（河南省地球物理工程勘察院 河南 新乡453000）

(摘要)本文介绍深层搅拌石灰桩加固软弱地基的原理和设计方法，该方法具有设备简单、施工方便、经济效益好的特点。(Abstrct) The principle and design Of sob ground stabilization by deep agitated lime column are presented in this paper．The said method possesses the features  Of convenient in construction and better economic benefit．

关键词:深层搅拌石灰桩、复合地基。

1.前言

    搅拌（或粉喷）石灰桩加固软弱地基的方法六十年代在瑞典研究成功，七十年代投入使用，十几年来在不同领域得到了广泛应用。我国在八十年代后期也作了一些研究。软地基处理成了不少建筑单位和设计单位的棘手问题，针对这个问题.采用生石灰粉深层搅拌桩（简称石灰搅拌桩）进行软地基处理，该方法加固软弱地基具有技术简单可行，且经济合理的特点。

    该方法是通过机械搅拌，将土重塑的同时掺入适量的石灰，形成石灰桩。石灰桩的一般直径为50—60cm，其最大长度可达15m。通过专用的施工机械，用压缩空气将粉状加固料喷入地基内，并与原位土体实现强制搅拌，从而使软土层固结形成具有整体性，水稳性和一定强度的石灰土桩。

 2.生石灰对软（粘）土地基的加固原理

    石灰与软土混合后导致原位软土强度的增长，其刚度也会相应的增加从而减小沉降。石灰与粘土矿物发生作用，生成一种不溶于水的、将土颗粒结合在一起的硅酸钙胶。硅酸钙胶形成了起包裹和联结作用的一层薄膜(见图1)。由图中可以看到，只有在有足够的水使Ca²⁺离子和OH^—离子能够转移到粘土颗粒表面时，才能形成硅酸钙胶。

              图1用石灰稳定土的原理           图2  用生石灰处理不同土时，对其单轴抗压强度的影响  

    利用土颗粒、孔隙水和填加料之间的化学反应改善土的性质，石灰对软粘土的基本作用有三个方面，即：

 1．生石灰与地基软粘土通过强制搅拌均匀，很快产生水化作用，形成Ca(OH)₂在生石灰变成熟石灰的过程中，产生的热量促进水分蒸发，使软土地基的含水量降低。

 2．熟石灰中的Ca²⁺离子和OH^—离子在水的作用下与软土颗粒产生絮凝反应作用，这一反应过程使土的塑性降低。

 3．熟石灰与粘土颗粒中的活性硅铝矿物进一步缓慢地产生化学作用，这一过程中又吸收熟石灰浆中的水分，形成结晶和生成铝酸盐和水化硅酸钙,改变了粘土的结构。

    第(1)、(2)种反应主要发生在石灰与土混合后的前数小时，而第(3)种反应将持续数年。不同的地基土与石灰混合后会产生不同的效果，图2表示出不同生石灰含量对各种土的单轴抗压强度的影响。

图3表示了在不同土质中不同含水量的情况下，石灰的加固效果随时间的增长，从图中可看出含水量越低其强度就越高，淤泥和有机质土的强度较低。

   石灰桩的成桩方法是将搅拌器旋入土中达到要求的深度(即石灰桩的长度)，然后反向旋转慢慢地退出，在向上退出的过程中，用压缩空气将生石灰通过搅拌器上端的孔洞压入土中(见图4)，对于直径为50cm的石灰桩通常的石灰用量是每米14～24kg。图5是成桩过程的示意图，石灰桩的深度一般可达15m。

3  石灰搅拌桩适宜的土质范围

   用石灰加固软弱地基，不同的土质会产生不同的加固效果，其适宜的加固土粒径范围如图6中所示。石灰搅拌桩是靠石灰与土之间发生一系列物理化学反应而形成强度的，不同的土质会产生不同的加固效果。在软粘土矿物成份中，高岭土、伊利土和蒙脱土为三种主要的粘土矿物成分，而从结构、能量和成分三个方面又可以说明蒙脱土最容易与石灰发生反应，石灰搅拌桩适宜于蒙脱土类矿物含量高的粘土地基。石灰桩可用于软粘土中的挡土结构、开挖护坡、轻型结构地基等。  

          图3强度随时间和含水量的变化               图4搅拌器示意图

        图5成桩过程                       图6适宜于加固土粒径范围

   因为石灰桩的强度是随时间增长的，所以在安排石灰桩的施工时，应提前进行，即在石灰桩完工后3～6个月再加荷，有利于其强度的发挥。图7为不同时间的抗剪强度增长比较，随着时间的推移其强度增长较大，同时含水量也对强度产生影响。

  用生石灰搅拌后形成的石灰桩，其渗透性增大，它的作用如垂直排水井一样有助于土的固结。如果不是喷入生石灰，而是将石灰在地面上用水搅拌后，再将此悬浮液注入土中，此时部分孔隙已被Ca(OH)₂。填充，孔隙率大大减小，其渗透性也会减小。

  图8表示了软粘土地基经生石灰搅拌后渗透性的增长情况。

图7强度的变化情况

4 石灰桩的设计

    要设计石灰桩必须进行现场勘察和室内试验，在室内试验时必须要有充足的时间保证其强度的增长，在现场试验时也要考虑充足的时间，保证加固地基的硬化，从而得到有效的强度增长值。

    现场勘察需要查明表土层的特性，查明土层的厚度和抗剪强度，地下水埋藏条件。粘土层需要取不扰动土样以确定其物理特性指标。

    试验室试验应作土的分类、密度、含水量、抗剪强度、灵敏度、液限试验。如果设计的石灰桩需要作沉降控制，则还应测定压缩模量和超固结压力。

  石灰桩设计的几个基本指标如下：

4．1  降低含水量、减小孔隙比

   在软弱地基中形成石灰桩后，桩周土将自桩壁由近及远顺次迅速脱水。其脱水量可由下式计算：

Δω＝ω_O—ωˊ   (1)

  式中  ω_O一—原地基的含水量(%)，

            ωˊ——加固后地基的平均含水量

    孔隙比的降低值由下式计算：

Δe＝eo一eˊ＝Gs·(Δω／100)　　　⑵

   式中  eo——原地基的孔隙比；  eˊ——加固后地基的孔隙比；

             Δω——由式(1)求出的含水量降低值； Gs——土颗粒比重。

4．2  增加粘聚力

    加固地基的粘聚力可由下式计算：

cˊ＝c_o+αΔp　　　⑶

式中cˊ——加固后地基的粘聚力(kg／cm²)； Co——原地基的粘聚力(kg／cm²)；

α——强度增加系数，α＝0.1—0.4；

Δp——有效固结压力（kg／cm²），为固结压力与固结屈服应力的差值。

4．3降低沉降量

石灰桩加固地基的容许沉降量，由下式计算：

s＝ΔH一ΔS    (4)

ΔH——加固前的最终沉降量 ； ΔS ——石灰桩产生的固结沉量由式（5）计算。

垂直方向的固结沉降量ΔS 由下式计算

ΔS=(Δe/1+ eo)H_C     ⑸

     Δe——由式(2)计算 ； eo——初始孔隙比 ；  Hc——石灰桩的加固厚度。

4．4复合地基强度及复合地基效应

    生石灰加固地基后，石灰桩与未加固部分地基土形成复合地基，复合地基的强度应综合考虑石灰桩本身的强度和桩周土粘聚力增大后的强度，而石灰桩具有较周围地基更高的抗剪强度。并且，与生石灰桩邻接的桩周土，由于拌合时产生的高温和凝硬反应形成了厚度达数厘米的高强度硬壳。复合地基强度τ由下式计算：

τˊ＝(1一αˊ_s)cˊ+αˊ_sτp    (6)

式中cˊ——加固后地基土的粘聚力，由式(3)计

      τp——石灰桩的抗剪强度，(τp＝1.0～2.5kg／cm²)

                       αˊ_s——消化反应和凝硬反应结束后石灰桩加固率(面积比)，(1.5～1.8) αs

      α_s——石灰桩加固率(面积比) α_s＝(πd²/4ι²)d为桩直径，ι为桩间中心距。

                          图8  渗透性的变化                                   图9石灰桩强度检验        

  石灰桩加固后的地基，石灰桩的强度较桩间土强度大得多。

    在一些工程中，考虑到石灰桩表层吸有多余的水份，强度不能保证，因此，设计时实际桩长比计算桩长大50cm以上，使用效果良好。

  设计石灰桩时,其上的荷载一部分由石灰桩承担，另一部分由桩间未加固土承担。

  图9表示了石灰桩的检验结果，并且与未加固的粘土进行了比较，从图中可看出用石灰桩加固后强度增长很大。

5  结论

   ⑴石灰粉体喷射搅拌法处理软粘土和淤泥质粘土的效果明显，可以用于挡土结构、开挖护坡、软型结构地基中。

  ⑵用该方法处理后的地基，渗透性增大，有助于排水固结。

  ⑶经处理后的复合地基降低了含水量，增大了粘聚力，复合地基的强度得到了提高，桩土之间的应力比一般取3—5。

  ⑷用该方法处理软弱地基可以取得较好的经济效益，适用于一般公路、高等级公路、桥涵、通道的软土地基中。  

        作者：傅思峰 （1957—），男，河南省柘城县人，1978年毕业长春地质学院，工程师，

               从事物探与建筑岩土工程等工作。

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