石灰攪拌樁處理軟土地基技術探討

陸 偉

水利工程臨時設施施工過程中，常遇到不少預制場地、臨時設施基礎等結構物置于軟弱地基上或軟厚的雜填土之上，針對這個問題，可采用生石灰噴粉深層攪拌樁（簡稱石灰攪拌樁）進行軟土地基處理。這項技術簡單可行、經濟合理，能有效加固軟弱地基，減少軟土層沉降和整體工程工后沉降，提高軟土層的承載力。

一、石灰攪拌樁處理軟土地基的的基本原理

采用攪拌樁鉆機，鉆進時噴射壓縮空氣，使準備加固的土在原位受到擾動，隨著鉆進到設計標高，鉆機鉆頭反向旋轉，邊提升邊由壓縮空氣輸送生石灰，向鉆頭攪拌葉片旋轉產生的空隙部位噴入土體，使土體和石灰進行充分拌和，形成具有整體性好、水穩定性好和一定強度的石灰土樁。

石灰對軟土的基本作用如下：

（1）生石灰與地基軟粘土通過強制攪拌均勻，很快產生水化作用，形成Ca（OH）2。化學反應方程式為：CaO+H2O=Ca（OH）2；Ca（OH）2再與空隙中的CO2反應生成CaCO3，硬化了地基，化學反應方程式為：Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O。在生石灰變為熟石灰的過程中，產生的熱量促進水分蒸發，使軟土地基的含水量降低，同時石灰體積產生膨脹，此時膨脹力所作的功轉化為周圍土的變形位能。形成石灰樁之后，樁體體積增大，對周圍土起了壓密作用。

（2）熟石灰的Ca2+離子在水的作用下與軟土顆粒產生絮凝反應作用，這一反應過程使軟土顆粒結合水膜厚度減薄，土的塑性降低，土粒間的粘結力增加，土體強度和水穩定性提高。熟石灰與粘土顆粒中的活性硅鋁礦物進一步緩慢地產生化學作用，過程中又吸收熟石灰漿中的水分，形成結晶和生成鋁酸鹽和水化硅酸鈣，改變了粘土的結構。這一反應過程將持續數年，是石灰對粘土的后期作用。

二、石灰攪拌樁適宜的土質條件

石灰攪拌樁是靠石灰與土之間發生一系列物理化學反應而形成強度的，不同的土質會產生不同的加固效果。

粘土顆粒粒徑小，表面積大，疏散性大，穩固性差，容易和石灰產生反應，并且粘土較小的滲透系數常可使石灰攪拌樁含水量降低，所以石灰攪拌樁適合處理軟粘土地基。在軟粘土礦物成份中，高嶺土、伊利土和蒙脫土為三種重要的粘土礦物成分，而從結構、能量和成份三個方面又可以闡明蒙脫土最容易和石灰產生反應，例如對于淤泥質粘土土樣用X射線衍射礦物分析，穩固性好的礦物石英含量在40%以上，高嶺土和伊利土含量為40%，把其中一段大氣干燥的淤泥粘土石灰攪拌樁鉆取試樣放入水中，約一個多小時就完全崩解為泥漿，崩解速度和一般粘土十分接近，說明了這類粘土恰恰缺乏蒙脫土類粘土礦物，石灰較難和土產生化學反響，不能大批生成碳酸鈣等膠結物質，致使石灰攪拌樁強度較低，也說明石灰攪拌樁適用于蒙脫土類礦物含量高的粘土地基。

三、生石灰劑量對石灰攪拌樁強度的影響

在同一生石灰含量的條件下，不同的土類具有明顯不同的抗壓強度，根據經驗得出:

（1）當生石灰含量在6%～18%的范圍內變化時，石灰攪拌樁仍保持原來土壤的特性。

（2）不同土性的石灰粉滲入量各有最佳滲入量區間，大于或小于這一區間的滲入量，都得不到經濟的加固效果。

（3）生石灰的膨脹力與其含量成正比，但膨脹應力的大小，卻與其有效氧化鈣含量、約束力的大小和方向、熟化的快慢有關。

四、石灰攪拌樁與樁間土的復合地基效應

生石灰加固軟弱地基后，石灰攪拌和未加固部分地基土形成復合地基，復合地基的強度包含攪拌樁樁體的強度和樁周土粘聚力增長后的強度，石灰攪拌樁和四周地基相比具有更高的抗剪強度。和生石灰攪拌樁鄰接的樁周土，由于拌合時產生的高溫暖凝聚反應形成厚度達數厘米的高度硬殼，此層硬層影響了石灰攪拌樁的吸水和排水，尤其是后期排水，但在施工期內此層硬殼尚未形成，排水功效是可以發揮的。從一些工程的天然土和單樁復合地基荷載實驗中，發現石灰攪拌樁復合地基加荷后穩固時間較天然土基為短，也就證實了石灰攪拌樁的排水固結作用。

石灰攪拌加固后的地基，樁體強度高于樁間土。因此，在工程結構荷載和車輛荷載功效下，土體被壓縮，承載力主要靠樁體承擔。由于土相對于樁有向下滑動的趨向，樁面對樁周土產生一向上的摩擦阻力，故靠近樁周土的壓力值為向下的施工荷載值和向上的摩擦力兩部分之和。因此，靠近樁邊的土遭遇的壓力最小，樁間地基土應力降低，而石灰攪拌樁樁體產生應力集中現象，根據基礎底面樁和樁間土上埋沒的土壓力盒測定成果，得出樁體和樁間土的荷載應力分擔比n＝P/S=3～15（P為石灰攪拌承擔的應力，S為樁間土承擔的應力）。在用石灰攪拌樁加固公路軟基時，一般采用n=3～5較合適。

某一路堤地基用深層攪拌石灰樁處理軟土地基，該地基由高敏銳度的粉質軟粘土構成，厚度6～12m，抗剪強度10kPa，含水量60%，經室內實驗表明，用制備的石灰加固試樣測試其抗剪強度，在10d后增長到50kPa，三個月后測試強度增長到100kPa，在實驗路堤4m高的下面，石灰攪拌樁的設計間距為1.0～1.2m，樁長10m。經現場測試的沉降曲線表明，用石灰攪拌樁加固的地基沉降減少了大約60%，其沉降量為20～25mm，設計計算值和實測值吻合較好。

五、石灰攪拌樁的強度取決于軟粘土的含水量

石灰攪拌樁的強度能否形成和強度高低，與軟粘土的含水量有關。生石灰轉變為熟石灰以及繼續水化，都要吸收和蒸發軟粘土中的水份。因此，必須要有足夠的水供石灰水化，否則無法形成強度。另一方面水又不能過多，以使處于飽和狀態的軟粘土能夠因脫水而轉變成三相狀態，軟土中的空氣才能為碳酸化學反應提供足夠的二氧化碳，從而形成使灰土反應生成有一定強度的膠結物質條件，形成較高的強度。由于石灰攪拌樁中的水分在強度形成中得到消耗，灰土含水量就會大幅度減少，甚至由流動狀態轉變為硬塑乃至堅硬狀態，從而大大提高石灰土的強度。

通過在工程施工中對石灰攪拌樁觀測，在樁頂的墊層上直觀表現有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數均大于樁間土，得到施工期樁體含水量總是很高的結果。由于樁身材料拌合不均勻，以及摻合料、配合比不同，測得樁身滲透系數在4.07×10-3～4.07×10-5cm／s間，相當于細砂、粉砂的滲透系數，較粘土、亞粘土的滲透系數大10倍至100倍，說明石灰樁身排水固結作用較好。約用10%生石灰作固化劑時，軟粘土的滲透性系數會隨時間而直線上升；而用10%的水泥作固化劑時，軟粘土的滲透系數卻隨著時間而直線下降。說明石灰適合塑性指數較高的軟粘土地基，而水泥適合塑性指數較低的軟土地基。條件相同情況下，在處理臨時加固效果的前數小時內，用石灰處理效果明顯比水泥處理來得快。

值得注意的是，當石灰攪拌樁滲透系數K值足夠小（如軟粘土地基），而樁的直徑d又足夠大（例如d≥50cm時），即使樁處于水下，也不能形成充分供水的條件，石灰攪拌樁的含水量仍然較初始含水量大幅度減少。

六、工程應用

蕪湖發電廠五期泵房工程循環水管排水口地基處理均采用了石灰攪拌樁進行加固處理。通過在工程施工中對石灰攪拌樁觀測，在樁頂的墊層上直觀表現有明顯的圓形濕痕，表明樁體含水量及滲透系數均大于樁間土。處理后的地基整體性好，承載力顯著增強，取得了良好的技術和經濟效果