CN107326765B - 处理岛状冻土地基石灰桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种处理岛状冻土地基石灰桩及其施工方法，石灰桩包括相固接的石灰桩体和粗粒料桩体，石灰桩体长度为冻土上下限之间的距离。结合勘察资料和室内试验，确定工程的一些参数和生石灰的质量百分比，建试验桩，进行夯填试验，确定石灰桩最大挤密的有关施工工艺参数；根据该参数建造石灰桩。在岛状冻土地基上建造多排石灰桩，相邻石灰桩之间的距离相等，建成后，设置地温监测点和变形监测点，进行地温、变形检测，确定达到冻土融化、变形稳定后，进行复合地基承载力检测，达标后进行后续工程建设。该石灰桩利用预融技术彻底融化岛状冻土，防止工程建设后冻土融化出现的建筑变形。

Description

处理岛状冻土地基石灰桩及其施工方法

技术领域

本发明属于多年冻土区工程技术领域，涉及一种适用于岛状多年冻土区地基处理的桩，特别涉及一种处理岛状冻土地基石灰桩；本发明还涉及一种该石灰桩的施工方法。

背景技术

我国境内分布的岛状多年冻土具有年平均地温较高、厚度小、热稳定性较差、连续性较差的特点。温度周期性变化导致岛状冻土寒季冻胀，暖季融化下沉。在冻胀和融沉交替作用下，地基产生差异沉降，进而引起房屋建筑、铁路公路的变形破坏。由于岛状冻土的这些特点，其地基处理适宜采用破坏冻土（预融冻土）的方法。

目前，国内利用预融原则处理多年冻土地基，主要为换填，但换填存在不少局限性。从适用范围和施工技术来讲，换填法适用范围较小，仅适用于冻土埋设较浅、厚度较小的冻土地区。对于冻土上限埋藏深（大于6m）、厚度较大（超过6m以上）的冻土地区并不适用。这是因为：1）挖除冻土要耗费大量的机械台班与材料；2）由于不能完全挖除冻土，如果处理不当，会在换填区下部形成软弱夹层，反而成为路基病害。而且，在清除多年冻土软弱层过程中，地基基坑积水，使得下部未挖除的冻土融化下沉，进而造成路基施工后早期工后沉降较大，导致路基初期产生较大不均匀沉降变形。从经济角度来讲，由于涉及大范围的土方开挖，其经济性和可行性不高，因此对于预先融化（破坏）地基多年冻土的方法的应用较少。

挤密法加固软土地基的方法，就是首先把桩管打入土中，再拔出桩管，形成桩孔，向桩孔内夯填生石灰，使地基得到加固。其主要机理是通过生石灰的吸水膨胀挤密桩周土，用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、杂填土和素填土等地基。但是现有的石灰桩技术并未在多年冻土地基处理中使用过，其配比和施工方法也不能适用于处理岛状多年冻土。

发明内容

本发明的目的是提供一种处理岛状冻土地基石灰桩，不仅能够预先融化多年冻土，对融化后的地基土进行挤密加固，保证地基土满足工程建设需要，而且能防止后期地基土出现冻胀。

本发明的另一个目的是提供一种上述石灰桩的施工方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种处理岛状冻土地基石灰桩，包括石灰桩体，石灰桩体上固接有直径与石灰桩体直径相同的粗粒料桩体，石灰桩体的长度为冻土下限和冻土上限之间的距离；粗粒料桩体采用粉黏粒含量小于15%的非冻胀的粗颗粒填料制成。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种上述处理岛状冻土地基石灰桩的施工方法，具体按以下步骤进行：

步骤1：结合勘察资料和室内试验，确定工程场地的多年冻土上限、多年冻土下限、多年冻土类型、未冻水含量及冻土总含水量、砂黏土液塑限、砂黏土最大干密度、生石灰的活性度和水化反应的单位放热量；

步骤2：根据查明的参数确定石灰桩桩体所用材料的质量配比：

建造石灰桩体的材料为砂黏土、水泥和块状生石灰，该三种原料的质量比为：

生石灰﹕砂黏土﹕水泥=W _q ﹕（0.95- W _q ）﹕0.05

式中的W _q 表示生石灰的质量百分比，W _q 按下式计算：

式中：r ₁为桩直径，单位cm；r ₂为桩间距，单位cm；ρ _d 为冻土干密度，单位g/cm³；W _f 为冻土总含水率，单位%；W _u 为冻土中未冻水的含量，单位%；ρ _dmax为砂黏土最大干密度，单位g/cm³；H _w 为冰融化为水的相变潜热，单位J/g；q _q 为生石灰水化反应的单位放热量，单位J/g；

步骤3：钻成九个钻孔，该九个钻孔呈多排设置，同一排中相邻两个钻孔之间的距离相等，相邻两排中处于不同排的相邻两个钻孔之间的距离相等，这样，所有相邻的两个钻孔之间的距离均相等；分别取施工时所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三种原料的质量比符合步骤2确定的质量比，拌和，形成第一拌合料；第一拌和料和水拌和均匀，得填料，取体积0.04～0.06m³的一堆填料，称重，将所取的该堆填料填入钻孔内，测量该堆填料填入钻孔内的虚土厚度，根据最大冻土干密度、填入钻孔内的填料重量、桩径和压实系数计算出该堆填料填入钻孔后应达到的厚度，夯填，将该堆填料由虚土厚度夯实到应达到的厚度，建成试验桩，期间记录夯锤高度和夯击次数；从第一拌和料和水拌和均匀后开始到重锤夯实机开始夯填为止的这段时间不得超过5分钟；以上试验进行3～5次，分层填料厚度、夯锤高度和夯击次数分别取平均数作为下一步骤施工参数；

步骤4：在需处理的岛状多年冻土地基上钻孔；

分别取施工时所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；各组份的质量比符合步骤2确定的质量配比，拌和，形成第二拌合料；将第二拌合料和水拌合均匀，并在5分钟内填入钻孔中，夯填，形成石灰桩体；夯填过程中的分层填料厚度、夯锤高度、夯击次数采用步骤3确定的施工工艺参数；石灰桩体的下端与冻土下限平齐，石灰桩体的上端与冻土上限相平齐；石灰桩体施工完成后，用粉黏粒含量小于15%的非冻胀粗粒料夯填位于石灰桩体上方的季节活动层内的孔，在季节活动层内形成粗粒料桩体，建成石灰桩。

本发明石灰桩具有如下有益效果：

1）能利用石灰桩的预融技术彻底融化岛状冻土，防止在工程建设之后由于冻土融化出现建筑变形问题。

2）利用石灰桩的挤密效果加固地基土，提高地基承载力。

3）采用的工程材料均为标准材料，成本低廉且易于购买。

4）施工工艺简单易操作。

5）冻土上限以上深度采用粗粒料防止了后期地基土出现冻胀问题。

附图说明

图1是本发明石灰桩的结构示意图。

图2是图1所示石灰桩的施工工艺流程图。

图3是石灰桩施工及检测的平面布置图

图中：1.粗粒料桩体，2.石灰桩体，3.石灰桩，4.地温监测点，5.变形监测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明石灰桩，包括石灰桩体2，石灰桩体2上固接有粗粒料桩体1；石灰桩体2的直径和粗粒料桩体1的直径相同，石灰桩体2的直径为300～500mm，石灰桩体2的长度为冻土下限和冻土上限之间的距离。粗粒料桩体1长度为冻土上限至地表之间的距离，粗粒料桩体材料为非冻胀的粗颗粒填料（粉黏粒含量（质量百分数）小于15%），用于防止该段地基土产生冻胀。

与其它需要处理的地基土不同的是，石灰桩处理多年冻土地基既要考虑融化冻土上限以下的多年冻土并进行加固，也要考虑防止冻土上限以上部分土体可能发生冻胀。因此，采用了下部石灰桩体2加上部粗粒料桩体1的组合方式。

下部采用石灰桩体2，利用生石灰遇水放热的特点，能够达到以下几个作用：1）形成“放热融化桩周多年冻土——吸收冻土融化后土中的水分——桩体生石灰与水继续反应放热——放热继续融化桩周多年冻土”的循环，达到融化多年冻土的目的；2）桩体和水反应放热结束后，仍能吸收土体中的水分，通过排水固结加固地基土；3）桩体反应过程中能够体积膨胀，加固桩周地基土。

上部采用粗粒料桩体1具有以下作用：1）多年冻土上限以上地基土层是容易产生冻胀的地层，采用粗粒料桩体1能够有效防止冻胀，以免对建筑物的安全稳定产生影响；2）粗粒料桩体1是一种有效的加固地基的方法，能提高地基土承载力。

本发明提供了一种上述石灰桩的施工方法，其流程如图2所示，具体按以下步骤进行：

步骤1：结合勘察资料和室内试验，确定工程场地的多年冻土上限、多年冻土下限、多年冻土类型、未冻水含量及冻土总含水量、砂黏土液塑限、砂黏土最大干密度、生石灰的活性度和水化反应的单位放热量；

步骤2：根据查明的参数确定石灰桩桩体所用材料的质量配比：

建造石灰桩体2的材料为砂黏土、水泥和粒径小于60mm的块状生石灰；该三种原料的质量比为：

生石灰﹕砂黏土﹕水泥=W _q ﹕（0.95- W _q ）﹕0.05

式中的W _q 表示生石灰的质量百分比，W _q 按下式计算：

式中：r ₁为桩直径，单位cm；r ₂为桩间距，单位cm；ρ _d 为冻土干密度，单位g/cm³；W _f 为冻土总含水率，单位%；W _u 为冻土中未冻水含量，单位%；ρ _dmax为砂黏土最大干密度，单位g/cm³；H _w 为冰融化为水的相变潜热，单位J/g；q _q 为生石灰水化反应的单位放热量，单位J/g；。

步骤3：现场开展石灰桩试验性施工，以确定设计参数和处理效果：

钻成九个钻孔，该九个钻孔呈多排设置，同一排中相邻两个钻孔之间的距离相等，相邻两排中处于不同排的相邻两个钻孔之间的距离相等，这样，所有相邻的两个钻孔之间的距离均相等；分别取施工时所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三种原料的质量比符合步骤2确定的质量比，将所取的生石灰、砂黏土和水泥拌和，形成第一拌合料；然后将第一拌和料和需掺入的水拌和均匀，得填料，根据现场条件取体积0.04～0.06m³的一堆填料，称重，记录重量w后，将所取的该堆填料填入钻孔内，测量该堆填料填入钻孔内的虚土厚度h1（h1宜为0.3～0.4m），根据最大冻土干密度ρ _dmax、填入钻孔内的填料重量w、桩径和压实系数（取0.95）计算出该堆填料填入钻孔后应达到的厚度h2，用重锤夯实机进行夯填，将该堆填料由厚度h1夯实到厚度h2，建成试验桩，期间记录夯锤高度和夯击次数。而从第一拌和料和水拌和均匀后开始到重锤夯实机开始夯填为止的这段时间不得超过5分钟。以上试验进行3～5次，各项施工参数（分层填料厚度、夯锤高度、夯击次数）取平均数作为下一步骤施工参数，以保证石灰桩最大挤密效果。

拌和料和水拌合时，掺水量为砂黏土的塑限含水率。

严禁在桩体材料掺水拌和好后堆放而不立即填入孔内夯填。

处理效果评价：试验桩建造完成后，在部分相邻三根石灰桩3之间设置地温监测点4（监测点4为石灰桩放热影响到的最远位置，其温度变化能说明冻土是否完全融化），在没有设置地温监测点4的相邻三根石灰桩3之间设置变形监测点5，进行地温检测、桩体变形检测和桩周土变形检测，如图3所示，确定达到冻土融化（测得温度为正温且大于0.5℃）、变形稳定后，选取数量为石灰桩总数量1%的石灰桩进行复合地基承载力试验，确定其承载力。

相邻石灰桩3之间的距离为石灰桩体2直径的2.5～3.5倍。

步骤4：根据步骤3确定的设计参数和处理效果进行石灰桩3的具体施工：

在需处理的岛状多年冻土地基上钻孔（若岛状多年冻土分布面积大于需处理的地基土面积，处理范围应在需处理地基土范围上向外扩展3～5m），相邻两孔之间的距离相等；

分别取施工时所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三种原料之间的质量比符合步骤2确定的质量比，将所取的生石灰、砂黏土和水泥拌和，形成第二拌合料；然后，将第二拌合料和水拌合均匀，并在5分钟内填入钻孔中，用重锤夯实机进行夯填，形成石灰桩体2；施工过程中的分层填料厚度、夯锤高度、夯击次数采用步骤3确定的施工工艺参数，拌和料和水拌合时，掺水量为砂黏土的塑限含水率；石灰桩体2的下端与冻土下限平齐，石灰桩体2的上端与冻土上限相平齐；石灰桩体2施工完成后，用粉黏粒含量小于15%（质量百分数）的非冻胀粗粒料夯填位于石灰桩体2上方的季节活动层内的孔，在季节活动层内形成粗粒料桩体1，建成石灰桩3；

石灰桩3建成后，按步骤3的方法选取部分石灰桩3进行地温检测、桩体变形检测和桩周土变形检测，并进行复合地基承载力检测，检测数量不少于总桩数的2%。

在岛状多年冻土地基上建造图1所示的石灰桩，对该冻土地基进行处理，不仅能够预先融化多年冻土，对融化后的地基土进行挤密加固，保证地基土满足工程建设需要，而且能防止后期地基土出现冻胀。

本设施完工后，由于控制了石灰桩成桩时的初始掺水量（砂黏土的塑限含水量），能保证石灰桩的最大夯实效果，也能减缓石灰桩遇水反应速度，减少施工过程中生石灰遇水反应放热量的损失，尽量保证反应放出的热量用于融化冻土。同时，桩体内生石灰与水反应后放出热量，能形成“反应放热-融化冻土-吸收融土水分-反应放热”的循环，确保石灰桩融化冻土的效果。

本设施加固处理岛状多年冻土地基主要是通过以下几个方面实现的：

1）采用破坏原则处理多年冻土地基，利用的是生石灰遇水放热反应来融化多年冻土，提前消除多年冻土融化后产生的地基融沉变形。

2）石灰桩成桩置换了桩体范围的原有多年冻土，由于石灰桩的桩体承载力高于融化后土体承载力，通过置换作用能提高地基的承载力。

3）生石灰吸水熟化成熟石灰Ca(OH)₂这一反应过程中体积会发生膨胀，理论上体积增大约1倍。因此石灰桩能有效的对周围的土体产生侧向挤密，提高桩间土干密度，达到减小融化后土体沉降的目的。

4）石灰桩在熟化过程中会融化周围冻土地基并吸收融化后土体中的水分，对地基土具有排水固结作用。

Claims (4)

1.一种处理岛状冻土地基石灰桩的施工方法，其特征在于，该施工方法具体按以下步骤进行：

步骤1：结合勘察资料和室内试验，确定工程场地的多年冻土上限、多年冻土下限、多年冻土类型、未冻水含量及冻土总含水量、砂黏土液塑限、砂黏土最大干密度、生石灰的活性度和水化反应的单位放热量；

步骤2：根据查明的参数确定石灰桩桩体所用材料的质量配比：

建造石灰桩体（2）的材料为砂黏土、水泥和块状生石灰，该三种原料的质量比为：

生石灰﹕砂黏土﹕水泥=W _q ﹕（0.95- W _q ）﹕0.05

式中的W _q 表示生石灰的质量百分比，W _q 按下式计算：

式中：r ₁为桩直径，单位cm；r ₂为桩间距，单位cm；ρ _d 为冻土干密度，单位g/cm³；W _f 为冻土总含水率，单位%；W _u 为冻土中未冻水的含量，单位%；ρ _dmax为砂黏土最大干密度，单位g/cm³；H _w 为冰融化为水的相变潜热，单位J/g；q _q 为生石灰水化反应的单位放热量，单位J/g；

步骤3：钻成九个钻孔，该九个钻孔呈多排设置，同一排中相邻两个钻孔之间的距离相等，相邻两排中处于不同排的相邻两个钻孔之间的距离相等，这样，所有相邻的两个钻孔之间的距离均相等；分别取施工时所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三种原料的质量比符合步骤2确定的质量比，拌和，形成第一拌合料；第一拌和料和水拌和均匀，得填料，取体积0.04～0.06m³的一堆填料，称重，将所取的该堆填料填入钻孔内，测量该堆填料填入钻孔内的虚土厚度，根据最大冻土干密度、填入钻孔内的填料重量、桩径和压实系数计算出该堆填料填入钻孔后应达到的厚度，夯填，将该堆填料由虚土厚度夯实到应达到的厚度，建成试验桩，期间记录夯锤高度和夯击次数；从第一拌和料和水拌和均匀后开始到重锤夯实机开始夯填为止的这段时间不得超过5分钟；以上试验进行3～5次，分层填料厚度、夯锤高度和夯击次数分别取平均数作为下一步骤施工参数；

步骤4：在需处理的岛状多年冻土地基上钻孔；

分别取施工时所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；各组份的质量比符合步骤2确定的质量配比，拌和，形成第二拌合料；将第二拌合料和水拌合均匀，并在5分钟内填入钻孔中，夯填，形成石灰桩体；夯填过程中的分层填料厚度、夯锤高度、夯击次数采用步骤3确定的施工工艺参数，拌和料和水拌合时，掺水量为砂黏土的塑限含水率；石灰桩体的下端与冻土下限平齐，石灰桩体的上端与冻土上限相平齐；石灰桩体施工完成后，用粉黏粒含量小于15%的非冻胀粗粒料夯填位于石灰桩体上方的季节活动层内的孔，在季节活动层内形成粗粒料桩体，建成石灰桩；

建成的石灰桩包括直径300～500mm的石灰桩体（2），石灰桩体（2）上固接有直径与石灰桩体（2）直径相同的粗粒料桩体（1），石灰桩体（2）的长度为冻土下限和冻土上限之间的距离；粗粒料桩体（1）采用粉黏粒含量小于15%的非冻胀的粗颗粒填料制成。

2.根据权利要求1所述的处理岛状冻土地基石灰桩的施工方法，其特征在于，所述步骤3中，第一拌和料和需掺入的水拌和均匀，并在5分钟内填入钻孔，夯填后的压实系数0.95。

3.根据权利要求1所述的处理岛状冻土地基石灰桩的施工方法，其特征在于，所述步骤4中，相邻石灰桩之间的距离为石灰桩体直径的2.5～3.5倍。

4.根据权利要求1所述的处理岛状冻土地基石灰桩的施工方法，其特征在于，所述步骤3中，试验桩建造完成后，在部分相邻三根石灰桩之间设置地温监测点，在没有设置地温监测点的相邻三根石灰桩之间设置变形监测点，进行地温检测、桩体变形检测和桩周土变形检测，冻土融化、变形稳定后，选取数量为石灰桩总数量1%的石灰桩进行复合地基承载力试验，确定石灰桩的承载力。

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