石灰樁

石灰樁是指用人工或機械在地基中成孔後，灌入生石灰塊（或在生石灰塊中摻入適量的水硬性摻合料，如粉煤灰、火山灰等），經振密或夯壓後形成的樁柱體。石灰樁可套用於道路、碼頭、鐵路、軟弱地基等加固工程及托換工程和基坑支護工程等。

基本介紹

• 中文名：石灰樁
• 外文名：Lime pile
• 定義：灌入生石灰塊經夯壓後形成的樁柱
• 作用：加固工程、托換工程等
• 主要參數：材料、樁徑、樁長等
• 所屬學科：工程技術

加固機理

石灰樁的加固機理可從樁間土、樁身和複合地基三個方面進行分析。

樁間土

1、成孔擠密作用

如果石灰樁施工是採用振動沉管法成孔，則會對樁間土產生擠密作用，其擠密效果與石灰樁的置換率、土質情況、上覆土壓力及地下水狀況等有關。但對靈敏度高的飽和軟黏土，成樁過程會破壞土的結構，這樣不僅不會擠密樁間土，還會降低土的強度。另外，對飽和軟黏土，成樁後地面會隆起，更使擠密效果減弱。若用人工成孔或鑽孔施工方法成孔，就不存在擠密作用。

2、吸水、升溫和膨脹作用

由於水化反應過程要吸收較多的水，並產生升溫汽化現象，使地基中含水量下降，孔隙比減小，樁間土抗剪強度得到提高，提高的幅度與置換率有關。若採用10%的置換率，當石灰吸收的水全部是土孔隙中的水時，則土的平均失水量約為8%～9%，若石灰樁間距為3倍的樁徑，採用正三角形布置時，置換率為9%，實測土的失水率為5%。地基土降低5%～9%的含水量，只能使土的承載力提高15%～20%，因此，吸水升溫而提高的承載力的一般幅值為15%～20%。生石灰水化時，對樁間土產生較大的擠壓力，使樁間土密實度提高，這將有助於提高地基的強度。

3、膠凝及離子交換作用

黏土顆粒表面帶負電，從而由吸附作用形成一個擴散雙電層，擴散雙電層的存在使土具有可塑性，擴散雙電層越厚，土的抗剪強度越小，生石灰水化反應過程中產生的二價鈣離子（Ca²⁺）與擴散雙電層中的一價離子Na⁺、K⁺發生離子交換作用，交換的結果使擴散雙電層變薄，黏土顆粒間的結合力增強形成團粒結構，從而使土的塑性減小，抗剪強度提高。黏土中的二氧化矽和氧化鋁與水化過程中產生的Ca(OH)₂發生化學反應，生成水化矽酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產物，與黏土顆粒黏結在一起形成網狀結構，增強了顆粒間的聯結作用，改善了土的物理力學性能。由於上述作用，往往在生石灰樁周圍形成一圈2～10cm厚的硬殼層。

樁身

對於單一的以生石灰作為原料的石灰樁，生石灰水化後，石灰樁的直徑可脹到原來所填的生石灰塊屑體積的一倍。生石灰吸水膨脹後仍然存在著相當多的孔隙，當把脹發後顯得相當硬的石灰團用手揉捏時，水分就會被擠出來，石灰塊會變成稠糊狀，這一現象說明不能過分依賴石灰樁樁體本身的強度。石灰樁的作用是使土擠實加固，而不是樁起承重作用。因此，對形成石灰樁的要求，是應能把四周軟土中的水吸乾，但要防止自身軟化。防止樁心軟化可參照以下條件：①提高石灰含量或縮小樁距；②用砂填充石灰樁的孔隙；③石灰樁摻粉煤灰措施。

複合地基

石灰樁複合地基承載力由三部分構成：①樁身強度；②樁間土；③樁周形成的硬殼層。由於硬殼層的形成需要一個較長期的過程，在設計時一般不作考慮而作為安全貯備。根據國內外實測數據，石灰樁複合地基的樁土應力比一般為2.5～5.0。要提高複合地基的承載力可從兩方面著手，即提高樁身強度與增加樁間土的加固效果。但應注意：①樁間土的承載力應協調。既要保證樁身有較大的強度，又沒必要過大增大樁身強度。②樁身吸水量的增加有助於改善樁間土的物理力學性能，但吸水量過多又使樁身強度降低，為使兩者兼備，有時必須採用較大的置換率。因此在提高複合地基承載力時要進行綜合考慮，確定樁間土強度、樁身強度和造價之間的最優關係。

設計計算

石灰樁設計的主要參數

1、材料。

石灰樁的材料以生石灰為主，生石灰選用現燒的（新鮮）並需過篩，粒徑一般為50mm左右，含粉量不得超過總重量的20%，CaO含量不得低於70%，其中夾石不大於5%。

生石灰中摻入適量粉煤灰或火山灰等含矽材料時，粉煤灰或火山灰與生石灰的重量配合比一般為3:7。粉煤灰應採用乾灰，含水量 <5%，使用時要與生石灰拌均勻。

2、樁徑。

從石灰樁加固地基的機理看，採用“細而密”的布樁方案較好。但還應顧及施工條件，設計要求和保證樁身質量。國內常用直徑為150～400mm，較長的樁宜用較大的直徑，200mm以下的樁徑只適用於5m以下的短樁。

3、樁長。

樁的長度取決於石灰樁的加固目的和上部結構的條件。

① 若石灰樁加固只是為了形成一個壓縮性較小的墊層，則樁長可較小，一般可取2～4m。洛陽鏟成孔樁長不宜超過6m；機械成孔管外投料時，樁長不宜超過8m；螺旋鑽成孔及管內投料時可適當加長。

② 若加固目的是為了減少沉降，則就需要較長的樁。如果為了解決深層滑動問題，也需要較長的樁，保證樁的下端超過滑動面。對於多層民用建築，5～6m的樁長一般就可以滿足要求。

4、樁距和布樁範圍。

樁距一般為3倍樁徑。樁距太大則約束力太小，而樁距太小又可能造成地面隆起和破壞土的結構。樁距的大小取決於所需的石灰樁的置換率。

石灰樁是柔性樁，一般認為柔性樁宜在基礎範圍以外設定圍護樁。石灰樁平面布置可以是梅花形或正方形；一般距樁3～4倍樁徑外的原狀土就得不到加固，故對大面積加固通常需2～3排圍護樁。

5、置換率。

石灰樁置換率有兩個概念，一是由施工時樁管或樁孔面積確定的置換率m；二是由石灰樁吸水膨脹後的樁身截面積確定的置換率m′。m′=εm，其中膨脹率ε應根據試驗開挖檢查確定，也可查相關規範表格。

承載力和變形計算

1、石灰樁複合地基的承載力、壓縮模量、沉降均可用複合地基計算公式估算。

2、用複合地基載荷試驗確定，試驗可參照《建築地基處理技術規範》的規定進行。當在p～s曲線上按相對沉降量法確定承載力基本值時，宜以s/b=0.01～0.015為標準。載荷試驗應在成樁後一個月進行。

設計

1、按p≤f和p_max≤1.2f確定基礎底面尺寸。

f是複合地基承載力設計值，由承載力標準值f_spk或容許承載力f_sp經深、寬修正得到。寬度修正係數η_b取零，深度修正係數η_d取1.0。

2、驗算持力層承載力。

中心受壓p≤f

偏心受壓p_max≤1.2f

3、驗算軟弱下臥層的承載力。

當石灰樁複合地基下面存在未處理的軟弱土層時，應驗算軟弱下臥層的承載力。驗算可採用右圖所示的擴散角法，擴散角θ可由複合地基模量與下臥軟土模量之比查規範表格，也可近似取22°。

圖1

4、沉降驗算。

建築物的地基變形計算值不應大於《建築地基基礎設計規範》中規定的地基變形允許值。

施工技術

1、材料

石灰樁的材料以生石灰為主。MgO含量小於或等於5%的生石灰稱為鈣質生石灰，大於5%則稱鎂質生石灰。鈣質生石灰水化反應能力大，反應速度快。石灰樁要求選用新鮮的生石灰塊，過燒的和欠燒的生石灰都不應使用。要求有效CaO含量不低於70%，粒徑不應大於70mm，含粉量不得超過總質量的15%，其中夾石不大於5%。摻合料應保持適當的含水量。使用粉煤灰或爐渣時，含水量宜保持在30%左右。

2、施工順序

石灰樁在加固範圍內施工時，先外排後內排；先周邊後中間；單排樁應先施工兩端後施工中間，並按每間隔1～2孔的施工順序進行，不允許由一邊向另一邊平行推移。

若對既有建築物地基進行加固，其施工順序應由外及里地進行；若鄰近建築物或緊貼水源邊，可以先施工部分“隔斷樁”將鄰近建築與水源與施工區隔開；對很軟的粘性土地基，應先按較大間距打石灰樁，過四個星期後再按設計間距補樁。

3、灌料量控制

確定灌料量時，首先根據設計樁徑計算每延米樁料體積，然後將計算值乘以1.4的充盈係數作為每延米的灌料量。由於摻合料含水量變化較大，在現場宜採用體積控制。

4、樁管直徑的選擇

原則上應根據設計樁徑確定，一般設計樁徑為樁管直徑的/1.3～1.5倍。當樁管直徑較大時，由於反插後拔管力較大，要注意是否會造成拔管困難。

5、成樁

（1）成孔：石灰樁成孔可選用沉管法、衝擊法、螺旋鑽進法、洛陽鏟法等。

①沉管法是最常用的成孔方法。使用柴油或振動打樁機將帶有特製樁尖的鋼管樁打入土層中，達到設計深度後，緩慢拔出樁管即成樁孔。沉管法成孔的孔壁光滑規整，擠密效果和施工技術都比較容易控制和掌握，成孔最大深度由於受樁架高度所限制，一般不超過8m。

②衝擊法成孔是使用衝擊鑽機將0.6～3.2t錐形鑽頭提升0.5～2.0m高度後自由落下，反覆衝擊，在土層中成孔。衝擊法成孔的孔徑大，孔深不受機架高度的限制，同一套設備既可成孔，又可填夯。

③螺旋鑽進法成孔的優點是：不使用沖洗液，符合石灰樁施工要求；鑽進時不斷向孔壁

擠壓，可使孔壁保持穩定；可一次成孔，不需要升降工序；可進行深孔鑽進，樁孔深度不受設

備限制；鑽進效率高，每小時效率可高達幾十米。

（2）投料：石灰樁的投料方法有：管外投料法、管內投料法和挖孔投料法。

①管外投料法：石灰樁體中含有大量摻合料，摻合料不可避免有一定含水量。當摻合料與石灰拌和後，生石灰和摻合料中的水分迅速發生反應，生石灰體積膨脹，極易發生堵管現象。管外投料法可以避免堵管，但也存在一定缺點：① 在軟土中成孔，當拔管時容易發生塌孔或縮孔現象；在軟土中成孔深度不宜超過6m； 樁徑和樁長的保證率相對較低。管外投料法的工藝流程為：樁機定位-沉管-提管-填料-壓實-再提管-再填料- 再壓實-成樁。

② 管內投料法：管內投料施工法適用於地下水位較高的軟土地區。管內投料法施工工藝與振動沉管灌注樁的工藝類似。

③ 挖孔投料法：利用特製的洛陽鏟人工挖孔、投料夯實。由於洛陽鏟在切土、取土過程中對周圍土體的擾動很小，在軟土中成孔均可保持孔壁穩定。該法避免了振動和噪聲，能在極狹窄的場地和室內作業，造價較低、工期短、質量可靠，適用的範圍廣泛。挖孔投料法主要受到深度的限制，一般情況下樁長不宜超過6m。石灰樁施工時應採取防止沖孔傷人的有效措施，確保施工人員的安全。

（3）封頂：可以在樁身上段夯入膨脹力小、密度大的灰土或粘土將樁頂搗實，亦稱樁:頂土塞。也可用C7.5素混凝土封頂搗實。封頂長度一般在1.0m左右，對於直徑500mm的石灰樁，封頂長度取1.5m。封頂這套工序是石灰樁施工中不可缺少的，但各地的具體做法不盡相同。天津市規範規定：石灰樁加固土層頂面至少作兩步灰土墊層封頂（每步夯實後長度為150mm），設計時地基的標高應以灰土上皮為準。

施工質量

樁身質量的保證與檢驗

（1）控制灌灰量，一定要按單米計量，不能按整樁計量而取平均值；控制充盈係數同樣可達到保證質量的要求。

（2）靜探測定樁身阻力，並建立作用在樁身上的應力p_s與樁身變形模量E_s關係。存在的問題是當樁身強度較高樁身內局部有硬塊時，探頭易傾斜，有時可斜到樁周土中，使樁質量無法檢測。

（3）挖樁檢驗與樁身取樣試驗，這是最為直觀的檢驗方法。可直接測定樁徑、樁的外形、樁身材料分布情況，樁身密實度等。通過樁身取樣還可直接測定樁身強度，但此法費時費錢，且工程樁一般不允許挖出。

（4）載荷試驗，是比較可靠的檢驗樁身質量的方法，如再配合樁間土小面積載荷試驗，就可推算複合地基的承載力和變形模量。

此外，也可採用輕便觸探法。

樁周土檢驗

樁周土用靜力觸探、十字板剪下和鑽孔取樣方法進行檢驗，一般可獲得較滿意的結果。有的地區已建立了利用靜力觸探和標準貫入的資料反映加固效果，以檢驗施工質量和確定設計參數的關係。

對樁周土也可進行室內試驗，包括抗剪強度指標（c、φ）測定、含水量的測定，通過加固前後這些指標的變化確定加固後樁周土的承載力。必須注意，測點或鑽孔與樁的距離不同，所反映的效果也不同，有的文獻報導數值偏高或偏低，可能與此有關。

複合地基檢驗

用大面積載荷板進行載荷試驗是檢驗複合地基的可靠方法，但因設備、費用都存在一定的難度，因此在重要工程中採用。