擴徑石灰樁復合地基現場試驗與數值模擬

程 志， 熊志武， 芮 瑞， 鄭曉敏

(1. 廣東電網有限公司廣州供電局 a. 規劃研究中心； b. 基建部， 廣東 廣州 510620；2. 武漢理工大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430070)

石灰樁法是在用機械或人工方法成孔后，將不同比例生石灰和摻合料(粉煤灰、爐渣土)振密或夯實后形成石灰樁樁體，樁體與樁間土形成石灰樁復合地基，二者共同承擔上部結構傳來的荷載，以提高地基承載力、減小和控制沉降量的不良地基處理技術[1～3]。石灰樁法處理軟弱地基是工程中常見的手段，具有原料供應方便、施工速度快、振動小等特點。在該技術應用中，其通過生石灰吸水分解、膨脹作用，使樁間土在此過程中脫水、擠密，并獲得更高強度，非常適合應用于處理飽和黏性土、淤泥、淤泥質土、素填土和雜填土等地基。相關學者通過現場與室內試驗、數值模擬對石灰樁加固復合地基的機理、效果以及影響因素展開研究。

針對石灰樁加固機理及影響因素，學者們進行了大量研究。陳善雄[4]綜述了石灰樁加固軟弱地基的機理和石灰樁復合地基的形狀，指出樁徑、樁距、填料配比、灌灰方法都會對石灰樁的加固效果產生影響。林彤等[5]進行了粉煤灰與生石灰加固土的室內配方試驗，分析了石灰加固土強度與生石灰摻入比和齡期的關系。向瑋等[6]通過現場試驗對變徑水泥土攪拌樁處理橋頭軟基展開研究，對變徑攪拌樁的樁身強度、樁身均勻性和承載性能進行了研究，表明樁體中的水泥摻入量保證了樁身質量，特別是深部樁體的質量，28 d齡期樁體的強度和均勻性較7 d均有較大提高。王梅等[7]通過壓汞試驗和掃描電鏡的手段，分析了生石灰與粉煤灰樁加固軟土地基前后土微觀結構和孔隙特征的變化。計雅筠等[8]使用生石灰樁整治膨脹土地區鐵路基床軟化，得到了顯著的改良效果。由于生石灰膨脹特性與用其進行地基處理的效果直接相關，許多研究工作針對生石灰膨脹的影響因素展開。米海珍等[9～11]對生石灰的膨脹性進行了試驗研究，得出了生石灰樁體積膨脹系數和平均吸水率，為不同場地條件下生石灰樁擠密處理效果提供了計算依據。常春普等[12]依托基床軟化的工程實例，對四種樁徑生石灰樁處理基床軟化方案進行數值模擬以確定最佳加固方案。結果表明生石灰樁是處理基床軟化的有效措施，增大生石灰樁樁徑可以顯著改善基床軟化沉陷的現象，但一味地增大樁徑效果不明顯。

然而，傳統的石灰樁復合地基仍然存在機械化施工程度低、施工粉塵污染大、施工工期長和軟芯等不利因素。本文通過現場試驗對開發的擴徑石灰樁成套裝備及施工技術進行了檢驗，采用水泥替代粉煤灰以提高石灰樁樁體的水硬性，減小石灰樁軟芯的影響。采用試驗前后的鉆孔取芯試驗、靜力觸探等方法對加固效果進行了檢驗。利用現場試驗獲取擴徑石灰樁相關力學參數與擠密后樁間土的力學特性，采用基于Biot固結理論的流固耦合有限元法對現場試驗進行模擬，分析擴徑石灰樁復合地基參數對沉降的影響，得到了石灰樁各參數與軟土地基沉降的關系。

1 工程實例

1.1 工程概況

項目所在地廣州市南沙區八涌東路南側，場地地形較為平坦，擬建 110 kV保稅輸變電工程占地面積3702.112 m2，總建筑面積3554.80 m2。項目所在地存在深厚軟土層，上方已堆填約2.5 m填土，通過堆載預壓減少后期固結沉降。場地地貌類型為珠江三角洲沖積平原區，擬建項目范圍內存在深厚的海陸交互軟土，淤泥質土與淤泥質粉砂互層。軟土層含水量高，具有壓縮性高、抗剪強度及承載力低的特點；固結時間長，加載后變形量大；具高流變性，易產生滑移破壞，地震時易出現震陷，易產生地面不均勻沉降，對場地的穩定性有較大影響。

圖1 現場試驗場地鉆孔地層/m

本次試驗前對6個靜探孔進行了測試，各孔觸探深度為0.1～8.0 m，結合側壁摩阻力和摩阻比與深度的關系曲線，進行試驗場地地基土土層劃分，與前期勘察結果一致。場地自上而下土層可以分為2層，深度0.0～2.4 m，為雜填土，深度2.4～8.0 m，為淤泥及含淤泥粉砂層。

1.2 石灰樁復合地基現場試驗

現場試驗地位于110 kV保稅輸變電工程部分，在擴徑石灰樁施工前，對地基土現場進行鉆孔取樣、靜力觸探試驗。試驗采用樁徑300 mm，樁長8 m的石灰樁(場地雜填土平均厚度約為2.0 m，有效加固樁長6 m)，按照500，700，900 mm的不同樁間距布設28根。擴徑石灰樁現場試驗樁位、鉆孔及原位測試孔布置見圖2，現場試驗照片見圖3。

圖2 現場試驗樁位與鉆孔、原位測試孔布置/mm

圖3 石灰樁現場試驗

石灰樁的主材料選用生石灰，水硬性摻合料選用P.C32.5R復合硅酸鹽水泥，生石灰與摻合料的配合比為質量比1∶1。成樁采用振動打樁機，內徑300 mm高度9 m的鋼管。打樁機夾緊沉管后將樁穩定勻速壓入地基中，放置填料漏斗，向管內填料，期間分次拔管，同時進行逐段振密壓實，直至成樁后上填一定厚度的粘性土夯實封頂，依次由外向內完成28根石灰樁。施工完畢28 d后，進行石灰樁取芯與樁間土鉆孔取樣，并在試驗前靜力觸探孔位置進行樁間土的靜力觸探試驗，利用取得的芯樣開展無側限抗壓試驗等相關室內試驗。

2 現場試驗結果分析

2.1 膨脹結果分析

石灰樁設計樁徑為300 mm，成樁28 d后，對樁徑進行量測。測得膨脹后的最小樁徑為360 mm，最大樁徑為420 mm，樁徑膨脹量為設計樁徑的1.2～1.4倍，體積膨脹1.4～1.9倍，樁身膨脹時也擠密了樁間土。樁頂膨脹情況見圖4。

圖4 石灰樁樁身直徑膨脹量

2.2 靜力觸探結果分析

石灰樁深度范圍典型的現場靜力觸探試驗結果單孔曲線柱狀圖見圖5。由錐尖阻力和側摩阻力曲線進一步將土層進行細化，本場地為淤泥和含淤泥粉砂互層地層。

圖5 現場試驗場地靜力觸探單孔曲線柱狀圖

施工前后不同樁間距條件下的靜力觸探試驗比貫入阻力見圖6。從圖6可以看到，施工前后樁側淤泥質土層和含淤泥粉砂層的錐尖阻力及側摩阻力均有了顯著提高。隨著樁間距由500 mm增加到700，900 mm，石灰樁擠密效應對比貫入阻力的提高幅度從111%分別降低到40%，12%，側摩阻力提高幅度從340%分別降低到111%，80%；而對于含淤泥粉砂，對于樁間距分別為500，700，900 mm，比貫入阻力的提高幅度僅為5.7%，35%，4.4%，側摩阻力提高幅度分別為6.7%，27%，50%。

圖6 加固前后地基土靜力觸探數據對比

參照廣東省標準DBJ/T 15-60-2019《建筑地基基礎檢測規范》的規定，按擴徑石灰樁施工靜力觸探測試結果估算地基土承載力特征值以及變形模量，估算結果對比見圖7。

圖7 加固前后地基土承載力特征值與地基變形模量

如圖7所示，石灰樁加固后的淤泥地基承載力特征值由不足30 kPa均提高到了34 kPa以上，地基土變形模量普遍提高到了1.6 MPa以上。隨著樁間距由500 mm增加到700，900 mm，淤泥地基承載力提高幅度從85%分別降低到31%，12%，地基土變形模量提高幅度從63%分別降低到27%，8%；而對于含淤泥粉砂，擠密加固的提高幅度不明顯。

可以看出，石灰樁法有效提高了樁間土的強度和抗變形能力。隨著石灰樁間距的增加，擠密效果逐漸降低，石灰樁擠密效應對淤泥的加固效果更加明顯。

2.3 取芯試驗結果

采用Φ50環刀取石灰樁芯樣進行無側限抗壓強度試驗，試驗前后芯樣照片見圖8。極限荷載平均值0.642 MPa，采用水泥作為摻合料的石灰樁強度較粉煤灰摻合料石灰樁有較大幅度的提高。

圖8 石灰樁填料28 d無側限抗壓強度試驗照片

石灰樁承載力受樁身強度控制，因此單樁設計值Q采用GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規范》第8.5.11條規定，如式(1)所示。

Q≤Apfcφc

(1)

式中：Ap為石灰樁截面面積；fc為單軸抗壓強度，采用無側限抗壓強度試驗結果代替；φc為經驗系數，取0.75。計算得到的單樁設計值為43.34 kN。

石灰樁復合地基承載力特征值fspk采用DB33/1051-2008《復合地基技術規程》第11.2.1-1條計算：

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk

(2)

式中：m為石灰樁面積置換率；Ra為石灰樁單樁承載力特征值(采用單樁設計值代替)；β為經驗系數，取0.75；fsk為地基土承載力特征值。

估算得到石灰樁間距500 mm的地基承載力為191 kPa，間距700 mm的地基承載力為111 kPa，間距900 mm的地基承載力為78 kPa。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

采用試驗場地土體參數，結合現場試驗石灰樁布置，建立石灰樁復合地基數值模型。不同樁間距模型尺寸見表1，模型網格劃分圖見圖9。

表1 石灰樁復合地基模型尺寸

圖9 石灰樁復合地基網格劃分

3.2 參數選取及計算方案

本研究的石灰樁以及地基土參數參照現場試驗和室內試驗結果，相關地質參數根據勘察報告《110千伏保稅輸變電工程巖土工程勘察報告(可行性勘察)》進行選取。地層計算參數如表2～4所示。

表2 模型主要物理力學參數

建立模型后，進行地應力平衡運算，形成土體初始應力場；施工上部填土，填土厚度取2.0 m，計算填土堆載2年后固結沉降；進行石灰樁施工，激活樁土界面單元，激活樁間土擠密后參數，計算成樁10年后固結沉降并計算穩定后的最終沉降。

表3 不同樁間距下樁間擠密土參數

表4 石灰樁參數

3.3 石灰樁加固效果及樁間距影響

采用石灰樁加固地基可顯著減小地表沉降。以試驗一為例，圖10為試驗一仿真模擬沉降云圖，填土堆載2年后地表沉降為120.93 mm，采用擴徑石灰樁處理后，繼續固結10年的地表沉降值為295.27 mm，最終沉降量為416.82 mm。針對試驗一的對比仿真模擬結果，不采用石灰樁處理，填土堆載2年后地表沉降為119.93 mm，再繼續堆載10年后地表沉降值為265.67 mm，最終沉降量為435.56 mm。擴徑石灰樁地基處理采用不同的樁間距對地表沉降影響也不同，統計三組試驗仿真模擬結果沉降值，列于表5，石灰樁間距與沉降差值關系圖見圖11。

表5 地表沉降量對比 mm

圖10 試驗一(樁距500 mm)沉降云圖

隨著石灰樁間距的增大，沉降量差值不斷減小；繼續固結10年后的沉降量差值(工后沉降)，樁間距為500 mm時，加固后的沉降量差值大于未加固沉降量差值，但最終沉降量差值減少；樁間距700 mm時，加固后的沉降量差值幾乎等于未加固沉降量差值。樁間距900 mm時，加固后的沉降量差值小于未加固沉降量差值；采用加固措施后的最終沉降量差值要小于不采用加固措施所得到的地基最終沉降量。

擴徑石灰樁施工過程中，采用鋼筒擠壓淤泥質土成孔，并填入石灰樁材料，增大了地層的附加荷載。而樁間距越小，單位體積土體內填入石灰樁材料量越多，附加荷載增加量越大，這導致隨著樁間距的增大，沉降量反而減小。

采用石灰樁加固上部土層，會增大石灰樁長范圍內的復合地基整體彈性模量，使得樁長范圍內復合地基在附加荷載作用下的變形減小，復合地基整體沉降變形減小幅度大于石灰樁自重引起的附加荷載導致的沉降增大幅度，使得加固后的最終沉降量小于未加固的最終沉降量。擴徑石灰樁復合地基的地表最終沉降量受石灰樁自重引起的附加荷載以及石灰樁加固范圍內復合地基彈性模量增大的雙重影響。

采用石灰樁加固后，由于石灰樁透水性較好，會減小淤泥質土的排水路徑(樁側淤泥土的水平向排水路徑，樁下側淤泥質土的豎向排水路徑)，使得固結速度加快。繼續固結10年后的地表沉降量影響因數，不僅受石灰樁自重引起的附加荷載(因數一)、石灰樁加固范圍內復合地基彈性模量增大(因數二)雙重影響，還受淤泥質土的固結程度影響(因素三)。繼續固結沉降10年時，當石灰樁樁距為500 mm時，在因數一與因素三的聯合作用下對沉降量的影響程度大于因素二，導致沉降量差值大于未加固土體；當石灰樁樁距為700 mm時，在因數一與因素三的聯合作用下對沉降量的影響程度與因素二幾乎相同，導致沉降量約等于未加固土體；當石灰樁樁距為900 mm時，在因數一與因素三的聯合作用下對沉降量的影響程度小于因素二，導致沉降量小于未加固土體。

總體上看，相對于未加固地基，采用石灰樁加固的地基最終沉降均會減小。一味的減小石灰樁樁距對于減小場地的總沉降量不利。

4 結 論

通過石灰樁復合地基現場試驗的數值試驗分析，可以得到以下結論：

(1)石灰樁復合地基通過石灰樁的吸水膨脹對樁間土產生擠密效果，有效提高地基承載力，擴徑石灰樁加固地基可顯著提高場地的承載力，減小地表沉降，對廣州番禺、南沙等地軟基處理提供方法參考。

(2)擴徑石灰樁地基處理采用不同樁間距對地表沉降影響也不同，由于擴徑石灰樁自身重量對地基產生附加應力影響，采用石灰樁法加固一味的縮減樁間距，會增加總沉降以及沉降速率。但總體上由于對地基土層的加固效應，在僅加固6 m的深度條件下，總沉降量仍會顯著減小。進一步增大樁長會取得更好效果。

(3)擴徑石灰樁復合地基提高了場地土層的整體性，對防治場地不均勻沉降具有可預見的積極作用，但單元體數值模擬難以對這一效果進行評估，有待進一步的研究。