CN210684656U - 用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件 - Google Patents

Abstract

用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件。多年冻土地基的融沉和稳定又需要很长的时间，若对多年冻土不进行处理，在公路的运营过程中势必会产生病害或潜在一定的不稳定因素。本实用新型组成包括：两层砂砾层（1），所述的砂砾层下部设置有一组生石灰碎石桩组（2），所述的生石灰碎石桩组是由三个呈等边三角形布置的生石灰碎石桩（3）组成，相邻两个所述的生石灰碎石桩之间的中心距为所述的生石灰碎石桩直径的3‑5倍。本实用新型用于多年冻土地基的促融加固。

Description

用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件

技术领域：

本实用新型涉及一种冻土施工结构，具体涉及一种用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件。

背景技术：

长期以来，国内外关于多年冻土路基稳定和病害治理的研究一直在持续，通过广大专家、学者的努力取得了丰硕的成果，理论技术水平有了很大提高，在实践和生产应用方面也积累了丰富的经验。通过对多年冻土勘察和一些相关课题的试验研究，了解到保护路基下的岛状多年冻土是非常困难的，而多年冻土地基的融沉和稳定又需要很长的时间，若对多年冻土不进行处理，在公路的运营过程中势必会产生病害或潜在一定的不稳定因素，因此，探求有效防治冻土病害并且经济合理的多年冻土地基处理方案是十分必要的。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件，其组成包括：两层砂砾层，所述的砂砾层下部设置有一组生石灰碎石桩组，所述的生石灰碎石桩组是由三个呈等边三角形布置的生石灰碎石桩组成，相邻两个所述的生石灰碎石桩之间的中心距为所述的生石灰碎石桩直径的3-5倍。

所述的用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件，所述的生石灰碎石桩的直径为30-60cm。

有益效果：

1.本实用新型生石灰碎石桩组是由三个呈等边三角形布置的生石灰碎石桩组成，相邻两个生石灰碎石桩之间的中心距为生石灰碎石桩直径的3-5倍，可使桩间多年冻土短期时间内全部融化，并且均匀挤密。

本实用新型综合了石灰桩、碎石桩和碎石挤密桩进行组合，采用冲击或回转钻进成孔、夯实成桩的生石灰碎石桩，对退化严重的岛状多年冻土和温度高于-1.0℃的衔接冻土进行促融加固处理是有效的。

本实用新型的生石灰碎石桩属于低黏结强度半刚性桩，桩体具有一定强度，其无侧限抗压强度qu在500～1000Kpa之间，桩顶应力在0.4～0.9qu之间，它类似于刚性状的CFG桩，它具有较高的承载能力和很小的变形，该桩体是利用回转钻或冲击钻钻进成孔，在冲击成孔过程中对地基土产生较大的横向挤密作用；通过夯锤夯击填入孔中的生石灰和碎石，形成的密实的桩体，夯击能量通过桩体材料向桩孔四周传递，对桩周土产生一定的挤密作用；桩体形成后，生石灰的吸水放热反应、体积膨胀，使桩周土产生一定的排水固结，大幅度提高地基整体承载力和减少沉降量。

附图说明：

附图1是本实用新型的结构示意图；

附图2是生石灰碎石桩的布置图；

图中：1、砂砾层；2、生石灰碎石桩组；3、生石灰碎石桩。

具体实施方式：

实施例1：

一种用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件，其组成包括：两层砂砾层1，所述的砂砾层下部设置有一组生石灰碎石桩组2，所述的生石灰碎石桩组是由三个呈等边三角形布置的生石灰碎石桩3组成，相邻两个所述的生石灰碎石桩之间的中心距为所述的生石灰碎石桩直径的3-5倍，所述的生石灰碎石桩是由在冻土层中钻孔，所述的孔内填充生石灰碎石而形成的结构，生石灰碎石中生石灰与碎石的体积配合比范围宜在1：4~1：1之间。根据土质及地下水情况选用成孔方式，根据多年冻土的类型选择合理的配合比，也可以考虑参入一定的水泥（4%-10%）及外加剂等。

石灰桩法适用于处理饱和黏性土、淤泥、淤泥质土、素填土和杂填土等地，由于生石灰的吸水膨胀作用，特别适用于新填土和淤泥的加固，生石灰吸水后还可使淤泥产生自重固结；灰土挤密桩法适用于处理湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基；碎石挤密桩复合地基适用于挤密松散砂土、粉土、素填土和杂填土等地基。当以提高地基的承载力或增强其水稳性为主要目的时，宜选用灰土挤密桩法。

多年冻土地基的特性类似湿陷性黄土地基，它们都是在后期由于外界条件的变化而产生不利影响，多年冻土是由于温热条件的变化导致冻土融沉，湿陷性黄土是由于浸水或湿度增大造成地基土湿陷。多年冻土一般埋藏较深且较厚，而生石灰碎石桩法正适用于深层加密处理地基，处理深度一般为5-15m，因此，可以用来对多年冻土地基进行处理，从而提高地基承载力，降低地基压缩性，从而在一定程度上能够减弱或消除多年冻土的融沉；更为重要的是，生石灰水化作用放出大量的热量，能够在短期内使多年冻土融化，这样一来，多年冻土地基就变为类似于普通的软基，而多年冻土的成分大多为饱和黏性土、淤泥、淤泥质土等软土，而生石灰的吸水膨胀加快了软土的排水固结速度，避免了多年冻土地基的缓慢融沉和不均匀沉降，减小了工后沉降量，消除了多年冻土地基长期不能稳定对工程造成的不良影响。总之，对于沉降要求不高、具有一定的堆载压密条件和充足的压（挤）密固结时间的公路路基，采用生石灰碎石挤密桩应该是非常有效的。

实施例2：

根据实施例1所述的用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件，所述的生石灰碎石桩的直径为30-60cm。

生石灰碎石桩对多年冻土地基的加固作用主要表现在以下方面：

１）挤密作用

我省的多年冻土温度都不很低，大部分冻土温度在-1℃以上，尤其岛状多年冻土，温度一般不低于-1.0℃，冻土多为孔隙比较大的软塑－流塑粘性土冻结而成，其含水量较高，而且其中存在一定量的未冻水，使其具有一定的可塑性，冻结时多为硬塑-半坚硬的状态。因此，采用较大冲击能的冲击设备或潜孔钻是能在多年冻土地层中冲击成孔的，在多年冻土勘察的冲击钻进证明了这点，并且冻土中成孔质量好，且很少有地下水的影响。因此，对于多年冻土可以参照柱锤冲扩法成孔。采用冲击成孔，无需外运土方，因而节约了土方的工作量，工期短效率高。但对于冻结的砂、砾石、碎石及较硬粘性土，冲击成孔是不适合的，宜采用螺旋钻或潜孔钻钻进进成孔。

生石灰碎石挤密桩的挤密作用主要为三个部分。首先，对于融化层及软粘性土冻结层，冲击成孔时对桩孔周围土层产生很大的横向挤压力，桩土挤向周围的土层，使桩体周围的土层孔隙比减小、密实度增大；其次，在夯锤夯击填入孔中的桩体材料时，夯击能量通过碎石向孔底及四周传递，将孔底及桩周围的土挤密，并有一些碎石挤入四周的冻土中，形成桩的同时，桩周也形成一个与碎石胶结的挤密带，一定程度上增大了桩径；此外，生石灰的吸水挤密和膨胀挤密作用还有利于消除多年冻土融沉。实验已经证明，1kg纯氧化钙消化成熟石灰可吸水0.32kg，变成氢氧化钙，而氢氧化钙仍可吸水，因此降低了冻土融化形成的软土的含水量。生石灰在吸水后发生体积膨胀，生石灰消化后其体积膨胀约0.99倍，在50~100kpa压力下仍能膨胀近30％，由于桩距不大，一般0.8~1.5m，桩体的吸水膨胀横向挤密，相当于对厚度0.５~1.２m的土层进行压密，并且吸水和膨胀是同时进行，因此加快了软土的排水固结，缩短了地基的压缩稳定时间，使处理后的地基土短期内达到均匀稳定。地表填筑路基产生的荷载在冻土层内的附加应力随深度的增加逐渐减小，深部土层的压密固结较缓慢，因此地基的沉降稳定就需要较长时间，路基难以在短期达到稳定，甚至可能在公路的运营期产生较大沉降。而生石灰碎石桩能有效的对深部土层进行均匀挤密加固，提高其承载力和减少压缩性，从而满足上部荷载对地基的承载力和变形的要求。

）促融固结作用

生石灰碎石桩对多年冻土地基的加固作用关键在于生石灰吸水放热能使冻土在短期内全部融化，而冻土只有融化后才能在自重应力和附加应力的作用下完成固结和沉降，从而使地基满足承载力和变形的要求。

众所周知，生石灰在土壤里以化合物的形式吸收土中的水，其反应式为：CaO+H2O→Ca(OH)2+65.31kJ/kg，1kg氧化钙在水化时可产生65.31kJ的热量，一般地层中桩身温度可达200-300℃。由于发热引起水分蒸发，使天然含水量降低，有利于土壤固结脱水，并促使某些化学反应形成，如水化硅酸钙的形成。考虑采用生石灰碎石桩对多年冻土进行促融加固，正是利用生石灰吸水放热这一特性，在冻土层中建立均匀分布的发热源，促使冻土全部快速融化，从而使地基能尽快稳定。

在多年冻土地层中，由于成孔施工扰动和桩体材料具有一定初始温度（暖季施工），使桩孔周壁的冻土产生轻微融化，生石灰便会吸收土中的水分发生反应放出热量，促使冻土进一步融化，同时由于生石灰反应体积膨胀使融土挤密和排水，最终使多年冻土全部融化。

生石灰碎石桩桩径采用300mm，桩中心距1m，采用三角形布桩，用生石灰和级配碎石按3：7的体积比例拌和，多年冻土温度假定为-1.5℃，含水量为30%～130%（包括多冰冻土大部分含土冰层的含水量），并假定冻土中的水全部冻结成冰。通过对吸热量最大、含水量较大的土层（淤泥及淤泥质土）的估算可以得出，生石灰碎石桩中的生石灰水化放出的热量完全可以将温度为-1.5℃多年冻土全部融化并使温度升高至0℃以上。对于含水量高于130%的含土冰层，通过增大桩径或增加生石灰的含量，仍可以使其全部融化并使温度升高至0℃以上。由于计算中各种指标都是偏于安全采用的，并考虑了0℃的冰变为0℃得水所需热量，而且计算中没计入暖季桩体导入地下的热量及地表水渗入桩孔所带入的热量，因此，实际上多年冻土融化后温度会更高。所以，采用生石灰碎石桩，对退化严重的岛状多年冻土和温度高于-1.5℃的衔接冻土进行促融处理是有效的。

）化学加固作用

生石灰水化反应产生的Ca(OH) ₂和土中的CO₂生成碳酸钙，使桩体中的碎石胶结在一起，形成具有一定强度和水稳定性的桩体，抗压强度qu在500～1000Kpa之间，使生石灰碎石桩具有较高的承载能力和很小的变形，并保证桩长较大时，全桩长发挥作用，充分利用土对桩的侧阻力和端阻力。熟石灰的Ca²⁺离子与软土中钠离子发生置换，改善了桩间土的性质，并在桩体表层形成一个强度很高的硬壳层，硬壳土使得桩体面积增大、桩径增粗，使桩土之间的摩阻力增大，硬壳土和桩体共同下沉，保证桩和桩间土能更好地协同作用，共同承担上部荷载；另一方面，当桩端持力层承载力较高、变形较小时，由于桩间土产生较大的负摩阻力，使融化的多年冻土沉降减弱，一定程度地减小了桩间多年冻土的融沉量。此外，Ca²⁺离子在水的作用下与软土颗粒产生絮凝反应作用，这一反应过程使软土颗粒结合水膜厚度减簿，土的塑性降低，土粒间的粘结力增加，使土体强度和水稳定性提高。最后，熟石灰与粘土颗粒中的活性硅铝矿物进一步缓慢地产生化学作用，过程中又吸收熟石灰中的水分，形成结晶和生成铝酸盐和水化硅酸钙，改变了粘土的结构，这一反应过程将持续数年，是石灰对软粘土的后期作用。

）加筋作用

对多年冻土地层处理时，生石灰碎石桩一般要求贯穿整个多年冻土层或桩端进入不融沉或弱融沉地层中，桩体作为竖向加固体，在荷载作用下主要起应力集中作用，从而使桩间土负担的压力相对减少，与原天然地基相比，复合地基的承载力提高、沉降量减小。由于生石灰碎石桩的加筋作用和部分置换作用，增大了地基土的抗剪强度，提高了地基的抗滑稳定能力。此外，桩体在冻土融化压（挤）密过程中起到了一定的排水作用，不仅缩短了软土中孔隙水的水平渗透路径，还能将软土地基中桩体材料吸收剩余的水分向下或向上排出，加速软土的排水固结，从而增大地基土的强度，提高软基的承载力。

成桩之后处理对施工地段应及时铺设碎石垫层并压实，处理后的路段应尽早填筑路基，及时铺设碎石垫层及填筑路基，不仅能保证桩头和桩身强度，还使冻土路段地基上较长时间具有一定荷载，有利于地基沉降变形的尽快完成，并能防止桩体膨胀引起向上胀拔，避免削弱桩的横向挤密作用，生石灰碎石桩施工宜从路基两侧向中间进行，以使路基下冻土从两侧向中间融化，有利于冻土融化后水能向两侧排出，并在弥补由于路基两侧基底压力小于路中而引起的沉降速度不均。

前期准备：首先清理平整施工场地，铺设砂垫层并进行碾压，布置桩位；有地表水时，砂垫层应高于地表水位；桩孔填料前应清除孔内积水及残渣并及时进行填料；用标准料斗或运料车将拌和好的填料分层填入桩孔夯实，；当采用套管成孔时，边分层填料夯实，边将套管拔出；每个桩孔应夯填至地面下10~30m，其上部桩孔宜用上部垫层材料夯封。

向孔内夯填搅拌均匀的生石灰和碎石成桩，首先，对于融化层及软粘性土冻结层，冲击成孔时对桩孔周围土层产生很大的横向挤压力，桩土挤向周围的土层，使桩体周围的土层孔隙比减小、密实度增大；其次，在夯锤夯击填入孔中的桩体材料时，夯击能量通过碎石向孔底及四周传递，将孔底及桩周围的土挤密，并有一些碎石挤入四周的冻土中，形成桩的同时，桩周也形成一个与碎石胶结的挤密带，增大了桩径；最后，是最有利于消除多年冻土融沉的吸水挤密和膨胀挤密作用，对多年冻土地基的加固作用关键在于生石灰吸水放热能使冻土在短期内全部融化，而冻土只有融化后才能在自重应力和附加应力的作用下完成固结和沉降，从而使地基满足承载力和变形的要求；

桩距应根据设计要求的复合地基承载力、所处理场地地基土性、施工工艺等因素确定，为使桩间多年冻土短期时间内全部融化，并且均匀挤密，桩孔宜按等边三角形布置，桩孔之间的中心距离s，可为桩孔直径的3~5倍。桩的直径宜为300~600mm，可根据设计及所选用的成孔方法确定。常用的桩径为300~500mm。选用的夯锤应与桩径相适应。

生石灰碎石挤密桩处理地基的面积，应大于路基底面的面积。采用局部处理时，对弱融沉及部分融沉冻土地基，超出基础底面的宽度每边不应小于0.5m；对强融沉及部分融沉冻土地基，每边不应小于1.0m。当采用整片处理时，超出基础底面外缘的宽度，每边不宜小于2m。

生石灰碎石挤密桩处理地基的深度，应根据多年冻土层的厚度及土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等综合因素确定，当多年冻土层厚度及相对硬层的埋藏深度不大时，应按相对硬层埋藏深度及多年冻土层厚度确定，应使桩端穿透多年冻土层进入融化的硬土层中；当多年冻土层厚度较大，应使桩端进入不融沉或弱融沉地层中，并应估算多年冻土层变形量，按路基的变形允许值确定。

复合地基的变形包括桩和桩间土及其下卧未处理土层的变形。由于多年冻土地基的变形，主要是桩间融化后形成的软土的变形。对于弱融沉的多冰冻土和融沉的富冰冻土，通过融化并挤密后，桩间土的物理力学性质明显改善，即土的干密度增大、压缩性降低、承载力提高、多年冻土的融沉被大部分消除，故桩间土(复合土层)的变形可不计算；但对饱冰冻土及含土冰层应计算处理土层的变形是否满足路基对沉降量的要求；若不能满足，可以考虑对路基下的冻土融化形成的软土进一步加固处理。

桩孔内的填料，应根据工程要求或处理地基的目的确定，桩体的夯实质量宜用平均压实系数控制。桩体材料应分层回填、分层夯实，桩体的平均压实系数值均不应小0.96。生石灰的用量和碎石的粒径组成应根据室内试验确定，生石灰与碎石的体积配合比范围宜在1：4~1：1之间。对于淤泥、淤泥质土等软土形成的多年冻土，可适当增加生石灰用量，桩顶附近生石灰用量不宜过大。当掺石膏和水泥时，掺加量为生石灰重量的3％～10％。

生石灰碎石挤密桩桩孔内的填料量应通过现场试验确定，估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数确定，可取1.2~1.4。如施工中浅层季节融化层较厚时，地表可能产生下沉或隆起现象，则填料数量应根据现场具体情况予以增减。

桩体材料中的固化剂生石灰宜采用生石灰粉，有效氧化钙含量不宜低于70％，消石灰（熟石灰）含量不宜超过15％。骨料采用级配碎石、级配砂及少量石屑等硬质材料，可通过室内试验确定碎石的最佳级配。生石灰粉在使用前应避免受潮和雨淋，碎石、砂及石屑的含水量不应太大，含泥量不得大于5％，碎石的最大粒径不宜大于50mm。

生石灰碎石挤密桩顶部宜铺设一层厚度为300~500mm的碎石垫层，其压实系数不应小于0.96。由级配碎石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫层，在促融后的多年冻土复合地基中有保证桩、土共同承担荷载和调整桩、土水平荷载分担比的作用

多年冻土路段的生石灰碎石桩处理施工，应根据路基土方的施工进度进行安排。生石灰碎石挤密桩的施工方法可采用回转或冲击法在多年冻土中钻进成孔，然后向孔内夯填搅拌均匀的生石灰和碎石成桩。工艺较为简单，但确定施工工艺、选择成孔方法、施工顺序、向孔内夯填填料时应注意以下要求。

）成孔工艺

成孔方法有沉管(锤击、振动)、冲击、回转钻进成孔等方法，但都有一定的局限性，如冲击和锤击沉管成孔，在密实多年冻土中钻进可能较困难，回转钻进在冻结粘性土地层中效率不高等，因此，应综合考虑设计要求、成孔设备或成孔方法、现场土质和对周围环境的影响等因素，选用沉管(振动、锤击)或冲击、螺旋钻和潜孔钻等方法成孔。

）被加固地基土含水量

拟处理地基土的含水量对成孔施工与桩间土的挤密至关重要，尤其是冻土上部的季节融化层。工程实践表明，当天然土的含水量小于12％时，土呈坚硬状态，成孔挤密很困难，且设备容易损坏；当天然土的含水量等于或大于24％，饱和度大于65％时，桩孔可能缩颈，桩孔周围的土容易隆起，挤密效果差；当天然土的含水量接近最优(或塑限)含水量时，成孔施工速度快，桩间土的挤密效果好。因此，在成孔过程中，应根据拟处理地基土的含水量和成孔质量考虑采用套管及其他护壁方案。

）成孔和回填夯实

成孔和孔内回填夯实，应符合下列要求。

成孔和孔内的回填夯实的施工顺序，对整片处理，宜从外（两侧）向里（中间）进行，对较大段落，可采取分段工。

向孔内填料前，应清除孔内积水和孔底沉渣，必要时孔底应夯实，并应抽样检查桩孔的直径、深度和垂直度。

桩孔的垂直度偏差不应大于1.5％。

桩孔中心点的偏差不应超过桩距设计值的5％；

(5)经检验合格后，按设计要求，向孔内分层填人填料，并应分层夯实至设计标高或地表。

Claims (2)

1.一种用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件，其组成包括：两层砂砾层，其特征是：所述的砂砾层下部设置有一组生石灰碎石桩组，所述的生石灰碎石桩组是由三个呈等边三角形布置的生石灰碎石桩组成，相邻两个所述的生石灰碎石桩之间的中心距为所述的生石灰碎石桩直径的3-5倍，所述的生石灰碎石桩是由在冻土层中钻孔，所述的孔内填充生石灰碎石而形成的结构。

2.根据权利要求1所述的用于多年冻土地基促融加固的生石灰碎石桩组件，其特征是：所述的生石灰碎石桩的直径为30-60cm。

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