石灰桩法

第5章石灰桩法

5.1概述

石灰桩是指采用机械或人工方法在地基中成孔，然后灌入生石灰块或按一定比例加入粉煤灰、炉渣、火山灰等掺合料及少量外加剂进行振密或夯实而形成的桩体，石灰桩与经改良的桩周土共同组成石灰桩复合地基以支承上部建筑物。

石灰桩法适用于加固杂填土、素填土、淤泥、淤泥质土和粘性土地基，对素填土、淤泥、淤泥质土的加固效果尤为显著。有经验时也可用于粉土地基。加固深度从几米到十几米。不适用于地下水以下的砂类土。

5.2 加固机理

1.桩间土

(1)成桩挤密

主要发生在不排土成桩工艺之中。对土的挤密效果随不排土工艺和成桩夯实桩料的情况，桩径和桩距不同而不同，挤密效果还与土质、土覆压力及地下水状况有密切关系。

成孔及成桩的挤压可以提高一般黏性土和粉土的承载力，大体上为原土强度的1. 1~ 1. 5倍。对于杂填土，不排土的成孔工艺有显著的挤密效果。对于灵敏度高的饱和软粘土(包括淤泥)，成桩中不能挤密桩间土，而且还破坏了土的结构，强度下降。作为浅层加固的石灰桩，由于被加固土层的上覆压力不大，且有隆起现象，成桩过程中的挤密效应不大。对一般黏性土，粉土，可考虑1. 1左右的加强系数。而杂填土和含水量适当的素填土（砂）应根据现场测试结果确定。对饱和软黏土和淤泥则不考虑。

(2)膨胀挤密

生石灰体积膨胀的主要原因是固体崩解空隙体积增大，颗粒比表面积增大，附着物增多，使固相颗粒体积也增大。在自然状态下熟化后其体积增到1. 5~3. 5倍。

(3)高温效应

1kg的生石灰水化生成Ca(OH)2时，理论上放出278千卡的热量，经测定放热时间在水化充分进行时为1h。因此，生石灰CaO成分越高，桩内生石灰用量越大时，升温越高。日本的纯生石灰桩测得的桩内温度最高达400℃。我国加掺合料的石灰桩，桩内温度最高达200~300℃。桩间土温度的升高滞后于桩体，在正常置换比的情况下，桩间土的温度最高可达40~50℃，由于桩数多，桩区内温度消散很慢，在全部桩施工完毕后15d，地温仍达25℃左右，完全恢复地温至少要20~30d甚至更长的时间。

高温引起土中水分的大量蒸发，对减少土的含水量促过桩周土的脱水起了积极的作用。

(4)桩体材料的胶凝反应

石灰中的钙离子和土中的钠离子会在桩体和桩孔界面上产生交换，改变土粒表面的带电状态，使粘土颗粒混聚起来形成团粒，同时生石灰吸水生成氢氧化钙与土中二氧化硅和氧化铝产生反应形成水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硅铝酸钙等水化物产生胶结作用在桩孔表面形成一定厚度的硬壳（厚度可达5-10cm）提高土的纯度，可随龄期而增长。

2.桩身

对于单一的以生石灰作原料的生石灰，当生石灰水化后，生石灰的直径可胀到原来所填的生石灰块屑体积的一倍，如充填密实和纯氧化钙的含量很高，则生石灰密度可达1.1～1.2t/ m3。

在古老建筑物中所挖出来的石灰桩里，曾经发现过桩周呈硬壳而中间呈软膏状态。因此对形成石灰桩的要求，应该把四周土的水吸干，而又要防止桩身的软化。因此，必须要求石灰桩应具有一定的初始密度，而且吸水过程中有一定的压力限制其自由胀发。可采用提高填充初始密度、加大充盈系数、用砂填石灰桩的孔隙、桩顶封顶和采用掺和料等措施，借以防止石灰桩桩心软弱。

实验分析结果，石灰桩桩体的渗透系数一般在10-5~10-3cm/s间，即相当于细砂。由于石灰桩桩距较小（一般为2～3倍桩体直径），水平排水路径很短，具有较好的排水固结作用。从建筑物沉降观测记录说明，建筑竣工开始使用，其沉降已基本稳定，沉降速率在0.04mm/d左右。

3.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。根据国内实测数据，石灰桩复合地基的桩土应力比一般为2.5~5.0。

5.3 设计计算

5.3.1 石灰桩设计一般原则

一、生石灰应新鲜，CaO 含量不宜低于70%，含粉量不得超过15% 。桩身材料的无侧限抗压强度根据土质及荷载要求，一般情况下为0.3MPa~1.0MPa 。

二、石灰桩的设计直径一般采用300~500mm ，桩中心距宜为2~3.5倍成孔直径。桩位布置根据基础形式可采用正三角形、正方形或矩形排列。

三、石灰桩的加固深度，应满足桩底未经加固土层的承载力要求，当建筑物受地基变形控制时尚应满足地基变形容许值的要求。石灰桩桩端宜选在承载力较高的土层中。在深厚的软弱地基中采用悬浮桩时，应减少上部结构重心与基础形心的偏心，必要时宜加强上部结构重心与基础的刚度。在深厚的软土中采用悬浮桩时建筑物层数不应高于5层。

四、石灰桩的加固范围应根据土质和荷载情况决定。石灰桩可仅布置在基础底面下，当基底土承载力特征值小于70kPa 时，宜在基础以外增设1~2排围护桩。在有经验时，也可不设围护桩，以降低造价。

五、洛阳铲成孔桩长不宜超过6m ；机械成孔管外投料时，桩长不宜超过8m ；螺旋钻成孔及管内投料时可适当加长。

六、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。

七、石灰桩宜留500mm 以上的空孔高度，并用含水量适当的土封口，封口材料必须夯实，封口标高应略高于原地面，防止孔口积水。石灰桩桩顶施工标高应高出设计桩顶标高100mm 以上。

5.3.2 石灰桩复合地基承载力计算

石灰桩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测定。初步设计时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：

sk pk spk f m mf f )1(-+= （4-1）

式中

pk f —石灰桩桩身抗压强度比例界限值，有单桩竖向载荷试验测定，初步设计时可取350~500kPa ，

土质软弱时取低值（kPa ）；

sk f —桩间土承载力特征值，取天然地基承载力特征值的1.05~1.20倍，土质软弱或置换率大时

取高值（kPa ）；

m —面积置换率，桩面积1.1~1.2倍成孔直径计算，土质软弱时取高低值（kPa ） 5.3.3 复合地基变形计算

建筑物基础的最终沉降值，可按分层总和法计算。在桩长范围内复合土的压缩模量按下式估算：

[])1(1'-+=n m E E s sp (4-2)

式中

sp E —石灰桩复合土层压缩模量(MPa) ； 's E —桩间土的压缩模量(MPa)，由室内土工试验确定，可取(1. 1 ~ 13) s E ，成孔对桩间土挤 密效应好或置换率大时取高值；