城市轨道交通路基工程课件：石灰桩

城市轨道交通路基工程

石灰桩一、概述

1、石灰桩的概念

石灰桩是在软弱地基中成孔后填入适当粒度的生石灰并逐段夯实成为桩状的柱体。相应地叫石灰桩处理加固方法。为提高桩身强度，还可掺入适量的石膏、水泥等外加剂。2、适用范围

江、河、滨冲积层、滨湖区近代湖积层及冲积层等软弱土层分布区。包括杂填土、素填土、粘土、淤泥土、淤泥质土、粉土等，还适于砂土和透水性大的砂质土、粉土等，加固深度从几米到十几米。不适用于地下水位下的砂类土。3、施工方法分类(按用料及施工工艺)1)石灰桩法(或称块灰灌入法):

用钢套管成孔后，灌入新鲜生石灰块或再掺入适量水硬性掺合料(粉煤灰和火山灰)

，一般经验配合比7：3或8：2。在拔管的同时进行振密成桩。2)石灰柱法(亦称粉灰搅拌法):

主要通过特制的搅拌机将石灰粉加固原料与原位软土搅拌均匀，促使软土硬结，形成力学性能较强的石灰(土)柱—（实际上是粉体搅拌法的一种）。3)石灰浆压力喷注法:采用压力将石灰浆或石灰－粉煤灰混合浆喷注于地基土的孔隙内或预先钻孔之内，使浆体在地基中扩散和凝固硬化而达到加固的目的——（该种处理方法实质是压力注浆法的一种）。

石灰桩加固地基的机理包括

成孔挤密作用;

桩料吸水膨胀挤密作用;

桩周土脱水固结作用;

桩身置换作用;

胶凝强化作用等方面。二、加固机理

可以从桩间土、桩身及复合地基三方面加以归纳分析。

1)成孔挤密作用（物理加固效应）1、桩间土挤密、固结作用

桩孔是通过对钢管的振动或打入完成的。

当钢管被打入土中时，由钢管所置换的土体挤入四周土体内，使得桩周土得到挤密，挤密效果除了与石灰桩的置换率有关外，还与原地基土的渗透性能及地下水状况(水位)有关。当然，如果采用排土成孔方法时，则不存在挤密效应。2)桩料吸水膨胀挤密作用（物理加固效应）

例如，广东某硫铁矿专用线有一座4.5m盖板涵基础采用石灰喷粉深层搅拌处理软基，钻头直径50cm，成桩后粉砂层中直径增为520mm，软土层中直径增大为60-70cm，桩体体积增大，对周围土起了良好的挤密作用。

成孔后，灌入桩孔中的石灰桩吸水包括两个部分：一部分是CaO的水化反应吸水；另一部分是石灰桩本身的水化产物Ca(OH)2的孔隙吸水。1kg的CaO完全潮解的理论吸水量是0.32kg

，且生成的Ca(OH)2不含水，它会继续从四周土中吸取水分，储存在桩体孔隙中。吸水后桩体发生的膨胀使桩间土产生强大的挤压力而使其获得密实效果。(生石灰在熟化之后的体积可达到原体积的1.5～3.5倍)。3)脱水挤密固结作用（物理加固效应）①石灰桩吸水后，桩间土的含水量必然降低。

桩身吸水必然对应桩周土的脱水

土颗粒靠拢挤密、固结。②另一方面，生石灰吸水反映后产生的热效应造成水体蒸发，进一步促进了桩固土体中水的脱出。

桩周土含水量

、孔隙比

，

土体密实度提高，强度

。

石灰桩的含水量和渗透性均大于桩间土，如果桩体内再掺和一部分煤渣、矿渣、钢渣等粗颗粒时，排水固结的作用更加显著。体现在两个方面。1)对下卧层的减载作用（物理加固效应）2、桩体减载与硬化加固作用

石灰的重度为8kN／m3，显著小于土的密度。即使桩体饱和后其重度约为14kN／m3，仍然小于土的天然密度。当采用排土成桩时，加固层的自重减轻，作用在桩底平面的自重应力显著减少，可减少桩底下卧层顶面的附加压力。当采用不排土成孔时，对于杂填土、砂类土等，由于成孔挤密了桩间土，加固层的重量变化不大。2)胶凝加固效应（化学加固效应）

桩体吸水后，其溶液中随钙离子(Ca2+)的增多变为碱性环境，

一部分钙离子(Ca2+)又与桩周土中的SiO2及Al2O3发生反映，生成结构较复杂的硅酸钙水化物(CaO·SiO2·nH2O)、铝酸钙水化物(CaO·Al2O3·nH2O)

以及钙铝黄长石水化物(2CaO·Al2O3·SiO2·6H2O)，这些水化物又牢牢地将其周围土颗粒胶结、固化在一起，形成网状结构

土颗粒间联系的更加牢固、强度大大增加强，并与时间成正相关。3)离子交换作用（化学加固效应）

生石灰吸水后，一定条件下电离出的Ca2+与粘土表面阴离子交换并吸附在土颗粒表面上

增大了钙质结核团粒，使土中颗粒相对含量下降

土力学性能改善。当桩体内掺入粉煤灰、火山灰等掺合物之后，在整个桩体内的这种离子交换作用、胶凝作用、胶凝作用也同时会发生，使桩体的后期强度比单纯的石灰桩更高。4)碳酸钙化作用（化学加固效应）

石灰与土体中二氧化碳气体反应

生成不溶的碳酸钙，在桩身外产生一个相对坚硬的外壳。石灰桩作为竖向增强体和天然地基土体组成复合地基。3、复合地基作用

试验和实践表明，当桩体吸水量过大，会在桩体内部形成“软心”，此时桩体就难以起到承重作用。

然而，当桩体夯填施工过程中，只要满足一定的初始填充密实度，并保证一定的封顶压力，桩体就完全可以避免“软心”现象的发生，而起到承重桩的作用，即置换作用。刚度较大的石灰桩体承受较大的应力，正常置换率下，石灰桩分担了30％以上的荷载，此时，与发生了挤压密实效用的桩间土共同作用，支承载荷，发挥着复合地基的作用。三、设计计算要点1、桩料要求及配比石灰桩的主要固化剂为生石灰(CaO含量＞70%,粒径≤70mm,含粉量≤15%)。掺合料宜优先选用粉煤灰、火山灰、炉渣等工业废料。生石灰与掺合料的配合比宜根据工程地质情况确定，生石灰与掺合料的体积比可选用1：1或1：2。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，掺加量为生石灰用量的3%～10%。2、成孔直径3、布桩及桩距4、布置范围300～400mm，具体取决于成孔管的管径；

可按等边三角形或距形布桩，桩间中心距取成孔直径的2-3倍；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，宜在基础以外布置1～2排围护桩；5、桩长6、桩顶上部处理7、桩端持力层选择

洛阳铲成孔时，桩长≤6m；机具成孔管成孔时，桩长≤8m；螺旋钻成孔时，桩长可适当加长。

当地基需排水通道时，在桩顶上部设200-300mm厚的砂石层。

选在承载力较高的土层中。对深厚的软弱地基，采用“悬浮桩(端部未触及持力层)”时，减少上部结构重心与基础形心间的偏心距。1）特点四、施工工艺：1．管外投料法

石灰桩体中一般均含有大量的掺和料，掺料不可避免有一定含水量，当掺料与生石灰拌和后，内中的水分会迅速发生反应，生石灰体积膨胀，极容易发生堵管现象。

管外投料法避免了堵管，可以利用现有的混凝土灌注桩设备施工。但在软土中成孔时容易发生塌孔或缩孔现象，且孔深不宜超过6m。桩径和桩长的保证率也相对较低。2)施工方法3)工艺流程

采用打入、振入、压入的灌注桩设备均可施工。桩管采用200～325mm无缝钢管。为防止拔管时孔内负压进入造成塌孔，采用活动式桩尖，拔管时桩尖靠自重落下，空气由桩管进入孔内，避免负压。桩尖角度一般为45°、60°、90°。土质较硬时用小值。

桩机定位

沉管

提管

填料

压实

再提管

再填料

再压实，这样反复几次，最后填土封口压实，一根桩即告完成。4)施工控制2)打桩顺序。应尽量采用封闭式，即从外圈向内圈施工。桩机宜采用前进式，即刚打完的桩处于桩机下方，以机身重量增加覆盖压力，减少地面隆起量。为避免生石灰膨胀引起邻近孔塌孔，宜间隔成孔成桩。1)灌料量控制。控制灌料量的目的是保证桩径、桩长和桩体密实度。影响灌料量因素很多(桩周土强度、压实次数、设计桩径、桩管直径等)。确定灌料量时，先根据设计桩径计算每米桩料体积，然后乘以1.4的系数作为每米灌料量。石灰桩施工顺序图3)技术措施。①生石灰与掺料的拌和不宜过早，随灌随拌，以免生石灰遇水膨胀影响质量。②

孔口土封顶宜用含水量适中的土，封口高度不宜小于0.5m，孔口封土标高应高于地面，防止早期地表水浸泡桩顶。③

遇有地下障碍物时，技术人员在现场可根据基础尺寸、荷载等因素适当变动桩位。正常情况下，桩位偏差不宜大于10cm，倾斜度不大于1.5％，桩径误差不大于±3cm，桩长误差不大于±15cm。④大块生石灰必须破碎，粒径不大于10cm。生石灰在现场露天堆放时间视空气湿度及堆放条件确定，一般不长于2～3天。桩顶应高出基底标高10cm左右。

管内投料法适用于地下水位较高的软土地区。管内投料施工工艺与振动沉管砂石桩的工艺类似。2．管内投料法

工艺流程：桩机定位

沉管

灌料

拔管

成桩

反压

封口压实。3．挖孔投料法1）优点。利用特制的洛阳铲人工挖孔、投料夯实，是广泛应用的一种施工方法。由于洛阳铲在切土、取土过程中对周围土体的扰动很小，在软土甚至淤泥中可保持孔壁稳定。该施工方法避免了振动和噪声、能在狭窄场地和室内作业，造价低、工期短、质量可靠。因此，适用的范围较大。2）限制。挖孔投料法主要受深度的限制，一般情况下桩长不宜超过6m。在地下水位下的砂类土及塑性指数小于8的粉土中则难以成孔。3）工艺流程。定位

钢钎或铁锹开口(深度50cm左右)

人工洛阳铲成孔

孔内抽水

孔口拌和桩料

下料

夯击

再下料

再夯实

封口填土夯实。五、施工注意事项1、注意施工顺序单排布桩时，先打两端，后打中间，并间隔1～2孔跳打进行。对软粘土地基，除间隔跳打外，还应间歇28天后再按设计间距补桩。

这些措施也有利于提高桩间土对桩身的约束力。一般宜先加固四周，后加固中间、先打外排桩，后打内排桩；2、注意选择成孔方法

有沉管法、冲击法、螺旋钻进法；爆扩法、挖孔法多种。

1)

沉管法:最常用。将由特制的尖头钢管打入设计深度成孔;

2)

冲击法:锥形钻头提升到一定高度自由落体冲击成孔;

3)

螺钻进法:类似螺丝钉钻进，使土不断向两侧挤压并成孔;

4)

人工洛阳铲掏土成孔。

5)

爆扩法：用钻机或洛阳铲等打成小孔，然后装药，爆扩成孔；药眼爆扩法成孔施工流程图(a)打小药眼孔;(b)装填炸药;(c)引爆成孔。1-药眼；2-钢钎；3-炸药；4-封土层；5-导火线；6-所成桩孔；7-削土层。

药管爆扩法成孔施工流程图(a)产挖土孔;(b)装填炸药;(c)引爆成孔。1-土孔；2-填砂；3-炸药管；4-封土；5-导火线；6-所成桩孔；7-削土层。

3、成桩1)逐段填料夯实成桩(人工填料，逐段夯实。每段填料需厚度≤400mm，施工时要做好场地排水措施，防止积水);

2)

桩位偏差不大于桩径的一半(0.5d);

3)

做好施工记录，监督成桩质量;

4)

封顶(垫层封顶、夯实)4施工前进行成桩试验和材料配比试验

成桩试验和材料配比试验既可以验证设计的合理性和成桩工艺的适宜性，还可以具体确定合理的成桩参数。

如桩身材料配合比，填料数量、气压和夯击参数等，了解施工时可能发生的问题和决定相应的解决措施。5应注意石灰桩施工过程中的“

(放炮)”现象

“冲孔”是指由于孔内进水使生石灰与水迅速反应，其温度高达200~3