第4章 膨胀土路基石灰桩处理方法

第4章膨胀土路基石灰桩处理方法4.1石灰桩法在软弱地基中用机械成孔，填入固化剂的生石灰并加以压实形成桩体，利用生石灰的吸水膨胀放热作用和土与石灰的离子交换反应凝硬反应等作用，改善周围土体的物理力学性质，石灰桩和周围被改良的土体一起组成复合地基，达到地基加固的目的。适用：软弱粘性土地基。根据钻孔柱状图可知，本设计需要的土层数据如下表4-1：表4-1土的地质条件层数密度（g/cm3）每层的厚度（m）每层的承载力（kPa）土的性质第1层水位上第1层水位下第2层第3层第4层第5层第6层第7层第8层1.9231.9261.9371.9251.6891.8951.9271.8872.0352.700.501.322.583.401.501.802.503.80150150100140100150130110250亚粘土亚粘土亚粘土亚粘土淤泥粘质土亚粘土亚粘土亚粘土亚粘土注：第九层及其以下各层的数据本设计不需要4.2设计基本要求填土高6m，顶面宽27.5m，底面宽36.5m，坡度为1：1.5，长度为30m，地基处理面积为1320m²。路基下的软土地基采用石灰桩进行加固处理，形成复合地基，使之满足上部路基承载力和总体沉降的要求。设计要求为：复合地基承载力特征值：ƒ108kPa；软弱下卧层承载力满足要求zczzfpp；复合地基工后总沉降量：S10cm[16]。4.3极限高度的计算土的单位体积重量即重度按下式计算：g，为土的密度，为重力加速度，取9.8sm。计算每层土的自重q为：hrq（4—1）式中，——土层的厚度；γ——土的重度，其中，当地下水位以上部分采用原状土的重度(第一层水位上)；地下水位以下的部分采用土的浮重度(第一层水位下及其以下所有的层)，浮重度为土的饱和重度减去水的重度。由每层土的自重即可得到每层的层底自重，进而极限高度H的计算公式如下：rQPHii1（4—2）式中，——第i层的容许承载力；——第i−1层的层底总自重；——路基填土重度，取r=18kN/m3。上述的计算数据请见表4-2。表4-2极限高度的计算值层数每层土的重度（kPa）每层自重应力（kPa）每层层底的总自重（kPa）每层的容许承载（kPa）每层的极限高度（m）第1层水位上第1层水位下第2层第3层第4层第5层第6层第7层第8层18.84518.87518.98318.86516.64018.57118.88518.49319.94350.884.4411.8622.8722.5812.8615.9921.2337.7850.8855.3267.1890.05112.63125.48141.47162.71200.49150.00150.00100.00140.00100.00150.00130.00110.00250.008.3335.5072.4824.0460.5532.0760.251-1.7494.8504.4加固前沉降量的计算路基填土横断面为顶面宽27.5m，底面宽36.5m，坡度为1：1.5，高6m的等腰梯形其形状如图4-1所示。ghipi1Q-rΔσ=ΔσΔσ1由回填土右侧荷载引起的竖向附加应力Δσ2由回填土左侧荷载引起的竖向附加应力图4-1竖向附加应力的计算上图中，因A点左侧的梯形荷载引起的A点正下方深度z处的边角处的竖向附加应力，可以用下面的奥斯塔巴古法计算：qIqaθbθθabaπ1σ221z）（△（4-3）式中，——代表影响系数；θ——代表弧度数，其中θ1与θ2的计算式如图4-1所示；——单位面积作用的荷载，，其中γ为路基填土的重度。根据各层的厚度可知图A中z的值，进而算得θ1、θ2的值，用奥斯塔巴古法即得到了每层层底的附加应力，其值见表4-3。表4-3每层层底附加应力Iqq=H=108kPa层数a(m)b(m)每层之上土厚度（m）每层的厚度（m）θ1（rad）θ2（rad）底层附加应力（kPa）第1层水位上第1层水位下第2层第3层第4层9999913131313132.703.204.527.1010.502.700.501.322.583.400.0830.0970.1320.1880.2341.3661.3291.2361.0710.89153.90753.84753.58852.58950.317第5层第6层第7层第8层99991313131312.0013.8016.3020.101.501.802.503.800.2460.2550.2600.2560.8250.7560.6730.57449.05347.40344.98441.282目前在沉降计算方法中应用最广泛的是分层总和法，分层总和法是假定地基土为直线变形体，在外荷载作用下的变形只发生在有限厚度的范围内，将压缩层厚度内的地基土分层，分别求出各分层的应力，然后用土的应力应变关系式求出各分层的变形量，加起来即为地基的沉降量首先，计算各土层中的平均自重应力Pi1，平均自重应力与附加应力的和Pi2，根据压缩曲线即可算出对应的孔隙比ei1、ei2。由此求得该分层的压缩变形量ΔSi为：iiiiiheeeS1211（4—4）将计算范围内各分层的压缩变形量ΔSi叠加起来，即得地基的最终沉降时S为：nniiiiiiheeeSS111211（4—5）式中，n——计算沉降范围内的分层总数；——每层的厚度。表中0e、50e、100e、200e分别为压力为0kPa、50Pa、100kPa、200kPa时所对应的土的孔隙比。假设在压力从0kPa到50kPa之间时压缩曲线近于直线，由应力即可得到对应的孔隙比。压力在50kPa至100kPa之间或100kPa至200kPa之间计算方法相同计算所得的最终结果见表4-4ih表4-4沉降的计算层数平均自重（kpa）自重+附加自重（kpa）e0e50e100e200ei1ei2层沉降量（m）总沉降量（m）第1层水位上第1层水位下第2层第3层25.4553.1061.2578.6180.87881.47289.581106.7110.8240.8330.8610.9510.7830.8030.8280.8930.7590.7850.8050.8520.7240.7460.7680.8010.8030.8020.8230.8700.7570.7820.7990.8360.0690.0050.0170.0470.2620.1920.1870.170第4层第5层第6层第7层第8层101.34119.05133.48152.09181.60128.669145.13158.721176.357204.3861.5580.9110.8470.8970.6641.4870.8490.7980.8550.6411.4330.8130.7720.8260.6221.3730.7660.7260.7910.6011.4320.8040.7570.8080.6051.4010.7810.7340.7920.5980.0430.0190.0230.0220.0160.1240.0800.0610.0380.0164.5石灰桩参数的确定石灰桩的设计参数主要有：桩径、桩长、置换率、填料的选用、桩距、布桩原则、桩土应力比、承载力及地基沉降计算。通过上述参数，可以确定桩数及平面范围。采用石灰桩加固地基主要是形成复合地基，确定这些参数的原则是根据工程地质条件，满足复合地基承载力的下卧层承载力的验算；同时，满足地基变形、沉降和稳定性的要求，这些参数之间相互关联。石灰桩复合地基设计计算主要包括下述几个方面：1.桩孔直径的选用；2.填料的选用；3.桩长的设计；4.桩距及桩的布置；5.置换率的计算；6.桩土应力比的确定；7.承载力验算；8.沉降计算。下面分别介绍。4.5.1桩孔直径的选用从前述石灰桩的加固机理看，采用“细而密”的布桩方式较好，但还得顾及施工技术装备条件，并保证桩身质量。因此，国内一般选用直径为Φ300mm—Φ500mm的桩孔。桩径的大小还与桩长有关。为了避免过大的长细比，一般较长的桩其桩径较大。国内桩长一般不超过15m，桩径通常在Φ300—Φ350mm左右[14]。本设计采用直径d=350mm的石灰桩。施工排土成孔，实际桩径302.1~1.11ddmm。此处取301.12ddmm=415mm。4.5.2填料的选用石灰桩桩身的主要材料是生石灰。应选用新鲜的生石灰，生石灰宜用钙质石灰(MgO含量不大于5%)，不宜选用镁质石灰(MgO含量大于5%)。钙质石灰比镁质石灰硬化速度快，放热效应高，质量较好。要求采用新鲜良好的块灰并需要过筛。活性氧化钙含量不应少于70%~80%，含粉量不得超过总重量的10%。过火的或欠火的、受潮的生石灰均会影响加固效果，不宜采用。块灰粒径一般为30—70mm，粒径大小可以调整，并宜选用合适级配，灰中夹石量不得大于5%。石灰桩中常用的掺合料是粉煤灰或火山灰等活性材料。本文选用粉煤灰与生石灰的重量配合比一般为2：8。粉煤灰以含活性SiO2、Al2O3、Fe2O3量高者为佳，要求采用干灰，含水量应小于5%。掺入粉煤灰可以提高桩身强度，减少桩身的膨胀应力及膨胀量。掺入量以能填充生石灰块间的孔隙为佳。4.5.3桩长的设计石灰桩作为一种柔性桩，其有效长度的概念比别的胶体程度更好、桩身强度更高的柔性桩更加明显。亦即当桩长大于其有效桩长时，再加长的桩身对提高石灰桩的承载力影响甚微。根据这一概念，石灰桩不宜过长。但从提高桩土复合承载力及减小变形的角度讲，又要求桩间土有必要的处理深度，桩长的选用原则按复合垫层法确定桩长，即把石灰桩加固过的复合土层作为硬层，未加固过的下卧层作为软层组成双层地基，桩长应满足双层地基的承载力和变形的要求。此处取桩长为10.5m。4.5.4桩距及桩的布置桩距的确定既要满足地基的承载力和变形的要求，又要经济上合理，另外，桩距还依赖于所需的置换率。当土质较差，建筑物对复合地基承载力要求较高时，桩距应小些。但过分小的桩距或过分大的置换率不一定是好的处理方法，可能会造成地面较大的隆起并破坏土的结构，尤其是对结构破坏后不易恢复的土类更应注意。桩距应该通过试桩确定，大多数工程中，通常桩距可取(2.5—3.5)，相应的置换率为0.09—0.2，膨胀后实际置换率为0.13—0.28。本设计取桩距是桩径的3倍。d桩的布置一般可分为正方形，正三角形两种形式，本设计为正方形布桩。4.5.5置换率的计算复合地基的面积置换率不仅影响地基处理的加固效果，还对工程造价有很大影响。置换率主要与桩距和桩径有关，因此，计算时可先确定桩的间距和直径，然后再计算置换率。本论文即是根据工程实际，采用先假设桩径和桩距，然后根据公式计算置换率[13]。置换率是一个不容易估算的参数，实际上受石灰桩质量、掺料配合比、桩体密实程度、桩的施工质量和桩周土质情况等因素的影响，可按式(4-6)确定，也可按经验公式(4-7)进行估算。21214'ssdm(4—6)式中，——实际桩径，既石灰桩膨胀后的桩径，dd1.11+30mm=415mm(排土成孔时)。——设计桩径，d=350mm；——布桩的行距，此处取=3d=1050mm；——布桩的列距，值同(mm)。正方形布桩时，膨胀前、后的石灰置换率m和m'也可按下式计算。膨胀前置换率m：27854.0am(4—7)膨胀后置换率：mm'(4—8)式中，a——石灰桩桩距与桩径之比；ε——石灰桩的膨胀率。本设计采用式(4-5)的计算置换率的方法，因为它比(4-6)考虑的因素多，计算结果要精确。代入数据可由(4-5)式可得m'=0.1226。4.5.6桩土应力比的确定桩土应力比n表示表示后桩土之间的荷载分担作用实际上反应桩土相对刚度的影响。因此，当桩间土相同时，石灰桩桩身质量越大，n越大。而对相同的石1dd1s1s2s1s'm灰桩，桩间土越软弱，n就越大，对同一石灰桩复合地基，n随荷载的大小而有所变化。其一般规律是：因为桩身刚度大，最初荷载总是向桩身集中，n