水位也有一定的下降。

3.置換作用石灰樁樁體具有比樁間土更大的強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度約0.5～1MPa），分擔(dān)了35%~60%的總荷載，因此形成復(fù)合地基。

4.排水固結(jié)作用石灰樁樁體的滲透系數(shù)一般為10-5～10-3cm/s，相當(dāng)于細(xì)砂和粉細(xì)砂。且樁間距較小（2～3倍樁徑），水平排水路徑很短，具有較好的排水固結(jié)作用。已有建筑物沉降觀測(cè)表明，建筑物竣工開(kāi)始使用時(shí)，其沉降已基本穩(wěn)定。

5.加固層的減載作用生石灰塊的重度約為8~10kN/m3，樁身飽和后重度為13kN/m3。因此即使樁體飽和后，其密度也小于土的天然密度。當(dāng)采用排土成樁時(shí)，加固層的自重減小，作用在下臥層的自重應(yīng)力顯著減小，即減小了下臥層頂面的附加應(yīng)力。采用不排土成樁時(shí)，對(duì)于雜填土和砂類土等，由于成孔擠密了樁間土，加固層的重量變化不大。對(duì)于飽和粘性土，成孔時(shí)土體將隆起或側(cè)向擠出，加固層的減載作用仍可考慮。

二、石灰樁的化學(xué)加固作用1.樁體材料的膠凝反應(yīng)生石灰與活性摻合料反應(yīng)生成的硅酸鈣及鋁酸鈣水化物鹽不溶于水，在含水量很高的土中可以硬化。2.石灰與樁周土的化學(xué)反應(yīng)

（1）離子化反應(yīng)：生石灰熟化生成的Ca（OH）2，仍保持很高的吸水能力，它將繼續(xù)吸取周圍土中的水分。

（2）離子交換：Ca（OH）2離子化產(chǎn)生的鈣離子和粘土顆粒表面的陽(yáng)離子進(jìn)行交換并吸附在顆粒表面，改變了粘土顆粒帶電狀態(tài)，使表面弱結(jié)合水膜減薄，土粒凝聚，團(tuán)粒增大，塑性減小，抗剪強(qiáng)度增大，（3）絮凝反應(yīng)：熟石灰的Ca2+離子在水的作用下與軟土顆粒產(chǎn)生絮凝反應(yīng)，使土體產(chǎn)生鈣化和膠凝作用,在石灰樁體與四周土體接觸處形成2～10cm厚的硬殼層。這一反應(yīng)過(guò)程使軟土顆粒結(jié)合水膜厚度減簿，土的塑性降低，土粒間的粘結(jié)力增加，土體強(qiáng)度和水穩(wěn)定性提高。（4）碳酸化反應(yīng)：Ca（OH）2與空氣中的CO2反應(yīng)后生成CaCO3結(jié)晶又與Ca（OH）2結(jié)晶相結(jié)合，構(gòu)成CaCO3·Ca（OH）2合成結(jié)晶，這種碳化作用，也使樁周土形成強(qiáng)度較高的硬殼層。碳酸化的反應(yīng)很緩慢，只能作為長(zhǎng)期的強(qiáng)度儲(chǔ)備來(lái)考慮。石灰樁適宜土質(zhì)：

石灰樁是靠石灰與土之間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)而形成強(qiáng)度的，不同的土質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的加固效果。粘土顆粒粒徑小，表面積大，分散性大，穩(wěn)定性差，容易和石灰發(fā)生反應(yīng)，并且粘土較小的滲透系數(shù)?？墒故覕嚢铇逗拷档停允覙哆m宜處理軟粘土地基。在軟粘土礦物成份中，高嶺土、伊利土和蒙脫土為三種主要的粘土礦物成分，而從結(jié)構(gòu)、能量和成份三個(gè)方面而言，蒙脫土最容易與石灰發(fā)生反應(yīng)，因而石灰樁適宜于蒙脫土類礦物含量高的粘土地基。

砂土中幾乎不存在石灰的離子交換和凝膠反應(yīng)，且砂土具有較高的滲透性，地下水不斷補(bǔ)給使石灰樁難以獲得足夠的密實(shí)度和形成較大的強(qiáng)度。并且當(dāng)軟土地基中夾有透水砂層或粉土層時(shí)，由于石灰吸水膨脹比軟土的固結(jié)快，樁體積的增加將使地基土隆起而不是軟土含水量的減小，這種情況下也不宜用石灰樁。石灰樁的強(qiáng)度取決于軟粘土的含水量

石灰樁的強(qiáng)度能否形成和強(qiáng)度高低，與軟粘土的含水量有關(guān)。生石灰轉(zhuǎn)變?yōu)槭焓乙约袄^續(xù)水化，都要吸收和蒸發(fā)軟粘土中的水份。因此，必須要有足夠的水供石灰水化，否則無(wú)法形成強(qiáng)度。另一方面水又不能過(guò)多，以使處于飽和狀態(tài)的軟粘土能夠因脫水而轉(zhuǎn)變成三相狀態(tài)，軟土中的空氣才能為碳酸化反應(yīng)提供足夠的二氧化碳，從而形成使灰土反應(yīng)生成有一定強(qiáng)度的膠結(jié)物質(zhì)條件，形成較高的強(qiáng)度。由于石灰樁中的水分在強(qiáng)度形成中得到消耗，灰土含水量就會(huì)大幅度減少，甚至由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛菜苣酥翀?jiān)硬狀態(tài)，從而大大提高石灰土的強(qiáng)度。10.3設(shè)計(jì)計(jì)算一、設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)要點(diǎn)

1.樁徑從石灰樁的加固機(jī)理看，采用“細(xì)而密”的布樁方案較好，但需顧及施工技術(shù)裝備條件，同時(shí)保證樁身質(zhì)量。國(guó)內(nèi)常用樁徑一般為300～400mm，當(dāng)排土成孔時(shí)，實(shí)際樁徑取1.1～1.2倍設(shè)計(jì)直徑。

2.樁長(zhǎng)洛陽(yáng)鏟成孔不宜超過(guò)6m，機(jī)械成孔管外投料時(shí)，不宜超過(guò)8m。

石灰樁作為一種柔性樁，其有效長(zhǎng)度的概念比其他膠結(jié)程度更好、樁身強(qiáng)度更高的柔性樁更加明顯，亦即當(dāng)樁長(zhǎng)大于其有效長(zhǎng)度時(shí)，再加長(zhǎng)的樁身對(duì)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(guò)長(zhǎng)。

3.樁距可取2～3倍成孔直徑。

4.樁體抗壓強(qiáng)度可取350～500kPa。

5.樁間土承載力與置換率、施工工藝和土質(zhì)情況有關(guān)?？扇√烊坏鼗休d力的1.05～1.20倍。土質(zhì)軟弱或置換率大時(shí)取高值。

6.復(fù)合地基承載力復(fù)合地基承載力特征值不宜超過(guò)160kPa。初步設(shè)計(jì)時(shí)可按一般散體材料樁的復(fù)合地基承載力公式估算：

7.樁土應(yīng)力比可取3～4，長(zhǎng)樁取大值。

8.布樁

可僅布置在基礎(chǔ)底面下，當(dāng)基底土的承載力特征值小于70kPa時(shí)，宜在基礎(chǔ)以外布置1～2排圍護(hù)樁。

9.墊層當(dāng)?shù)鼗枰潘ǖ罆r(shí)，可在樁頂以上設(shè)200～300mm厚的砂石墊層。石灰樁宜留500mm以上的孔口高度，并用含水量適當(dāng)?shù)恼承酝练饪冢饪诓牧蟿?wù)必夯實(shí)，封口標(biāo)高略高于原地面。石灰樁樁頂施工標(biāo)高應(yīng)高出設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高的100mm以上。

10.樁身材料配合比生石灰與摻合料的體積比可選用1：1或1：2，對(duì)淤泥、淤泥質(zhì)土、填土可適當(dāng)增加生石灰用量。但樁頂附近石灰用量不宜過(guò)大。二、石灰樁復(fù)合地基承載力計(jì)算

面積置換率m應(yīng)取膨脹后的樁面積計(jì)算，即取1.1～1.2倍成孔直徑。三、石灰樁復(fù)合地基沉降計(jì)算石灰樁復(fù)合土層的壓縮模量宜通過(guò)樁身及樁間土壓縮試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)可按下式估算：

式中Es為天然土的壓縮模量（MPa），樁間土承載力提高系數(shù)α可取1.1～1.3，成孔對(duì)樁周土擠密效應(yīng)好或置換率大時(shí)取高值。10.4施工一、施工工藝

1.管外投料法：避免堵管現(xiàn)象。

2.管內(nèi)投料法：適用于地下水位較高的軟土地區(qū)。

3.挖孔投料法：采用洛陽(yáng)鏟人工挖孔、投料夯實(shí)。在地下水位下的砂類土及塑性指數(shù)小于8的粉土中難以成孔。管外成樁工藝二、施工質(zhì)量控制

1.石灰材料應(yīng)選用新鮮生石灰塊，有效氧化鈣含量不宜低于70％，粒徑不應(yīng)大于70mm，含粉量不宜超過(guò)15％。

2.摻合料含水量宜控制在30％左右。

3.填料時(shí)必須分段壓（夯）實(shí)，人工夯實(shí)時(shí)，每段填料厚度不應(yīng)大于400mm。

4.施工順序宜由外圍或兩側(cè)向中間進(jìn)行。在軟土中宜間隔成樁。

5.樁位偏差不宜大于0.5倍樁身直徑。

1.石灰樁施工檢測(cè)宜在施工后7～10d后進(jìn)行；竣工驗(yàn)收檢測(cè)宜在施工后28d進(jìn)行。

2.施工檢測(cè)可采用靜力觸探、動(dòng)力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。檢測(cè)部位為樁中心及樁間土，每?jī)牲c(diǎn)為一組。檢測(cè)組數(shù)不少于總樁數(shù)的1％。

3.石灰樁地基竣工驗(yàn)收時(shí)，承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試