粉煤灰樁加固軟土地基技術(shù)的探討

郭豐振

(佳木斯市恒興公路勘察設(shè)計有限責任公司)

我國區(qū)域遼闊，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，在公路工程建設(shè)中常常會遇到各種不良的軟土地質(zhì)條件，需要對其進行地基處理提高其承載能力。所謂軟土，從廣義上講就是強度低、壓縮性高的軟弱土層。地基處理不是局限于基礎(chǔ)持力層，而是整個基礎(chǔ)下影響范圍內(nèi)的壓縮層，因此地基處理時應(yīng)尋找合理的加固深度、簡便的施工方法以達到經(jīng)濟快速合理，而軟土地基地處理是其中的薄弱環(huán)節(jié)，因為軟土地基中土的孔隙比大，含水量高，滲透性差，強度低，這類地基在外力的作用下會引起沉陷，產(chǎn)生不均勻沉降等問題，往往會發(fā)生路基或橋梁基礎(chǔ)失穩(wěn)或過量沉陷，導(dǎo)致公路橋梁破壞或不能正常使用。因此必須改善其地基變形與穩(wěn)定條件，使土的孔隙減小，提高土的密度，使土粒更好地膠結(jié)在一起。目前常用的對軟土地基處理技術(shù)主要為開挖換填法、強夯法、粉煤灰樁法、沉管樁法、深層水泥攪拌法、振沖碎石樁法等方法。

開挖換填法對不良地質(zhì)層埋深較淺、開挖范圍不大時比較適用。強夯法是利用重錘自由落下的巨大沖力反復(fù)夯擊地基土，將夯面以下一定深度地土層夯實，以提高地基的承載力和土體的穩(wěn)定性，降低壓縮性。但僅適用于周圍無建筑物的情況。由于沉管樁法在深厚軟土中成樁條件的限制，其噸承載力造價往往較高，深層水泥攪拌法雖能降低些造價，但有時其建筑物的最終沉降控制和復(fù)合地基強度往往不盡人意，并且淤泥中有機質(zhì)含量高時要求大量摻用水泥施工造價提高較多。而粉煤灰具有容量小，滲透性好，有較高的靜力抗剪強度，較低的壓縮性，與石灰等堿性物質(zhì)產(chǎn)生水化反應(yīng)后產(chǎn)生凝硬性，同時粉煤灰具有造價低廉，來源方便，本身就是火電廠的廢物，屬于廢物再生利用。下面我們著重介紹一下粉煤灰混凝土樁的作用機理、復(fù)合地基的設(shè)計及施工工藝，希望能對軟土地基加固處理技術(shù)起推動作用。

1 粉煤灰混凝土樁及其成分的作用機理

粉煤灰混凝土樁簡稱粉煤灰樁，是以粉煤灰作為主要膠結(jié)材，加入少量的堿性激發(fā)劑、外加劑，并配以一定級配的骨料(也可以不加骨料)，加水拌和成型(工藝需要也可不加水，其水化用水從所加固的軟土地基吸取)。其中粉煤灰具有優(yōu)良的火山灰活性，其中含有大量由硅鋁組成的玻璃體，在堿性激發(fā)劑的作用下能生成水化硅酸鈣等具有水硬性的水化產(chǎn)物，同時由于灰中有大量圓球顆粒，在水泥混凝土攪拌搗實過程中發(fā)揮潤滑作用，不僅能減少水泥用量，還能使混凝土具有許多優(yōu)良性能，粉煤灰的細度越細、分散度越高，一般活性也越好。水泥是粉煤灰最常用的激發(fā)材料，一方面要提供一定的水化膠凝物質(zhì)以保證粉煤灰樁早期強度的需要，另一方面又要求水泥水化所生成的氫氧化鈣數(shù)量以及質(zhì)量足以激發(fā)粉煤灰的活性物質(zhì)產(chǎn)生水化反應(yīng)，并因此生成數(shù)量足夠及質(zhì)量高的水化膠凝產(chǎn)物以保證粉煤灰混凝土后續(xù)強度的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，通過實驗數(shù)據(jù)分析，從長遠強度的穩(wěn)定性考慮，粉煤灰與總膠凝材料(粉煤灰+水泥)之比例應(yīng)小于等于80%，高于上述比例時可能由于水泥水化時產(chǎn)生的氫氧化鈣數(shù)量不足而導(dǎo)致粉煤灰樁的后期強度不穩(wěn)定而影響粉煤灰樁的使用性能。粉煤灰混凝土減水劑是一種表面活性劑，其主要作用在于降低水的表面張力及水與其他溶液和固體之間的界面張力，使混凝土用水量減少，減少多余水所形成的毛細孔洞，提高成型試件的成型密實度，達到提高強度的目的，同時對粉煤灰的活性能夠產(chǎn)生激發(fā)效果。

2 粉煤灰樁在復(fù)合地基中的設(shè)計

用粉煤灰混凝土在軟土中制成的樁可與原地基土形成復(fù)合地基，樁土共同承擔荷載，荷載由樁間土逐步轉(zhuǎn)移到樁上，樁土在等應(yīng)變下共同作用，另一方面，粉煤灰樁復(fù)合地基中由于打設(shè)了許多強度較高的樁體，在樁所貫穿的土層范圍內(nèi)，樁土構(gòu)成復(fù)合層。這一復(fù)合層的平均物理力學性能遠優(yōu)于天然地基，可起著類似換土墊層的作用，使得傳遞到下臥土層的應(yīng)力擴散并趨于均勻分布起到提高地基整體強度，減少沉降和不均勻沉降的作用。

粉煤灰樁樁身材料彈性模量約為普通混凝土的十分之一，相對于軟土而言有足夠大的剛度，因此在復(fù)合地基設(shè)計時，單樁承載力可借用剛性樁的算法，求得單樁承載力后與樁間土復(fù)合得到復(fù)合地基承載力，進而估算復(fù)合地基沉降量。

2.1 復(fù)合地基承載力

復(fù)合地基單樁承載力標準值可按下式計算

式中：Up為樁周邊長度;qsi為第i層土樁周摩阻力標準值;li第i層土厚度;qp為樁端土承載力標準值;Ap為樁截面積;η為樁端承載力折減系數(shù)。

按靜力平衡原理，復(fù)合地基承載力標準值這里m為面積置換率，即基礎(chǔ)下單位面積內(nèi)粉煤灰樁所占的面積比例;Rs為樁周土承載力標準值;β為樁周土承載力折減系數(shù)。

計算復(fù)合地基承載力時，當樁端落在良好持力層時η取值為1.0;當樁端無持力層，為避免出現(xiàn)過大的樁端刺入位移，取η=0;樁端土層介于上述兩種情況之間η取0～1.0，視容許沉降大小確定，容許沉降大取高值，容許沉降小取低值。樁周土承載力RS的折減系數(shù)β，對軟粘土可以取0.6～0.8;當樁間土可擠密時(如砂夾淤泥、雜填土)可取β=1.0，RS取加固前天然地基承載力。

2.2 復(fù)合地基沉降計算

粉煤灰混凝土樁復(fù)合地基沉降的估算可用一般復(fù)合地基沉降計算法。加固段的復(fù)合壓縮模量

式中：Ep為樁身壓縮模量，Es為樁間土壓縮模量。

有了復(fù)合層壓縮模量Esp后即可按分層總和法估算復(fù)合地基沉降量。

粉煤灰樁的樁距一般應(yīng)大于等于3.5D，D為樁的直徑。確定樁長時當有合適的相對硬層時，宜將樁打至相對硬層以提高單樁承載力，樁長的確定應(yīng)滿足單樁承載力的要求，但不宜超過20 m。在平面布置中應(yīng)按梅花型布置成梅花樁。

3 粉煤灰樁的施工工藝

粉煤灰混凝土拌和物的施工性有許多不同于一般混凝土的特點，在配置粉煤灰配合時，應(yīng)選用Ⅱ級及以上低鈣粉煤灰，外加劑應(yīng)先制成水劑并與所需用水同步加入攪拌機內(nèi)進行攪拌，在機內(nèi)攪拌時間應(yīng)大于90 s，不宜采用人工攪拌。拌和料的計量要準確，以保證粉煤灰混凝土的施工性能。粉煤灰樁的施工可采用沉管灌注樁機制作，也可以采用鉆孔壓漿工藝施工，施工時必須使混凝土的塌落度達到140～180 mm，且碎石最大粒徑為1～3 cm，為保證樁身強度和降低成本，摻入35% ～45%中粗砂作為細骨料，新拌粉煤灰混凝土初凝時間6 h左右，終凝時間12 h左右，初凝時間內(nèi)坍落度損失率較小，觸變性能好，保水性強，有利于樁的灌注成型。

粉煤灰樁和樁間土共同作用一起形成復(fù)合地基，其承載力的提高具有很大的可調(diào)性，沉降變形小、造價低廉。加入粉煤灰后，樁體具有明顯的后期強度，根據(jù)其樁身強度較高的特點，在軟土地基中采用就可得到更高的承載力，在較短的時間內(nèi)使路基沉降趨于穩(wěn)定，減少了路基的沉降時間，保證了工程質(zhì)量。在不久的將來采用粉煤灰樁加固軟土地基技術(shù)必然會得到廣泛的應(yīng)用。

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［1］交通部公路科學研究院.公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南.

［2］吳金秀.粉煤灰樁加固軟土地基技術(shù).福建省建筑科學研究院.

［3］粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(GBJ/T146-90).

［4］鄭俊杰，劉士清，林永漢.軟土地區(qū)粉煤灰混凝土樁復(fù)合地基設(shè)計方法，2000，(4).