深层搅拌石灰桩加固软土地基

[摘要]论述了深层搅拌石灰桩的强度形成机理，加固公路软基的有效性和应用条件。该方法具有设备简单、施工方便、经济效益好的特点。
[关键词]公路软基；复合地基；深层搅拌石灰桩

在高等级公路中，许多涵洞、通道、挡土结构和其他结构物都位于软基或松软厚杂填土上。当工期较短时，成为许多施工单位和设计单位的棘手问题。针对这一问题，采用生石灰深层搅拌桩(简称石灰搅拌桩)处理软土地基，具有技术简单可行、经济合理的特点，能有效加固软土地基，减少软土沉降和整个工程的工后沉降，提高软土层的承载力。

1生石灰在软粘土地基上的基本作用

根据设计确定石灰搅拌桩钻机位置，开动搅拌机，钻进时注入压缩空气体，待加固土体原位扰动。当钻至设计标高时，钻机的钻头反转，在提升的同时，生石灰由压缩空气体输送，向着钻头搅拌叶片转动产生的空间隙喷入搅拌土中，使土与石灰充分混合，形成整体性好、水稳性好、有一定强度的灰土堆。

通过机械搅拌，将软土重塑并掺入适量的石灰，石灰与软土矿物反应形成不溶于水的复合硅酸钙凝胶，将土粒粘结在一起。硅酸钙凝胶起到包裹和链接作用，形成网络结构，在土颗粒之间相互渗透，使土颗粒之间连接牢固，改善土的物理力学性质，发挥石灰固化剂的加固作用。

要形成硅酸钙凝胶，只有有足够的水将Ca2+和OH-1离子转移到粘土颗粒表面才能实现。利用土壤颗粒、水和石灰之间的化学反应来达到这一目的，从而改善土壤的性质。具体来说，石灰对软土的基本作用如下:

(1)生石灰与地基软粘土用力搅拌均匀，很快发生水化，形成Ca (OH)。2.生石灰变成熟石灰的过程中，产生的热量促进水分蒸发，使软土地基含水量降低，同时石灰体积膨胀，膨胀力所做的功转化为周围土体的变形势能。如广东省云浮硫铁矿专用线有一座4.5m的盖板涵基础，采用石灰粉深层搅拌处理。钻头的直径是500mm。石灰桩成型后，在粉砂层中直径增加到520毫米，在软土层中直径增加到600-700毫米。增加了桩身的体积，起到了压实周围土体的作用。

(2)熟石灰的Ca2+离子在水的作用下与软土颗粒发生絮凝反应。这个反应过程减小了软土颗粒的水膜厚度，降低了土的塑性，增加了土颗粒之间的粘结力，提高了土的强度和水稳定性。

上述两个化学反应过程主要发生在生石灰与软粘土强制搅拌混合后的几个小时内，是石灰对软粘土的早期基本作用。

(3)熟石灰与粘土颗粒中的活性硅铝矿物缓慢反应，在此过程中从熟石灰浆中吸收水分，形成晶体和铝酸盐及水合硅酸钙，改变了粘土的结构。这个反应过程会持续几年，是石灰对软粘土的后期作用。

2.石灰搅拌桩桩体排水固结

通过对一些工程中石灰搅拌桩的观测，发现施工期桩的含水量总是很高，直观地表现为桩顶垫层上有明显的圆形湿痕，说明桩的含水量和渗透系数高于桩间土。由于桩料混合不均匀，配合比和外加剂不同，冲洗得到的桩身渗透系数为4.07× 10-3-10-5 cm/s，与粉土和细砂的渗透系数相当，比粘土和亚粘土的渗透系数大10 ~ 100倍，说明石灰桩身具有良好的排水固结效果。

图1为石灰搅拌后软粘土地基的渗流增长情况，k为渗透系数。使用10%

当生石灰作为固化剂时，软粘土的渗透系数随时间线性上升；当使用10%水泥作为固化剂时，软粘土的渗透系数随时间线性减小。石灰适用于塑性指数高的软粘土地基，水泥适用于塑性指数低的软粘土地基。在相同条件下，石灰处理的临时加固效果在最初几个小时内明显快于水泥处理。

值得注意的是，当石灰搅拌桩的渗透系数K值足够小(如软粘土地基)，桩的直径D足够大(如d≥50cm)时，即使桩在水下，也不能形成充分供水的条件，石灰搅拌桩的含水量与初始含水量相比仍大大降低。天津塘沽软土路基试验，石灰桩挖了五年，发现桩身还是很硬。一份日本资料说，即使在含水量高达100%的软土中，石灰桩体的强度也比周围的土高10倍。