小口徑生石灰樁加固濕陷性黃土地基探討

李慧良

(甘肅省華池縣建筑安裝工程有限責(zé)任公司，甘肅華池 745600)

0 引言

甘肅慶陽(yáng)著名的董志塬沉積了150多米厚的黃土層，其中濕陷性黃土厚度的高階地一般為10 m～15 m，低階地為4 m～8 m，屬風(fēng)積成因，為馬蘭黃土，孔隙多，為褐黃色，有顯著垂直節(jié)理，無(wú)層理，結(jié)構(gòu)疏松，易溶鹽含量高，土樣呈中性～堿性，以粗粒組成為主，粘粒含量大于11.8%～18.2%，濕陷性比較強(qiáng)烈，較敏感，多屬自重Ⅱ級(jí)濕陷性黃土，但在坡腳處情況較復(fù)雜，在陡坡處黃土易發(fā)生坍塌。

由于這里特殊地質(zhì)條件，所以低層和多層建筑，地基處理一般采用換填法，基坑開(kāi)挖深度為室外自然地坪下挖6 m左右，換填料多采用3∶7灰土墊層，素土墊層等。這種施工方法工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，地基承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但這種方法對(duì)黃土的濕陷性并沒(méi)有完全消除，工程竣工使用后，地基下沉現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，由于使用單位對(duì)濕陷性黃土特性的認(rèn)識(shí)有限，不能及時(shí)對(duì)滲漏水管道維修，是室外地面排水不暢通或樓內(nèi)下水道堵塞，造成樓房地基進(jìn)水濕陷下沉，磚基礎(chǔ)懸空斷裂，墻面不規(guī)則裂縫，影響正常使用，危及人體安全。通過(guò)不斷探索研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐，進(jìn)行多方案加固比選，認(rèn)為小孔徑生石灰樁加固濕陷性黃土地基，工藝簡(jiǎn)單，能就地取材，造價(jià)低廉。對(duì)原有建筑物結(jié)構(gòu)不造成損害，不改變?cè)薪ㄖ锸褂霉δ?，不減小使用面積，而且加固效果好，地基耐久性大大提高，值得推廣應(yīng)用。

1 濕陷性黃土特性

濕陷性黃土是在干旱或半干旱氣候條件下由風(fēng)積或坡積、洪積形成的積沉物。在生成初期，土中水分不斷蒸發(fā)，由于土孔隙中的毛細(xì)作用，水分逐漸積聚到較粗顆粒的接觸處，同時(shí)，細(xì)粉粒、粘粒和一些水溶鹽，主要是碳酸鹽、硫酸鹽，少量氯酸鹽，也不同程度的集聚到粗顆粒的接觸點(diǎn)形成膠結(jié)。試驗(yàn)表明，粘粒及土體中所有含的各種化學(xué)物質(zhì)，如鋁、鐵和一些無(wú)定型的鹽類(lèi)等，也多積聚在較大顆粒的接觸點(diǎn)，起膠結(jié)和半膠結(jié)作用，將粗粉粒被牢固的粘結(jié)著，形成孔隙結(jié)構(gòu)。在干燥情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，在濕度不很大的情況下，上覆土層不足克服土中形成的加固粘聚力，而因形成欠壓密狀態(tài)的黃土。

濕陷性黃土在不受外來(lái)荷載的作用下，這種欠壓密狀態(tài)穩(wěn)定。但受水浸濕，按毛細(xì)管假說(shuō)，欠壓密理論假說(shuō)和結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，水對(duì)各種膠結(jié)構(gòu)的軟化作用，粗顆粒變小，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，強(qiáng)度突然下降，土體產(chǎn)生顯著附加下沉。濕陷性黃土分為自重性濕陷性黃土和非自重性濕陷性黃土。

2 生石灰特點(diǎn)

1)生產(chǎn)生石灰的原材料在隴東部分地區(qū)分布廣泛，可就地取材。爐窯生產(chǎn)工藝比較簡(jiǎn)單，技術(shù)容易掌握，生石灰制造成本低廉，目前廣泛用于建筑工程中。

2)石灰分生石灰和熟石灰。熟石灰是一種氣硬性膠凝材料。

生石灰主要成分是氧化鈣(CaO)。石灰石其成分主要是CaCO3，含有少量碳酸鎂(MgCO3)，是生產(chǎn)生石灰的主要原材料，在石灰窯中煅燒至900℃以上得到生石灰。石灰石燃燒后生成生石灰，化學(xué)反應(yīng)如下:

在濕陷性黃土地基加固中生石灰發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):

體積增大1.5倍～2倍。

熟石灰如果長(zhǎng)期暴露在空氣中和空氣中的CO2緩慢發(fā)生反應(yīng)如下:

這時(shí)的熟石灰就不能再用。

3)生石灰分欠火生石灰和過(guò)火生石灰。欠火生石灰碳酸鈣未完全分解，質(zhì)量差，利用率低，使用時(shí)缺乏粘結(jié)力。過(guò)火生石灰表面包覆一層隔融物，水化速度大大減慢，致使硬化后的石灰表面局部產(chǎn)生鼓包，崩裂等現(xiàn)象，工程上稱(chēng)為“爆灰”。

生石灰質(zhì)量的鑒別，主要通過(guò)氧化鈣、氧化鎂含量，未消化殘?jiān)?，含水量，?xì)度等監(jiān)測(cè)指標(biāo)衡量，將生石灰分為優(yōu)等品、一等品、合格品3個(gè)等級(jí)。在地基加固中應(yīng)優(yōu)先使用新鮮的優(yōu)等品生石灰。

3 生石灰樁加固濕陷性黃土地基機(jī)理

1)小孔徑生石灰樁的加固濕陷性黃土地基的深度為5 m～15 m，用于地下水位以上和其他滲透性不大的地基中，按成孔工藝生石灰樁成孔分不排土和排土兩種，在飽和粘性土中用不排土成孔工藝。濕陷性黃土地基加固，土壤含水率較低，一般采用排土成孔工藝，主要通過(guò)生石灰吸收因透水而使地基塌陷的黃土中水分，使生石灰生成熟石灰，放出大量的熱的同時(shí)，體積膨脹。膨脹力的大小主要通過(guò)調(diào)配生石灰的粒度。

2)根據(jù)地基加固范圍內(nèi)的濕陷程度合理設(shè)計(jì)孔徑、深度、布置形式、成孔方式。通過(guò)生石灰塊與添加劑(粉煤灰、中砂、濕土)的合理比例，確定達(dá)到的預(yù)定強(qiáng)度。利用生石灰與水反應(yīng)生成的Ca(OH)2與土壤中的鋁、鐵等金屬元素長(zhǎng)期作用生成碳酸鹽固體及膨脹擠密作用，改變濕陷性黃土的粗顆粒結(jié)構(gòu)形式，消除其濕陷。如果采用不排土成孔工藝，成孔中樁管將孔周?chē)耐馏w擠密增強(qiáng)加固效果。

4 加固實(shí)例

慶陽(yáng)地區(qū)老干部休養(yǎng)所15號(hào)住宅樓，磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積1 766 m2，土建造價(jià)183萬(wàn)元，竣工驗(yàn)收合格。使用后不到兩年時(shí)間，該樓北面新建住宅地溝積水及相鄰污水坑滲水造成原地坑院回填土濕陷量達(dá)180 mm，影響樓西段三個(gè)單元的基礎(chǔ)圈梁斷裂，外磚墻北面傾斜80 mm，內(nèi)承重墻全部拉裂下沉懸空50 mm的嚴(yán)重質(zhì)量事故，樓房面臨倒塌危險(xiǎn)。

分析下沉原因、確定加固方案。

接到加固任務(wù)后，對(duì)問(wèn)題樓房現(xiàn)場(chǎng)做詳細(xì)勘察和分析，經(jīng)檢測(cè)，該地基土屬Ⅱ級(jí)自重濕陷性黃土，受污水浸滲下沉，土壤含水率達(dá)24%～30%。方案確定，首先截?cái)辔鬯畞?lái)源，用水泵抽取地基處明水，清除淤泥，降低土內(nèi)含水量，使地基土有一定的承載能力，其次在對(duì)磚基礎(chǔ)進(jìn)行加固。通過(guò)認(rèn)真分析利用生石灰樁擠密加固地基土方法能夠滿足方案要求。降低濕土含水率，恢復(fù)地基承載力，而且造價(jià)低。具體實(shí)施分如下幾個(gè)階段:

1)第一階段地基加固。

沿建筑物外墻兩側(cè)人工挖寬2 m，內(nèi)墻兩側(cè)挖寬1 m，深度至磚基礎(chǔ)放大腳下皮，原3∶7灰土上皮的基槽。樁徑選用d=300 mm，樁孔布置三排，呈梅花狀，見(jiàn)圖1。

圖1 第一階段地基加固示意圖

采用自制的200 mm口徑卡柄洛陽(yáng)鏟挖孔，樁距按:

其中，L為梅花樁間距;e為天然土體孔隙比;e1為加固達(dá)到承載力后土體孔隙比，但樁距不得小于樁孔的2.5倍，經(jīng)過(guò)計(jì)算，選用樁距為孔徑的2.5倍。樁的深度根據(jù)土的飽和程度探深至無(wú)濕泥為止。大部分深度達(dá)到了6 000 mm～15 000 mm，填料選用最大尺寸不超過(guò)樁徑1/3的新鮮生石灰塊，粒徑約10 mm～50 mm，按生石灰塊+濕土為3∶1比例分層回填，采用200 mm直徑，重150 kg的尖錘形夯錘，分層夯實(shí)，每層填料厚度350 mm，夯擊8次，在距樁頂300 mm處用粘土封閉夯實(shí)，施工順序先外排后內(nèi)排，先周邊后中間;單排樁施工先兩端后中間，并按每間隔1孔～2孔的成孔工藝進(jìn)行，不允許由一邊向另一邊平行推移施工。加固后進(jìn)行觀察3 d～5 d時(shí)間，由于生石灰吸收了土孔隙水分，而樁孔塞料中的濕土與生石灰化學(xué)反應(yīng)后變成高強(qiáng)度樁，體積膨脹約1.5倍～2倍，使樁間土擠密加固，樁周?chē)林械目障端晃?，?jīng)測(cè)定，樁間土不同深度土壤含水量減至18%～20%之間，生石灰反應(yīng)成熟石灰需水量約為生石灰重32%，樁間土溫度達(dá)到40℃～50℃。加速了地基土的固結(jié)，經(jīng)用輕型觸探儀測(cè)定，地基承載力由原來(lái)的130 kPa提高到180 kPa左右。

2)第二階段磚基礎(chǔ)裂縫處加固。

在承重墻磚基礎(chǔ)下部，斷裂面大放腳中線處，下挖φ600 mm孔，深度2 000 mm，上部挖成1 000 mm×600 mm×700 mm的矩形樁頭，見(jiàn)圖2。

圖2 第二階段磚基礎(chǔ)裂縫處加固示意圖

生石塊粒徑100 mm左右與濕土按3∶1比例分層夯填至磚基礎(chǔ)大放腳底部，由于生石塊熟化體積膨脹過(guò)程產(chǎn)生力量來(lái)達(dá)到頂起的效果。

3)第三階段驗(yàn)收。

分階段加固處理樓基下沉工作完成后15 d，裂縫恢復(fù)穩(wěn)定，組織質(zhì)監(jiān)站、檢測(cè)單位的專(zhuān)家及其他各方代表對(duì)加固質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定。通過(guò)對(duì)加固后的墻體裂縫恢復(fù)情況，使用功能影響方面，地基耐久性方面作了深入淺出的分析和探討，給予了較高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為加固后工程質(zhì)量合格，達(dá)到預(yù)期目的。隨后加固小組也進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的裂縫和不均勻沉降，并進(jìn)行下道工序的施工。

5 結(jié)語(yǔ)

小口徑生石灰樁加固濕陷性黃土地基下沉的施工方法雖然容易掌握，但加固前需要做大量的檢測(cè)試驗(yàn)工作，搞清地基沉陷的原因，取得相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，委托有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)出圖紙。在大批量加固前，先做試樁，取得相關(guān)的施工參數(shù)，驗(yàn)證加固效果，確保加固質(zhì)量。在不是因浸水原因造成地基下沉的基礎(chǔ)加固中，同樣也可用生石灰樁+砂子的大孔徑樁，但在使用過(guò)程中，要考慮到距相鄰建筑物、地下混凝土樁等構(gòu)件的距離，以免頂壞。這種生石灰樁在施工當(dāng)中要做好觀測(cè)記錄，控制向生石灰樁的澆水量，觀察樁的頂進(jìn)速度，不斷總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，充分利用好生石灰吸水、放熱、膨脹這一特性。

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