（岩土工程专业论文）生石灰膨胀性试验研究及其在地基处理中的应用.pdf

顺十学f 论文 摘要 石灰桩法是一种简便、经济、有效的地基加固方法，在工程中己得到广泛的 应用，尤其对于湿陷性黄土场地，石灰桩是主要的地基处理方法之一，它形成的 复合地基能有效地消除地基土湿陷性、提高地基承载力、改善地基土的承载性 状，其经济性和可靠性已得到工程界普遍认可。 随着城市建设规模的扩大，特别是北方城市的建设用地大多到了河流的i i i 级 或级阶地，这些地貌大多为深厚( 一般大于3 0 米) 的黄土或湿陷性黄土，对 这些场地的地基加固及纠偏技术的研究就显得更加重要。利用生石灰的膨胀性 进行房屋的加固纠偏，近年来在我国西北和华北等地区的危房地基加固纠偏工 程中得到较普遍的应用，并产生了良好的环境和社会经济效益。另外，石灰桩还 被广泛应用于高速公路的黄土路基加同工程中。 由于生石灰膨胀特性与用其进行地基加固和纠偏处理的效果直接相关，因 此本文以纯生石灰料和生石灰与水泥的混合料为试样，考虑了磨细度、配合比及 约束力等影响生石灰膨胀的诸因素来进行室内试验，对生石灰的膨胀特性进行 量化研究。由试验得到了生石灰的膨胀规律，即不论其他影响因素如何变化，生 石灰体积膨胀系数叩与约束力总有如下关系：叩= 彳1 1 1 + 彦，这一关系为工程应 用提供了较以前更为精确的设计参数。 在此基础上，对生石灰桩加固地基问题，本文用弹性理论求解该耦合问题， 首次得到了桩孔内壁位移以与生石灰膨胀压力之间的关系： 彬= ( 1 + p ) ( 4 纠：利用试验得到的生石灰膨胀特性，探讨了生石灰桩对地基 的挤密效果，同时求得生石灰体积膨胀系数”随地基深度z 的变化规律： 町= 彳l n ( 疋脚+ 彦，该计算公式的提出较之以前的经验取值更为准确、可靠。通过 实例计算分析表明，生石灰挤密桩对地基深度超过1 3 米时效果极其有限，这为 该种地基处理法的合理使用给出了理论根据。 关键词：生石灰；膨胀特性；弹性理论；复合地基；地基处理 a b s t r a c t q u i c k li m ep i l ec o m p o s i t eg r o u n di s as i m p l e ，e c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o d f o rt r e a t i n gg r o u n d ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t l c e s ，e s p e c l a i l y f o rt h ec o l l a p s i b l el o e s sf i e l d ，q u i c k l i m ep i l e i so n e0 fm a i n 铲o u n dt r e a 恤e n t m e t h o d st oe l i m i n a t et h ec o l l a p s i b i l i t yo fl o e s s ，i n c r e a s e t h eb e a r i n gc a p a c l t ya n d i m d r o v et h eb e h a v i o ro fc o m p o s i t eg r o u n d ，i t se c o n o m ya n dr e l i a b i l i t y h a sb e e n g e n e r a l l ya c c e p t e di ne n g i n e e r i n gc i r c l e s w i t ht h ee x p a n s i o no ft h ec i t yc o n s t r u c t i o ns c a l e ， e s p e c i a l l y i nm o s to h e n o r t h e r nc i t y ，t h ec o n s t r u c t i o n1 a n dm o s t l y a r r i v e da tt h er i v e rl e v e l o rl v t e h a c e m o s to ft h e s el a n d f o r m sa r et h ed e e p ( g e n e r a l l yd e e p e rt h a n3 0m ) 1 0 e s s o r c 0 1 l a p s i b l e1 0 e s s i ti sm o r ei l l l p o r t a n tt 0s t u d yt h e铲o u n d r e i n f o r c e m e n ta i l d d e v i a t i o nr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ymt h e s e s i t e s i nr e c e n ty e a r s ，r e c t l t y l n g a n d r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yo ft h ee x p a n s i o no fq u i c k l i m ei s 嘶d e l yu s e df o n c l l n e b u i l d i n g s i nn o r t h w e s ta n dn o r t h c h i n aa r e a ， b e t t e re n v i r o n m e n t a l ，s o c l a l 锄d e c o n o m i cb e n e f i t sa r eb r o u g h tb yq u i c k l i m ep i l e i na d d i t i o n ，q u i c k l i m ep l l e h a s a l s ob e e nw i d e l yu s e di nh i g h w a yp r o j e c t si nt h el o e s sg r o u n d t os t u d yt h ee x p a n s i v eb e h a v i o r so fq u i c k l i m e ，t h eq u i c k l i m ea n dt h e 肌x t u r e o fq u i c k l i m ea n dc e m e n ta r et o o k a st h et e s ts p e c i m e n ， i nt h et e s tt h e s et a c t o r s i n f l u e n c i n gq u i c k l i m ee x p a n s i o n a r ec o n s i d e r e dw h i c hi n c l u d e s g r l n d l n gr a t e ， m i x t u r er a t i oa n dp r e s s u r ea n ds oo n t h eq u i c k l i m ee x p a n s i v er u l e i so b t a m e dt r 伽瞳 t h e s et e s tr e s u l t s ，n om a t t e rh o wt h e s ei n f l u e n c i n g f a c t o r sc h a n g e ，t h eq u l c k l l m e v o l u m ee x p a n s i v i t y窄 a i l d p r e s s u r e夕 a l w a y sa p p e a rf o l l o w i n g r e l a t l o n s h l p ： ：彳l i l + 刀， t h ef 0 瑚u l ac a nb et o o k a saf o u n d a t i o ni nt h ec a c u l a t l o n 0 t e x p a n s i v eq u a n t i t ya n dp r o v i d em o r e a c c u r a t ed e s i g np a r a m e t e rf o re n 9 1 n e e r m g t h ea n t h o re m p l o y se l a s t i ct h e o r yt os o l v et h ec o u p l i n gp r o b l e m ，a i l d t o rt h e f i r s tt i m e0 b t a i n st h em a t h m a t i cr e l a t i o nb e t w e e np i i eh o l ei n w a nd i s p l a c e m e n t p ， a n dq u i c k l i m ee x p a n s i o np r e s s u r e夕：砟= ( 1 + j l l ) 夕( 4 纠i n t h i s p a p e rt h e a n t h o r su s e sq i c k l i m ee x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s r e s u l t i n gf r o ml a b o r a t o r y t e s t t o e x p l o r et h eg r o u n d c o m p a c t i o ne f 亿c t t h a tq u i c k l i m ee x e r t so ng r o u n d ，s h o w st n e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u i c k l i m ev o l u m ee x p a n s i o nc o e 伯c i e n t 叼 a n d 鲈o u n dd e p t h z ：卵：彳m 删+ 曰，t h i sc a l c u l a t i o nf o r m u l ep r o d u c e sm o r ea c c u r a t e a n dr e l l a b l e r e s u l tt h a nb e f o r e t h r o u g hac a l c u l a t i o ne x a m p l e i ti si n d i c a t e dt h a tt h ee f i e c t l o n d e p t ho ft h eq u i c k l i m ee x e r t so n 铲o u n dd e e p e r t h a n1 3 mi si n s i g n i f i c a n t - t h i s h 硕士学何论文 c o n c l u s i o np r o v i d e s t h e o r ye v i d e n c e f o rt h ea p p r o p r i a t eu s eo ft h i sm e t h o di n g r o u n dt r e a t m e n t 1 ( e yw o r d s ：q u i c k l i m e ；e x p a n s i v eq u a n t i t y ； e l a s t i ct h e o r y ； c o m p o s i t eg r o u n d ； g r o u n dt r e a t m e n t u i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：多认四年厂月夕 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名哆，夕岁 。一 一 导师签名： 辛均亏 日期：办妒夕年石月夕日 日期呷年乡月7 日 硕十学付论文 第1 章绪论 1 1 课题背景、研究目的和意义 石灰桩是一种行之有效的软土地基加固措施。由于其具有施工简单，成本低 廉，速度快捷，效果显著等特点，在 ：程中已得到广泛的应用。主要适应于地下水 位以上的粘性土及粉土( 湿陷性黄土、素回填土、杂土) ，处理深度为2 0 m 1 0 0 m ，原地基成孔后，在孔内灌注生石灰加掺合料，生石灰吸水后变成熟石灰，吸 走了原土中的水份，体积膨胀，压缩挤密桩周素土，并与土粒产生硬化作用，使均 质地基变为复合地基，承载力提高，变形量减小，从而达到加固的目的 2 ，8 ，l l 】。 特别是石灰桩具有吸水膨胀发热和挤密土体这一特点，近年来在危险房屋地 基的纠偏加固工程中得到较普遍的应用，并产生了良好的经济效益和社会效益， 为危旧房屋的加固改造提供了新的技术途径和广泛的应用价值。 随着西部大开发政策的实施，大西北即将成为我们大规模经济建设的战略 要地，黄土地区的工程越来越多。这些地区大部分土质为湿陷性黄土，在2 0 世纪 6 0 8 0 年代，该地区大量修建的多层建筑物和构造物基本上都采用了天然地基或 简单地基处理的浅基础。随着时间的推移，这些建筑物和构筑物中有些由于地下 管线漏水或雨水长期浸泡而造成地基不均匀沉降，使建筑物和构筑物出现倾斜。 对黄土特别是湿陷性黄土地基纠偏加固技术的研究也显得更加重要。由于生石 灰土桩膨胀纠偏法具有原位处理、深层挤密和以土治土等特点，具有较好的经济 效益和社会效益，在我国西北和华北等地区得到了广泛应用 8 l6 i 。 近年来，随着国民经济建设的迅猛发展，基本建设规模不断扩大，愈来愈多 的工程需要对天然地基进行人工处理，以满足结构物对地基承载力和变形的要 求，保证结构物的安全和正常使用。地基处理作为一门实用性很强的学科，它的 理论与实践正处于不断发展，完善之中，并日益受到了工程界及学术界的重视。 尤其是湿陷性黄土地区，以其特有的土体结构特点和工程性能给工程建设带来 了一定的难度。石灰桩复合地基作为一种湿陷性黄土地基处理方法，具有原位处 理、深层挤密和以土治土等特点，有较好的经济效益和社会效益，在我国西北和 华北等地区得到了广泛应用。 随着技术的发展，生石灰已被广泛应用于交通、水利、土建等建筑工程中。 石灰桩复合地基是西北地区最早推广应用的一种以土治土的方法，其历史悠久， 早已被人们所习用，并取得了良好的经济效果。但复合地基的理论研究远远落后 于复合地基的工程实践。以前对石灰桩复合地基的认识和评价己满足不了工程 l i 7 i 灰膨h i ，陀试验研冗及】e 订：地艰处州t - 的廊川 实践的发展，许多观点仍停留在经验认识上。因此，进行石灰桩复合地基理论研 究，将有助于加深对其工作机理的认识和工程性能的探讨，促进地基处理技术更 好地应用和更快地发展，这也将对石灰桩复合地基在工程界的推广应用，具有一 定的实际意义。 1 2 生石灰桩的发展背景 1 2 1 生石灰桩简介 石灰是一种古老的传统建筑材料，石灰的生产在我国至少有四千余年的历 史，目前，我国的石灰产量约为2 亿吨，产地遍布全国各地，是廉价易得的地方 建筑材料。 石灰桩是将生石灰送入土体中夯实，采用桩的形式处理软弱地基。石灰桩是 一种柔性桩，石灰桩加固软弱地基的重要作用主要有以下两个方面：一方面生石 灰成桩后吸水膨胀对地基土有横向挤密作用，促进土的同结，另一方面石灰桩与 桩间土进行了一系列的物理化学反应，从而改善了桩间土的土质。石灰桩复合地 基的受力特点是石灰桩和桩间土共同作用形成复合地基，通过桩体自身强度及 对桩间土土质的改善来达到提高地基承载能力，改善地基变形特性，减少过大沉 降和不均匀沉降，从而满足设计要求。 采用石灰加同软弱地基的历史约有两千多年，主要是用于石灰掺填处理法。 如著名的万里长城、西藏佛塔、北京御道以及天津水利：i ：程和漳州民居，古罗马 的加普亚军用大道的地基均有用石灰拌合土加固的痕迹。我国在春秋战国以前 就用石灰、粘土和砂子三合土修筑骚道。北京顺义县发掘到的汉墓中的石灰纯度 和锻烧程度与近代石灰相同。秦始皇时代的千里堤防都是采用经石灰加固的土 料建造。古埃及曾用石灰、烧石膏和砂子来加固大金字塔的地基和尼罗河河堤。 而在古罗马帝国那坡里城的居民曾用当地大量堆积的火山灰掺入不同比例的生 石灰制成一种称之为罗马水泥的固化剂。可能是当今大量使用的火山灰水泥的 雏形。 到近代，1 9 2 0 年美国用石灰拌和粘土作为路基，而建于1 9 4 5 年的得克萨斯 高速公路基层的石灰土加固效果至今仍为人们所承认。在上述的工程实例中，石 灰主要用于处理地基的表层，如处理高速公路和机场跑道的路基、冻胀土的处理 以及边坡稳定处理。可见直至上世纪中叶，不论是我国还是外国，石灰加固法大 多仍停留在表层或浅层处理的阶段，即将3 ：7 或2 ：8 灰土夯实用作道路的路基 或建筑物的墙基或垫层，或直接将生石灰块投入软土中或土体浅孔中，然后捣实 而成。 二十世纪五十年代年代之后，随着建设规模的扩大，开始把石灰用于深层处 倾十学俺论文 理，用石灰处理深层地基现在有两种做法。一种是先在地基中成孔，然后在孔中 灌入生石灰碎块或在生石灰中掺人适量的水硬性掺合料( 如粉煤灰、火山灰等) 形成桩体，桩的直径通常不大于4 0 c m 。另一种是将石灰粉末或石灰浆利用专用 设备在地基中强制与地基土拌和形成直径较大的桩柱。如二十世纪六十年代日 本和瑞典分别开发研究成功一种用于加固深层软土的方法即深层搅拌法，可以 用来处理地下深部的河流冲积软土、湖沼及海底极其软的沉积土、疏浚航道堆于 两岸的超软冲填土、甚至新近沉积的淤泥等。它一般采用石灰粉作为固化剂。对 用拌和法制成的桩柱，由于石灰与土的接触面积较大，两者之间能有更多的机会 发生物理、化学反应，故能更充分发挥石灰对土的加同作用，这是一种发展潜力 很大的加固方法 4 l 4 7 j 。 石灰桩( 亦称灰土桩) 是将生石灰块与水泥( 粉煤灰) 或土按一定比例的拌合 物送入土体中形成的柔性桩体，并与桩间土共同组成承载力较高、压缩性较低的 复合地基。因其具有原料供应方便、施工设备简单、技术易普及、施工速度快、 造价低廉等特点，在地下水位以上的粘性土及粉土( 湿陷性黄土、素回填土、杂 土) 地基纠偏加固工程中得到广泛应用，其经济性和可靠性已得到充分证实。 按用料和施工工艺将石灰桩可分为以下三大类： ( 1 ) 石灰桩法( 石灰块灌入法) 石灰块灌入法是采用钢套管成孔，然后在孔中灌入新鲜生石灰块，或在生石 灰中掺入适量水硬性掺合料粉煤灰和火山灰，一般经验的配合比为8 ：2 或7 ：3 在 拔管的同时进行振密和捣密，利用生石灰吸收桩间土体的水分进行水化反应，此 时，生石灰的吸水、膨胀、发热以及离子交换作用，使桩间土的含水量降低、空 隙比减小、土体挤密和桩柱体硬化。桩与桩间土共同承担外荷载，形成一种复合 地基。 ( 2 ) 石灰柱法( 粉灰搅拌法) 粉灰搅拌法是粉体喷射搅拌法的一种，所用的原材料是石灰粉。通过特制的 搅拌机将石灰粉加固料与原位软土搅拌均匀，促使软土硬结，形成石灰土柱。如 采用水泥粉作为加固料，叫做水泥粉喷桩。 ( 3 ) 石灰浆压力喷注法 石灰浆压力喷注法是高压喷射注浆法的一种。它是采用压力将石灰浆或石 灰一粉煤灰( 二灰) 浆喷射注于地基土的空隙内或预先钻的桩孔内，使灰浆在地 基土中扩散和硬凝，形成不透水的网状结构层，从而达到加固的目的。此法可用 于处理膨胀土，以减少膨胀的潜势和隆起，可用于加固破坏的堤岸岸坡，也可用 于整治易松动下沉的路基。 7 l ：了i 灰膨 | i _ ：忡试验酬歹及j ( 仃地j t ：处州。l t 的府川 1 2 2 国外石灰桩发展简介 前苏联阿别列夫教授于1 9 3 4 年首创湿陷性黄土的土桩挤密法，至今仍为俄 罗斯及东欧诸国处理黄土地基的常用方法之一。灰土挤密桩是用沉管、冲击、爆 扩等方法在地基中形成有一定直径的桩孔，然后向孔内填夯灰土成桩。成孔成桩 过程中，桩孔受到径向挤压力作用向外扩张，使桩孔周围的土体产生径向压密， 桩周一定范围内的桩间上层得到挤密、形成桩体和桩周挤土共同组成的人工复 合地基。我国自二十世纪五十年代试验成功了具有中国特点的灰土桩挤密技术， 显著地提高了挤密桩法处理地基的技术效果。 二十世纪六十年代，正当我国中断石灰桩研究工作之际，美国、德国、法国、 日本、英国、瑞典、澳大利亚、前苏联等国家和地区纷纷开展了石灰加固深层软 基的研究和应用，并实现了配套的机械化施工，从而使石灰加同软基的应用得到 了迅速的发展【1 7 2 2 】。石灰桩应用最广、技术最发达的是日本，1 9 6 5 年开始发展， 广泛应用于道路、铁路、地铁、填筑软弱地基等加固工程。二十世纪七十年代， 随着专用的施工机械( 旋转套管式无振动无噪音的石灰桩专用机械) 的出现，又 扩大应用到城市下水管工程的地基加固或边坡加固以及油罐、桥台地基的加固。 石灰桩径可达2 0 0 4 0 0 m m ，桩长可达3 5 m 。二十世纪七十年代中期，瑞典人取 得了深层石灰搅拌桩工艺即“石灰柱法 的专利。与石灰桩法相比，石灰柱法具 有增加土反应、节约用灰和加固深度大、机械化施工程度高等特点，成为国外应 用最广的石灰处理地基的方法【1 7 2 2 ，3 4 3 8 】。其中日本加嘲深度可达6 0 m ，成柱直 径8 0 0 1 7 5 0 m m ，常用于码头、岸墙、隧道和地铁工程中。还有一些国家如新 西兰、加纳等国，用石灰柱法处理黄土、红粘土地基【7 】。 其中石灰桩应用最多的是日本，从地面发展到海底加固，不少公司获得了石 灰桩加固方法的专利。其特点是： ( 1 ) 先进的施工工艺。在日本有石灰桩施工的所谓标准机械，包括成孔机( 震 入、钻入) 、空压机、发电机、吊车等。对石灰的生产、质量、运输、注入、压 实、环境保护等均作为施工管理项目，严加控制。 ( 2 ) 很少见到应用在工业与民用建筑、建筑地基加固的范例，而广泛应用于 道路、铁路、地下水道、机场的基层加固、防止滑坡等，也有应用于桥台，油罐 地基处理的先例。 ( 3 ) 大多数为深层加固，浅层加固运用很少。 ( 4 ) 发展了使用外加剂的高强度的所谓特殊石灰桩。 ( 5 ) 缺少完整的设计计算方法，特别是沉降计算方法。 1 2 3 国内石灰桩发展简介 石灰桩在我国的研发应用始于二十世纪五十年代。1 9 5 2 年天津大学首先 颂l ：学何论文 在食堂的局部软弱地基上用了石灰短桩处理，以后，又在塘沽新港船厂等处做了 石灰桩应用的研究，主要是在3 层以下的民用建筑和道路工程中应用。石灰桩长 约l 2 m ，直径仅为1 0 0 2 0 0 m m 全用手工成桩。由于桩身“软心”等关键问题未 获解决，研究工作和工程应用一度中断。 二十世纪七十年代中期重新恢复了石灰桩的实验研究，在这期间，铁道部科 学研究院、西南交大、北京铁路局勘察设计院和交通部一工程局对塘沽新港软土 地基做了6 种不同的处理方法的效果对比试验，其中石灰桩的试验和地基处理应 用效果最佳。到八十年代，同济大学等在浙江湖州做了等长度( 3 m ) 的石灰桩、 砂桩、碎石桩和混凝土灌注桩的复合地基承载力对比试验，结果也是石灰桩复合 地基承载力最高。接着江苏( 1 9 8 1 ) 、浙江( 1 9 8 2 ) 、湖北( 1 9 8 3 ) 、山西( 1 9 8 5 ) 、 天津( 1 9 8 5 ) 等地相继开展了石灰桩的试验和应用研究。粗略估计，到8 0 年代末， 以上省市的已用石灰桩3 0 万根以上，建筑面积超过1 0 0 万平方米，建筑类型多为 6 7 层，还有部分工业厂房和个别9 1 2 层的高层建筑。结构形式有砌体承重结 构，框架结构和排架结构等 1 ；另外，石灰桩还用于油罐、烟囱、储仓等特种结 构的地基加固以及基坑维护、路基加固、市政管线工程和房屋的托换纠偏工程 中。 1 9 7 5 年1 9 8 0 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 与其它加同方法对比试验研究，证明了石灰桩的良好加固效果。此外，陕西于 1 9 8 6 年将石灰桩与碱液灌注桩组合法用于消除黄土的湿陷性，达到良好的效果。 铁四院( 1 9 8 4 ) 研究开发了“深层搅拌方法”石灰柱法，试制成功深层 喷射搅拌机，成功的用于加闹铁路涵洞地基。 1 9 8 1 年后，江苏省建筑设计院用振动打桩机施j 石灰桩，加固深度达8 m ，正 式大规模将石灰桩投入使用，仅南京市采用生石灰桩加固了5 0 余幢房屋的软土 地基，加固面积达3 万平方米，取得了较好的经济技术效果；尔后浙江省建筑科 研所也进行了研究和应用，施工深度也达8 m 以上，但加固深度多控制在6 m 以内， 加同深度超过6 m 者为数不多。鉴于石灰桩复合地基承载力随置换比的增大而明 显增加，石灰桩的置换比多在1 1 1 一l 5 之间。 湖北省建筑科研设计院和华中理工大学自1 9 8 3 年开始了石灰桩( 当时也叫 做石灰柱) 的研究，1 9 8 6 年1 2 月通过省级鉴定。近几年来湖北省建筑科研设计院 在独家设计、独家施工的情况下已在六十余座建( 构) 筑物中采用，建筑面积达1 l 万平方米。在石灰桩的研究和应用中，重点放在有争议的加强机理和设计计算方 法上，解答了石灰桩在水下软化的问题，提出了可以实用的设计计算方法。对石 灰桩的排水固结作用也进行了论证和探讨。搞了一套人工铲成孔的机动灵活、造 价低廉、工期快速、无震动和噪音、节省能源的施工方法，建立了用静力触探检 查施： 质量，确定设计参数的简化方法。由于研究较系统，因此取得了显著的社 7 l 石灰膨胀忤试验矽i 究及其存地职处耻c ，的应川 会效益和经济效益，应用中无一处发生质量事故，提高了社会对石灰桩的信任 感。 特别是近十几年浙江工学院、太原工学院，河海大学、南京工学院等高等院 校对石灰桩的不同领城进行了深入的研究，石灰桩已得到社会的广泛关注。1 9 8 8 年底城乡建设环保部以“七五 重点项目下达了石灰桩的科研计划，由中国建研 院地基所、湖北省建筑科研设计院、江苏省建筑设计院、浙江省建研所承担。旨 在总结过去的研究成果，加速石灰桩的推广应用。 目前石灰桩施工工艺在国内可归纳为两类，第一类是机械成孔，包括震动、 锤击、静压直接成孔，或采用爆炸扩孔，其中按投料方式不同又分为管外投料和 管内投料，这两种方法均需进一步改进。第二类是人工铲( 类似洛阳铲) 成孔，此 种方法在击实及拌合上也需改进。以上工艺表面看来虽然落后，但有其特点，经 过进一步改进后，前途是乐现的。 石灰桩常用的施工方法是将封口尖头套管，用打桩机打入土中成孔，使土得 到挤实，然后把套管拔出，在孔内分层填入生石灰，再用封口尖头套管夯实，使 其成为石灰桩，桩项面距离地面应用深1 米左右原土夯实封口。另一种简便的施 工方法是螺旋钻机成孔，将石灰倒入孔内分层人工夯实后成桩，桩顶面距地面用 1 米左右原土封口，夯实用的工具是长柄铁锤。常用的施工方法比简便的施工方 法效果要好一些。 我国通过多年的实践，石灰桩的适用范围是：地下水位以上的填土和含水量 小于4 0 的软弱土。对于地下水位以下的地层如采用石灰桩必须要夯填密实，补 给水速度缓慢，硬化状态良好，能可靠地满足设计要求，才能应用，否则不宜采 用。在沿江地区一般是5 6 层砖混住宅浅层软弱地基采用石灰桩加固均具有良 好的效果，节约了大量的投资 1 4 i 。 到目前为止，据不完全统计 1 ，5 0 ，我国约有千栋建( 构) 筑物采用了石灰桩 复合地基，建筑面积近3 0 0 万平方米。 1 2 4 石灰桩的研究历史与现状 随着石灰桩复合地基在工程中的广泛应用，石灰桩的研究越来越受到人们 的重视。伴随着工业与民用建筑物高度的增加、上部荷载的增大，公路铁路建设 的高速发展，以及对地基特殊要求的不断出现，亟须对石灰桩复合地基性能研究 工作更深入的完善。国内外石灰桩研究者都认为，石灰桩复合地基是经济可行的 方法，也对桩身生石灰用量、石灰桩桩间距，施工技术，压实等问题进行了较多 研究。 前苏联阿别列夫教授1 9 3 4 年首创湿陷性黄土的土桩挤密法，至今仍为俄 罗斯及东欧诸国处理黄土地基的常用方法之一。我国自2 0 世纪6 0 年代中期试验 成功了具有中国特点的灰土桩挤密技术，显著地提高了挤密桩法处理地基的技 术效果。自二十世纪七十年代初期以来，逐步在陕、甘、晋等省和豫西地区推广 应用灰土桩挤密法，取得丰富的工程经验和明显的技术经济效益。 朱彦鹏教授 6 ，8 在膨胀法纠偏加固湿陷性黄土地区建筑物的模型试验研究 和湿陷性黄土地区倾斜建筑物的膨胀法纠偏加固理论分析与实践中都基于弹性 理论得出生石灰桩膨胀桩径的计算公式，然后根据地基土孔隙比变化给出了基础 下纠偏加同用生石灰桩的体积计算公式，使膨胀项升法从经验提高到理论。其 中：根据弹性理论，石灰桩膨胀压力通常与生石灰掺量有关，大致范围为0 5 l o m p a ，土体的弹性模量通常在2 1 0 m p a ，泊松比的取值范围通常为o 3 0 4 5 。 从石灰掺量估算出石灰桩膨胀压力，即可得出石灰桩的膨胀桩径。并认为：工程 实践中，石灰桩的体积膨胀量在1 2 1 5 倍，桩径膨胀量一般为设计桩径的 1 1 1 3 倍。然后又根据地基土孔隙比变化和四假设即：( 1 ) 根据基础下地基土 的层理分布，持力层所处位置来确定挤密石灰桩的深度彦。( 2 ) 由于挤密石灰桩 以下土层密实度较高，其压缩性较小，因此假定石灰桩以下土层是不可压缩的。 ( 3 ) 假定基础下原土体的压实系数和孔隙比相等。( 4 ) 假定基础下地基土原孔 隙率与挤密后的孔隙率之差沿深度方向呈线性分布。得出单位长度基础下纠偏 所需石灰桩的体积公式 易2 志2 i f 最砖h 螂撬一南( 竿“m ) 等 一+ 眠 南一瓜去翮，( 等手，蚝 1 竽蚴一 fk 删【南一南( 竿“气访 j 竽一 式中：为原基础下地基土的孔隙率，力为挤压后基础下地基土的孔隙率， 为原基础下地基土的孔隙体积，为原基础下地基土的总体积，匕为原基础下 地基土的土颗粒体积，形为挤压后基础下地基土的孔隙体积，为挤压后基础下 地基土的总体积，形为挤压后基础下地基土的土颗粒体积。匕为单位长度上所 需石灰桩的体积，卢为膨胀后石灰桩的体积，( 卢一1 ) 为石灰桩膨胀后的体积膨 胀量。 张新中 9 在分析生石灰桩纠偏加固机理的基础上，对采用生石灰桩纠偏加固 危险房屋地基工程的方案设计、施工工艺及注意事项进行了总结和探讨特别是 建议桩体填料为生石灰桩体由一定比例的生石灰块与粉煤灰或土均匀拌制捣实 组成，生石灰与粉煤灰或土的比例一般在4 ：6 至7 ：3 之间，主要用于软土地基加 固时灰土比例取低值，而用于危险房层纠偏加固时，需较大的膨胀力，应加大生石 生石灰 彭胀件试验酬究及其仃地即处理t 一的麻川 灰的比例而取上限，甚至可采用纯生石灰桩纠偏生石灰粒径要求为2 c m 4 c m ， 粉煤灰或土的含水量宜小于5 汤亚琦 1 0 在生石灰桩及水泥注浆法在地基加固纠偏中的应用一文中，利用 一工程实例论证应用生石灰桩法加固纠偏危房可以控制危房的不均匀沉降，使地 基土形成均匀整体，消除了湿陷性，满足了设计要求达到了预期的目的，建筑基本 恢复正常使用。并提议在施工过程中采用“选定域”的原则即先注房屋的周边孔， 以限定注浆区域，然后再注中间孔，且隔孔施工，同时采用分序隔排施工，每个注 浆孔自下而上分层进行注浆，外围孑乙的注浆量按定量控制，中间孑l 按定压控制。 这样可避免由于注浆压力过大将临近的孔壁压垮。 陈善雄 1 2 对石灰桩挤密处理湿陷性黄土地基的效果进行了分析，对桩间土 处理前后的物理力学性质的变化进行了研究，并比较分析了石灰桩复合地基与 天然地基的承载力，得出了定性的结论。 李立新 1 3 在石灰掺量对粉煤灰石灰桩性能的影响中明确指出目前灰土垫层 给定的承载力设计值偏低，桩间土因受到挤密作用，桩间土的湿陷起始压力p h 。 值普遍提高2 3 倍，加固效果有显著改善，现行规范对灰土垫层给定承载力设计 值明显偏低，建议承载力设计值应改为不宜超过3 5 0 k p a 。 此外，袁内镇、汪日新 1 6 等还对石灰桩复合地基的桩土应力比及承载力的 计算进行了探讨，揭示了石灰桩复合地基承载力的相应公式，为石灰桩地基设计 提供了更为方便的、切合实际的计算方法，便于工程人员使用。苏羽 4 0 对石灰 桩复合地基变形特性进行了室内试验研究，金宗川 4 2 】对石灰桩辅助垫层法处理 地基进行了研究探讨，刘祖典 删对桩复合地基载荷试验的影响深度进行了分析。 任光月 3 l 】还做了石灰桩加固软土地基的试探性研究，王燕 2 7 对人工挖孔石灰桩 复合地基的设计与施工进行了分析，朱彦鹏 6 ，8 还把石灰桩用于处理己有建筑物 的湿陷事故，同时把石灰桩用于高层建筑的黄土地基处理。 对于其他关于生石灰桩的研究，大多都在加固软土地基方面，比如何永强 2 4 】 的石灰桩在既有建筑物加固中的应用、殷天平 3 4 的生石灰深层搅拌桩加固软土 地基机理及应用，郝红卫 1 4 还对冲击挤密石灰桩施工中的质量控制及常见问题 的解决提出了一些看法，史康立 3 2 的生石灰膨胀桩在地基加固中的应用等等， 都是利用实际工程浅谈了一下生石灰的加固机理，然后通过工程说明了加固效 果，阐述了生石灰桩法具有技术简单可行，工期短，且经济合理的特点，能有效 地加固软弱地基，减少软土层沉降和整体工程完工后沉降，提高软土层的承载 力。 国内将石灰桩列入地区性规范内容的有天津市建筑地基基础设计规范 ( t b jl 一8 8 ) 和浙江省建筑软弱地基基础设计规范( d b j l o l 一9 0 ) 。较系统 的石灰桩资料文献有石灰加同软弱地基学术讨论会论文集( 1 9 8 9 ，上海) ，岩 颀十学位论文 土工程治理手册( 林宗元主编，1 9 9 3 ，辽宁科学出版社) ，地基处理工程实例 应用手册( 叶书麟主编，1 9 9 8 ，中国建筑工业出版社) ，地基处理与托换基础) ( 叶书麟等编著，1 9 9 4 ，中国建筑工业出版社) 和地基处理技术( 阎明礼主编， 1 9 9 6 ，中国环境科学出版社) 等，2 0 0 2 年颁布的建筑地基处理技术规范( j g j7 9 2 0 0 2 ) 也将石灰桩法列入其中。 综上所述，国内外学者己对石灰桩处理湿陷性黄土的应用、设计、施工等方 面做了大量的研究与探讨，并把石灰桩纠偏等事故处理以及高层建筑的地基处 理，为石灰桩的应用积累了丰富的经验和资料 2 8 ，2 9 j 。灰土石灰桩的承载机理， 承载力、桩土应力比、变形计算的理论己日趋完善，对石灰桩复合地基的荷载传 递机理有了更深刻的认识。但石灰桩复合地基的理论还存在一些问题有待解决， 如石灰桩膨胀量对周围土体产生的侧向压应力的变化，石灰桩膨胀后土体孔隙 比的变化规律，石灰桩吸水后土体内部含水率的变化，考虑石灰桩膨胀加固土体 时石灰桩桩距的确定，复合地基群桩的荷载传递规律，灰土桩复合地基在水平荷 载作用下工作性状以及含灰量对灰土桩工程性能的影响等 3 0 ，3 i j 。 1 3 本文主要工作 在地质条件差的软弱地基上修建建筑物时，常会遇到地基强度和抗变形能 力不能满足设计要求的问题，因而，需要采取措施进行地基处理。其目的是提高 软弱地基的强度，保证地基的稳定及降低土的压缩性以减少基础的沉降和不均 匀沉降。迄今，工程界已发展了许许多多地基处理的方法，其中，石灰桩作为一 种技术可靠、快速加固软弱地基的方法得到了广泛应用，取得了良好的经济效益 1 4 1 6 j 。尤其是在石灰盛产地区，使用石灰桩复合地基既做到了安全使用、技术 先进，又做到了因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源等。特别是较其它工 艺、材料的地基处理方法大大地降低了造价，节省了费用。不失为一种先进、经 济的地基处理方法。 鉴于此，本文在已有的研究基础上，通过室内试验研究，考虑在不同压力、 不同粒径以及不同的生石灰和水泥的配合比来进行分组试验，对生石灰膨胀性 能进行了较为深入的研究，主要包括以下工作： l 、根据工程实践以及查阅的国内外有关资料，了解目前国内外石灰桩加固 地基的现状，从而可以总结其中的成功经验，分析其中失败的原因，为以后的工 程实践提供借鉴。同时，通过部分外文资料的查阅，能够了解此工艺在国外的应 用现状，从而可以找出差距，有利于取长补短。特别是与日本等国比较，在石灰 桩应用对象及高机械化的施工工艺方面，我国现况差距甚大，因此必须加以分 析，吸取其成功经验，创造一套适合我国国情的设计方法和施工工艺。 2 、在一些影响石灰桩膨胀因素变化的情况下进行试验，探讨石灰桩体积膨 胀系数? 7 ( 石灰桩桩体膨胀后体积与膨胀前体积之比) 与约束力( 地层中土体 ，if i 灰膨日i ，t r | i 式验硼f 究及其存地填处理- l - 的府j j 侧压力) 的关系。 3 、结合土力学相关理论，若用生石灰桩法处理地基，探讨生石灰的体积膨 胀系数7 7 与深度z 的关系，并通过工程算例检验，证明较之以前经验值的差异。 4 、利用弹性理论求解，得到了桩膨胀压力与挤密效果的关系。求桩孔孔径 与地层中土体侧压力之间的耦合解，该解中的桩膨胀压力与地层土质的特性参 数z 、j l l 、孔边水平位移及孔的初始直径有关。从而在理论上寻求规律，这较之 以前的经验法更接近实际，也是作者对该问题探讨时的新做法。 硕十学位论文 第2 章生石灰桩膨胀加固机理及理论分析 2 1 石灰桩膨胀加固机理 石灰桩既有别于砂桩、碎石桩等散体材料，又与混凝土桩等刚性桩不同。其 主要特点是在形成桩身强度的同时也加固了桩间土。当用于建筑物地基时，石灰 桩与桩间土组成复合地基共同承担上部结构的荷载。在加固机理上，石灰桩与古 老的石灰掺填法及现代的石灰桩法有共同之处，它们都是利用石灰、水和土的基 本作用，但在作用的贡献上却有所不同 2 4 j 。这里就石灰桩加固地基的机理进行 探讨。 生石灰吸水熟化后，桩体体积发生膨胀。关于生石灰吸水膨胀的机理和规 律，国内外许多专家曾进行过大量的研究工作，认为生石灰体积膨胀的主要原因 是固体崩解和孔隙体积增大，同时颗粒比表面积增大，表面附着物增多，使固体 颗粒体积增大。从化学反应式c a o + h 2 0 一c a ( o h ) 2 + l5 6 千卡摩尔也可以看出，c a o 水化消解成c a ( o h ) 2 时，理论上体积增大约l 倍，如表2 1 所示。 表2 1生石灰与水的化学反应方程式 化学应式c a 0 + h 2 0 c a ( o h ) 2 + 1 5 6 千卡摩尔 从大的方面讲，石灰桩加固软土的机理可分为物理加固和化学加固两个作 用，物理加固作用包括吸水作用、膨胀挤密作用、石灰桩的排水固结作用等，物 理加固作用的完成时间较短，视土的含水量和渗透系数而定，一般情况下7 天以 内可以完成。此时桩身的直径和密度已定型，在夯实力和生石灰膨胀力作用下， 7 l o 天桩身已具有一定的强度；化学加固作用包括反应热作用、离子交换作用、 凝胶作用，石灰桩的化学作用速度缓慢，桩身强度的增长可延续3 年甚至5 年 1 1 。 此外，石灰桩对土的加固作用还包括成孔时对土的挤密作用和桩身置换作用。 2 1 1 物理加固机理 1 、挤密作用 大量的原位测试及土工试验分析表明，石灰桩桩体吸水后膨胀，对桩边定 范围内的土体显示了较好的加固效果，经挤密后桩间土的强度为原来强度的 ，l 石灰肜f j | ：忭试验驯究及l ( 丌地! ：处珊- - 的j j 讲j 1 1 1 2 倍。 2 、高温效应 桩体内的生石灰水化放出大量的热量，桩内温度最高达2 0 0 6 0 0 ，桩 间土的温度最高可达5 0 以上 4 3 】，升温可以促进生石灰与粉煤灰等桩体掺合料 的凝结反应，高温引起了土中水分的大量蒸发，对减少土的含水量，促进桩周土 的脱水起了积极作用。 3 、置换作用 石灰桩作为竖向增强体与天然地基土体形成复合地基，使得其压实模量大 大提高，工后沉降减少，而且复合地基抗剪强度显著提高，稳定、安全系数也得 到提高。 4 、排水固结作用 由于桩体采用了渗透性较好的掺合料，因此石灰桩体不同于深层搅拌水泥 土桩桩体，石灰桩桩体的渗透系数在4 0 7 l o 一2 6 1 3x1 0 5 之间 4 6 j ，相当于 粉砂、细砂的渗透系数，是粘土、亚粘土的渗透系数的1 0 1 0 0 倍 2 9 ，说明石 灰桩桩体排水作用良好，有利于桩间土的排水固结。 5 、加固层的减载作用 生石灰的密度为o 8 9 c m 3 ，掺合料的干密度为o 6 o 8 9 c m 3 ，显著小于土 的密度。即使桩体饱和后，其密度也小于桩间土的天然密度。因此，当采用排 土成桩时，相当于加固层的自重减轻，且因为桩有一定的长度，作用在桩底平面 的自重应力也将减小。 6 、生石灰的置换作用( 复合地基作用) 在能保证施工质量的前提下，桩身具有相当高的强度，约为o 3 m p a 1 o m p a ，比桩间土强度高的桩身可承受比土体大好几倍的外荷载。据国内实测数 据，石灰桩复合地基的桩土应力之比可达2 5 5 o 4 3 j ，桩土弹性模量之比可达 4 6 倍，由于石灰桩的抗压强度