1、石灰桩 定义 指采用机械或人工方法在地基中成孔 然后灌入生石灰或按一定比例加入粉煤灰 炉渣 火山灰等掺和料及少量外加剂的生石灰混合料 并进行振密或夯实而形成的石灰桩桩体 该桩体与经过改良后的桩周土共同承担上部建筑物载荷 属复合地基中的低粘结强度的柔性桩 发展历史 我国将石灰作为建筑材料利用 始于距今五 六千年前的仰韶文化时期 西方最早的石灰窖大约建于公元前2000年 几乎所有古代文明的民族都懂得烧制石灰 用石灰加固软弱地基至少有2000年的历史 但直到上世纪中叶 不论在我国还是国外 大多属于表层或浅层处理 例如用3 7或2 8的灰土夯实作为路基和房基 或将生石灰直接投入软土层 用木夯夯实 使土
2、挤密 干燥和变硬 由此 发展到用木槌在土中冲孔 在土中投入生石灰块 经吸水膨胀形成桩体 其深度一般在300 500mm 我国与1953年开始对石灰桩进行了研究 当时天津大学与天津市等单位对生石灰的基本性质 加固机理 设计和施工等方面进行了系统的研究 由于当时的条件 施工系手工操作 桩径仅100 200mm 长度仅2m 又因为发现桩中心软弱等问题 所以工作未能继续 1975年 1980年间 北京铁路局勘测设计所 同济大学等单位进行了石灰桩与其它加固方法对比试验研究 证明了石灰桩的良好加固效果 直到1981年后 江苏省建筑设计院对东南沿海的大面积软土地基采用生石灰与粉煤灰掺和料进行加固 仅南京市采
3、用生石灰桩加固了50余幢房屋的软土地基 加固面积达3万m2 取得了较好的经济技术效果 其后浙江省建筑科学研究所与湖北省建筑科学研究院等单位相继展开了试验研究和工程实践应用 都作出了卓有成就的工作 在国外 60年代期间 德 美 英 法 原苏联 日 瑞典 澳大利亚等国纷纷开展石灰加固软基的研究和应用 现代化机械施工加大了桩长的应用 拓宽了应用领域 石灰桩法适用的范围 适用于处理饱和黏性土 淤泥 淤泥质土 素填土和杂填土等地基 用于地下水位以上的土层时 宜增加掺合料的含水量并减少生石灰用量 或采取土层浸水等措施 种类 1 块灰灌入法 亦称石灰桩法 采用钢套管成孔 在孔内灌入新鲜生石灰块 或在石灰块中
4、掺入适量的水硬性掺和料粉煤灰和火山灰 配合比一般为8 2或7 3 在拔管的同时进行振密和挤密 利用生石灰吸取桩周土体中水分进行水化反应 此时生石灰的吸水 膨胀 发热及离子交换作用 使桩四周土体的含水量降低 孔隙减小 土体挤密和桩体硬化 2 粉灰搅拌法 亦称石灰柱法 是粉体喷射搅拌法中的一种 原料为石灰粉 通过特制的搅拌机械将石灰粉加固料与原位软土搅拌均匀 促使软土硬结 形成石灰 土 桩 加固机理 桩间土 桩身 复合地基 桩间土 1 成孔挤密石灰桩施工时是由振动钢管下沉成孔 使桩间土产生挤压和排土作用 其挤密效果与土质 上覆压力及地下水状况等有密切关联 一般地基土的渗透性愈大 打桩挤密效果越好
5、挤密效果地下水位以上比以下的要好 2 膨胀挤密石灰桩在成孔后贯入生石灰便吸水膨胀 使桩间土收到强大的挤压力 这对地下水位一下软粘土的挤密起主导作用 测试结果表明 根据生石灰质量高低 在自然状态下熟化后其体积可增加1 5 3 5倍 3 脱水挤密软粘土的含水量一般为40 80 1Kg生石灰的消化反应要吸收0 8 0 9Kg的水 同时在理论上将放出1172kJ的热量 我国加掺和料的石灰桩 桩内温度最高到200 400摄氏度 桩间土的温度升高滞后于桩体 在正常情况下 桩间土的温度最高可达40 50度 其土体产生一定的气化脱水 吸水和升温脱水 从而使土体含水量下降 土体产生固结 孔隙减小 土体颗粒靠拢挤
6、密 加固区的地下水位也有一定的下降 桩间土的抗剪强度得到提高 4 胶凝作用生石灰吸水生成的Ca OH 2一部分与土中二氧化硅和氧化铝长生反应 生成水化硅酸钙 水化铝酸钙等 水化物对土体颗粒起胶结作用 使土聚集体积增大 并趋于紧密 加固土体粘粒含量减少 说明颗粒胶结根本上变了土的结构 石灰桩体与四周土体接触处形成硬壳体 提高了土的强度 且随着龄期增加 强度也会逐渐提高 桩身置换作用由于石灰桩桩体具有桩间土更大的强度 抗压强度约0 5 1MPa 因此形成复合地基 排水固结作用试验分析结果表明 石灰桩桩体的渗透系数一般为10 5 10 3cm s 亦相当于细砂 由于其桩间距较小 一般为2 3倍桩径
7、水平排水路径很短 具有较好的排水固结作用 从建筑物沉降记录表明 建筑竣工开始 其沉降已基本稳定 复合地基由于石灰桩桩体具有较桩间土更大的强度 抗压强度约500kPa 在与桩间土形成的复合地基中具有桩体作用 当承受荷载时 桩上将产生应力集中现象 石灰桩复合地基的桩土应力比一般为2 5 5 0 石灰桩的密度为8kN m 显著小于土的密度 即使桩体饱和后 其密度也小于土的天然密度 当采用排土成桩时 加固层的自重减小 作用在下卧层的自重应力显著减小 即减小了下卧层顶面的附加应力 设计计算 桩孔直径根据工程地基条件和采用的施工方法和机具确定 一般选用300 400mm 桩孔直径的选用 桩孔的布置和范围石
8、灰桩可布设在基础地面下 当基底土的承载力特征值小于70KPa时 宜在基础外布设1 2排围护桩 过去的习惯是将基础以外也布置数排石灰桩 如此造价则剧增 试验表明在一般的软土中 围护桩对提高复合地基成来增益不大 在承载力很低的淤泥或淤泥质土中 基础外围增加1 2排围护桩有利于淤泥的加固 可以提高地基的整体稳定性 同时围护桩可将土中大孔隙挤密其止水作用 可提高内排桩的施工质量 桩长 桩的长度取决与石灰桩的加固目的和上部结构的条件 如果加固目的是为了形成一个压缩小的垫层 则桩长可较小 一般可取2 4m 洛阳铲成孔时不宜超过6m 机械成孔外投料时 桩长不宜超过8m 螺旋钻成孔及管内投料时可适当增加 若加
9、固目的是为了减少沉降 则就需要较长的桩 如果为了解决深层滑动问题 也需要较长的桩 保证桩身穿过滑动面 石灰桩的桩端宜选在承载力较高的土层中 由于石灰桩复合地基的桩土变形协调 石灰桩身又为可压缩的柔性桩 复合土层承载性能接近人工垫层 大量工程经验表明 复合土层沉降仅为桩长的0 5 8 沉降主要来自于桩底下卧层 因此宜将桩端置于承载力较高的土层中 垫层 1 当地基需要排水通道时 可在桩顶以上设200 300mm厚的砂石垫层 因为石灰桩属可压缩性桩 一般情况桩顶可不设垫层 其渗透系数一般为10 5 10 3cm s 可作为排水通道 2 石灰桩宜留500mm以上的孔口高度 并用含水量适当的粘性土封口
10、封口材料务必夯实 封口标高应略高 石灰桩桩顶施工标高应高出设计桩顶标高的100mm以上 承载力 1 复合地基承载力特征值不宜超过160MPa 当土质较好且采取保证桩身强度的措施时 经过试验后可适当提高 2 其复合地基承载力特征值应通过单桩或多桩复合地基载荷试验确定 3 初步设计时可按一般散体材料桩的复合地基承载力公式估算 fpk 石灰桩桩身抗压强度比例界限值 初步设计时可取350 500kPa 土质软弱时取低值 fsk 桩间土承载力特征值 取天然地基承载特征值的1 05 1 20倍 土质软弱或置换率大时取高值 m 面积置换率 桩面积按1 1 1 2倍成孔直径计算 土质软弱时宜取高值 沉降计算
11、沉降量计算方法可按类似碎 砂 石桩的计算方法进行计算 材料 石灰桩的材料以生石灰为主 生石灰选用现烧的并过筛 粒径一般为70mm以下 含粉量不得超过总重量的15 CaO含量不低于70 其中夹石或其他杂物不大于5 掺和料优先选用粉煤灰 火山灰 炉渣等工业废料 生石灰与掺和料的配合比宜根据地质情况确定 生石灰与掺和料的重量配合比一般为7 3 对于淤泥 淤泥质土等软土可适当增加生石灰用量 桩顶附近生石灰用量不宜过大 当掺石膏和水泥时 掺加量为生石灰的3 10 施工顺序 先外排后内排 先周边后中间 先两端后中间 并按每间隔1 2孔的施工顺序进行 不允许由一边向另一边平行推移 如对原建筑物地基加固 其施
12、工顺序应由外及里地进行 如邻近建筑物或紧贴水边 可先施工部分 隔断桩 将其与施工区隔开 对很软的黏性土地基 应先在较大距离打石灰桩 过四哥星期后再按设计间距补桩 在地基中设置石灰桩通常有4种方法 1 沉管法成孔提管投料压实法 2 沉管法成孔投料提管压实法 3 挖孔填料夯实法 4 长螺旋钻施工法 成桩 1 沉管法成孔提管投料压实法 是采用沉管打桩机在地基中沉管成孔 然后提管 填料 压实 再提管 再填料 再压实 重复直至成桩 再填土封口压实 封口土体高度不宜小于0 5m 孔口封土高度应高于地面 防止地面水浸泡桩顶 施工过程中要避免塌孔和缩孔 故一次提升高度1 5m左右 2 沉管法成孔投料提管压实法
13、 是采用沉管打桩机在地基中沉管成孔后 先向管内填料 再拔管 压实 再填料 拔管 压实 重复直至成桩 再填土封口压实 施工过程中要避免堵管 该方法适用于地下水位较高的软粘土地区 3 挖孔填料夯实法 挖孔填料夯实法主要是指采用特制的洛阳铲 人工挖土成孔 再分层填料夯实 并填土封口 4 长螺旋钻施工法 是采用长螺旋钻机将钻杆钻至设计深度后提钻 取土成孔 然后再将钻杆插入孔内 反转将填放到孔口的石灰桩填料送入孔内 在反转过程中钻杆螺片将桩填料压实 最后封口压实 在石灰桩施工过程中 要控制每米填料量 以保证桩体质量 一般以1m桩孔体积的1 4倍作为每米填料灌入量的控制标准 在施工过程中 生石灰与其他掺合料不宜过早拌合 应边拌边灌 以免生石灰遇水胀发影响质量 质量检验 石灰桩法复合地基的质量检验包括桩身质量的保证与检验最直观 挖桩检验与桩身取样试验常用且较可靠 载荷试验桩周土检验静探 十字板 钻孔取样复合地基检验大面积载荷试验
