土桩灰土桩石灰桩

河南理工大学土木工程学院地基处理技术挤密桩法compactionpileTechnicalofSoilImprovement第5章挤密桩法5.1砂石桩法5.2石灰桩法5.3土挤密桩法和灰土挤密桩法5.4夯实水泥土法5.5水泥粉煤灰碎石桩法5.2石灰桩法5.2.1概述5.2.2加固机理5.2.3设计计算5.2.4施工5.2.5质量检验1)灰土桩：以消石灰和土（粉煤灰或矿渣）为桩体材料，成孔夯实并挤密桩周形成复合地基。2）石灰柱(喷粉桩）：通过特殊的搅拌机将石灰粉与原位软土搅拌均匀，促使软土硬结，形成石灰柱。3）石灰浆压力喷注法：压力注浆的一种。一.概述石灰桩：成孔后，孔中加入生石灰块，或石灰块中掺入水硬性材料和火山灰。在拔管的同时进行振密，捣密。利用生石灰的的水化反应（吸水，膨胀，发热，离子交换），使桩周土体的含水量降低，孔隙比减小…….石灰桩的定义

石灰桩：将不同比例的生石灰与粉煤灰等掺合料，拌合和均匀，在孔内夯实形成竖向增强体，并与桩间土组成复合地基的处理方法。石灰桩属可压缩的低粘结强度桩。

由于生石灰与地基中的水，土产生一系列物理化学作用，改善桩体周围土体的物理力学性质，从而使桩间土与桩体形成复合地基，达到地基加固的目的。

适用于处理杂填土、素填土、一般粘性土、淤泥质土以及透水性小的粉土。适用于道路、码头、铁路、软弱地基的加固工程及托还工程和基坑支护工程。1）生石灰的水化反应及其特性1.反应过程吸收大量水分:

生石灰的吸水量包括两部分，一部分是CaO水化所需的水量，另一部分是生石灰的水化产物Ca(OH)2的孔隙吸水量。2.生石灰的水化反应为放热反应:

所放热量可使地基土温度提高，产生汽化脱水现象，降低地基土的含水量，从而减少土的孔隙比，增加土的密实度。3.生石灰水化反应中伴随有体积的显著增大:

水化过程中，由于固相体积和孔隙体积的增大，生石灰水化后可膨胀到原体积的1.5～3.5倍。二.石灰桩的加固机理2）可从桩间土、桩身和复合地基三个方面分析1))桩间土a.成孔挤密作用采用振动沉管法成孔，会对桩间土产生挤密效果。但对灵敏度高的饱和软粘土，成桩过程会破坏土的原状结构，降低土的强度。b.吸水作用：实践证明，1kg纯氧化钙消化成为熟石灰可吸水0.32kg。对石灰桩桩体，在一般压力下吸水量约为65％～70％。根据石灰桩吸水总量等于桩间土降低的水总量，可得出软土含水量的降低值。c.膨胀挤密：生石灰具有吸水膨胀作用，在压力50～100kPa时，膨胀量为20％～30％。膨胀的结果使桩周土挤密。d.发热脱水：1kg氧化钙在水化时可产生280卡热量，桩身温度可达200-300度。使土产生一定的气化脱水，从而导致土中含水量下降、孔隙比减小、土颗粒靠拢挤密，在所加固区的地下水位也有一定的下降。e.离子交换：软土中钠离子与石灰中的钙离子发生置换，改善了桩间土的性质，并在石灰桩表层形成一个强度很高的硬层。f.置换作用：软土为强度较高的石灰桩所代替，从而增加复合地基承载力。g.减载作用：石灰桩的搀和料为轻质的粉煤灰或炉渣，生石灰的重度约为10kN/m3，石灰桩身饱和后的重度为13kN/m3，因此，当采用洛阳铲或螺旋钻成孔，将桩位处原土取出，换成石灰桩体，并在土中形成大量密集分布的桩体，相当于以轻质的石灰桩置换土，复合土层的自重减轻，置换率越大，则减载作用越明显。由此可减少桩底下卧层软弱土层的附加应力，对减少软土变形有一定作用。2)桩身加固机理生石灰桩本身具有一定的强度和刚度，可以提高地基的承载力和改善地基的变形特性。另外要防止出现“软心”现象。如何克服软心：a.必须要求石灰桩具有一定的初始密度，而且吸水过程中有一定的压力，限制其自由胀发。b.加大充盈系数，提高石灰含量或缩短桩距，进一步约束桩的胀发。c.桩顶采用粘土封顶，可限制石灰膨胀而隆起。d.采用掺和料,也可防止软心。3)复合地基石灰桩复合地基承载力由三部分组成：⑴桩身强度；⑵桩间土；⑶桩周形成的硬壳层。通过提高桩身强度、增加桩间土的加固效果都可以提高复合地基承载力。问题1：石灰桩对软弱土的加固机理可分为物理加固和化学加固两个作用，下列属于物理加固作用的是（）。A、吸水作用；B、膨胀挤密作用；C、桩身置换作用；D、离子交换作用；E、凝胶作用；F、反应热作用；问题2：对软土采用石灰桩处理后，石灰桩外表层会形成一层强度很高的硬壳层，这主要是由（）起的作用。A、吸水膨胀；B、离子交换；C、反应热；D、碳酸反应；石灰桩的技术特点：1.能够使软土迅速固结。即使是松散的新填土，在加固范围内成桩后7-28天基本完成固结。2.可大量使用工业废料，具有显著社会效益。3.节约钢材，水泥，造价低廉。4.设备简单，可就地取材，便于推广。5.施工速度快。6.人工挖孔施工无振动和噪声，可在狭窄的空间内施工。7.国内受设备限制，大多采用6m内以内的浅层加固。三.石灰桩的设计计算石灰桩的设计以经验为主，无经验要进行试桩桩径，桩位及布置：石灰桩成孔直径应根据设计要求及所选用的成孔方法确定，常用300～400mm，可按等边三角形或矩形布桩，桩中心距可取2～3倍成孔直径。石灰桩可仅布置在基础底面下，当基底土的承载力特征值小于70kPa时，宜在基础以外布置1～2排围护桩。2.桩长：取决于加固目的，上部结构条件及成孔机具。⑴对于变形要求高的建筑物地基，宜达到计算压缩层底部；⑵对用于地基稳定目的的石灰桩，应穿过可能的滑动面；⑶应满足软弱下卧层承载力要求，并使复合地基沉降控制在容许值之内。3.桩体材料：石灰桩的主要固化剂为生石灰，掺合料宜优先选用粉煤灰、火山灰、炉渣等工业废料。生石灰与掺合料的配合比宜根据地质情况确定，生石灰与掺合料的体积比可选用1︰1或1︰2，对于淤泥、淤泥质土等软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，掺加量为生石灰用量的3%～10%。4.垫层：当地基需要排水通道时，可在桩顶设200-300mm的砂石垫层。5.石灰桩复合地基的承载力特征值：不宜超过160kpa，当土质较好并采取保证桩身强度的措施，经过试验后可以适当提高。a.现场荷载试验法b.公式计算方法桩身强度fpk:现场单桩静荷载试验或静力触探试验确定，初步设计时fpk＝300～450kPa。桩间土强度fsk

：取天然地基承载力特征值的1.05～1.20倍，土质软弱或置换率大时取高值.面积置换率n:

桩面积按1.1～1.2倍成孔直径计算，土质软弱时宜取高值。6.沉降计算：

处理后地基变形应按现行的国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007有关规定进行计算。变形经验系数sψ可按地区沉降观测资料及经验确定

石灰桩复合土层的压缩模量宜通过桩身及桩间土压缩试验确定，初步设计时可按下式估算：Esp：复合土层的压缩模量（MPa）；a:系数，可取1.1～1.3，成孔对桩周土挤密效应好或置换率大时取高值：n：桩土应力比，可取3～4，长桩取大值。Es：天然上的压缩模量（MPa）；四.石灰桩的施工1）材料:

石灰桩的材料以生石灰为主。MgO含量小于或等于5％的生石灰称为钙质生石灰，大于5％的称为镁质生石灰。钙质生石灰水化反应能力大，反应速度快。石灰桩不推采用纯生石灰，应掺人一定的掺舍料，一般掺舍料用量控制在30-50％(重量比)范围内，使用掺和料的目的一方面是为了减少石灰用量，降低造价，更主要的是通过石灰与掺台料的化学反应提高桩身强度，掺和料常用有粉煤灰炉渣、矿渣、松散的亚粘土等。掺合料含水量宜在20％-40％，便于夯实1.成桩人工挖孔成桩、冲击法成桩、螺旋钻进法成桩、沉管法成桩、爆扩法成桩等5种施工工艺a.人工挖孔成桩一般多采用人工洛阳铲成孔，适用于一般粘性土、淤泥质土和淤泥。b.冲击法成桩应用冲击转机将一定质量的钻头，以0.5～2m的高度周期地冲击土层，每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下回转一定的角度，从而形成一个规整的圆形断面钻孔。2）成桩工艺1.管内成桩工艺管内成桩工艺是指用人工或机械成孔后，再填料夯实、封顶，自上而下成孔、自下而上夯填成桩。c.螺旋钻进法成桩

螺旋钻进法是一种干式回转钻进方法，特点是用螺旋钻杆不断地将土屑输送到地表，不使用冲洗液，符合石灰桩的施工要求，钻进效率高。⑴长螺旋钻进法可以深孔钻进，但孔壁不能自立的土中无法适用。⑵套管式螺旋钻进法适用于不稳定易塌孔的地层，最深可达35m。d.沉管法成桩沉管法包括振动沉管法和锤击沉管法优点：沉管法成孔的孔壁光滑规整，挤密效果和施工技术都较容易控制和掌握缺点：最大成孔深度受桩架高度限制，一般不超过8me.爆扩法成孔⑴药眼法适用于含水量不超过22％的土层⑵药管法适用于含水量较大的土层管外成桩工艺2.施工要点及顺序⒈进行成桩试验和材料配合比试验，确定合理的成桩参数，并制定施工组织设计；⒉防止地表水和邻近水源渗透浸入石灰桩身；⒊打桩顺序按“先外排后内排，先周边后中间”的原则，单排采用“先两端后中间”顺序。⒋要严格控制填料量和材料质量，掺和材料严格按配合比与生石灰搅拌均匀。⒌成桩后应立即用粘土或混凝土等材料压实封顶，防止地表水流入桩身和防止石灰桩因水化过分激烈而引起桩孔喷料。⒍基础施工应在石灰桩达到一定强度后进行。⒎注意施工安全，防止石灰桩喷料伤人。五质量检验一、桩身质量检验⑴检查桩径、桩的外观、桩身材料分布、桩身密实度等⑵静力触探、轻便触探、标贯试验测定桩身质量⑶荷载试验二、桩间土检验静力触探、标贯试验、轻便触探、旁压试验等原位测试手段，同时钻孔取样进行室内土工试验，测定加固后的各项指标变化。三、复合地基质量检验采用现场单桩或多桩复合地基荷载试验5.3土挤密桩和灰土挤密桩5.3.1概述5.3.2加固机理5.3.3设计计算5.3.4.施工5.3.5质量检验一.概述

灰土挤密桩或土挤密桩通过成孔过程中的横向挤压作用，桩孔内的土被挤向周围，使桩间土得以挤密，然后将备好的灰土或素土（粘性土）分层填入桩孔内，并分层捣实至设计标高。用灰土分层夯实的桩体，称为灰土挤密桩；用素土分层夯实的桩体，称为土挤密桩。二者分别与挤密的桩间土组成复合地基，共同承受基础的上部荷载。灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，可处理地基的深度为5～15m。当以消除地基土的湿陷性为主要目的时，宜选用土挤密桩法。当以提高地基土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。当地基土的含水量大于24％、饱和度大于65％时，不宜选用灰土挤密桩法或土挤密桩法。【例题-1】下列哪些地基土适合采用灰土挤密桩法处理?(A)地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土(B)湿陷性黄土、素填土和杂填土(C)以消除地基土的湿陷性为主要目的的地下水位以上的湿陷性黄土(D)以提高地基土的承载力或增强其水稳性为主要目的的地下水位以上的湿陷性黄土(E)地基土的含水量小于24％的湿陷性黄土【例题-2】下列哪些地基土适合采用土挤密桩法处理?(A)地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土(B)湿陷性黄土、素填土和杂填土(C)以消除地基土的湿陷性为主要目的的地下水位以上的湿陷性黄土(D)以提高地基土的承载力或增强其水稳性为主要目的的地下水位以上的湿陷性黄土(E)地基土的含水量小于24％的湿陷性黄土二.加固机理1.挤密作用土中成孔时，桩孔内原有土体被强制侧向挤出，使桩间土一定范围内的土层受到挤压、使桩周一定范围内的土层密实度提高。2.灰土性质作用灰土桩：石灰与土按一定体积比例拌和，并在桩孔内夯实加密后形成的桩。3.桩体作用灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量，基底下桩可分担近一半荷载，产生应力集中，消除持力层内产生大量变形和湿陷变形的不利因素。【例题-3】灰土挤密桩法的加固机理有：(A)挤密作用(B)灰土性质作用(C)置换作用(D)排水固结(E)减载作用(F)桩体作用【例题-4】土挤密桩法的加固机理有：(A)挤密作用(B)灰土性质作用(C)置换作用(D)排水固结(E)垫层作用(F)桩体作用三.设计计算处理范围：灰土挤密桩和土挤密桩处理地基的面积，应大于基础或建筑物底层平面的面积，并应符合下列规定：

当采用局部处理时：超出基础底面的宽度：对非自重湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，每边不应小于基底宽度的0.25倍，并不应小于0.50m；对自重湿陷性黄土地基，每边不应小于基底宽度的0.75倍，并不应小于1.00m。

当采用整片处理时：超出建筑物外墙基础底面外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2m。2.处理深度：灰土挤密桩和土挤密桩处理地基的深度，应根据建筑场地的土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等综合因素确定。对湿陷性黄土地基，应符合现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025的有关规定。3.桩间距及桩位布置：直径可由成孔设备或成孔方法确定。直径宜为300～450mm，以使桩间土得到基本均匀和有效的挤密为原则，保证桩间土的湿陷性能完全消失。桩孔宜按等边三角形布置，桩孔之间的中心距离，可为桩孔直径的2.0～2.5倍，也可按下式估算：：桩孔之间的中心距离(m)：桩孔直径（m）：桩间土的最大干密度（t/m3）；：地基处理前上的平均干密度（t/m3）；：桩间土经成孔挤密后的平均挤密系数，对重要工程不宜小于0.93，对一般工程不应小于0.90。：在成孔挤密深度内，桩间土的平均干密度（kg/m3），平均试样不小于6组。4.桩孔数量：桩孔的数量可按下式估算：：桩孔数量:拟处理地基面积（m2):一根桩所承担的处理地基面积（m2):一根桩分担的处理面积的等效直径，三角形布置正方形布置5.桩孔内的填料,密实度及配合比：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λc控制。当桩孔内用灰土或素土分层回填、分层夯实时，桩体内的平均压实系数值，均不应小于0.96；消石灰与土的体积配合比，宜为2︰8或3︰7。6.垫层：桩顶标高以上应设置300～500mm厚的2︰8灰土垫层，其压实系数不应小于0.95。一方面可使桩顶和桩间土找平，另方面有利于改善应力扩散，调整桩土的应力比，并对减小桩身应力集中也有良好作用。7.灰土挤密桩和土挤密桩复合地基承载力特征值：应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。初步设计当无试验资料时，可按当地经验确定，但对灰土挤密桩复合地基的承载力特征值，不宜大于处理前的2.0倍，并不宜大于250kPa；对上挤密桩复合地基的承载力特征值，不宜大于处理前的1.4倍，并不宜大于180kPa。8.灰土挤密桩和土挤密桩复合地基的变形计算：应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的有关规定，其中复合土层的压缩模量，可采用载荷试验的变形模量代替。故桩和桩间土（复合土层）的变形可不计算，但应计算下卧未处理土层的变形。【例题-3】某场地湿陷性黄土厚度7～8m、平均干密度设计要求消除黄土湿陷性，地基经治理后，桩间土最大干密度要求达到1.6t/m3。现决定采用挤密灰土桩处理地基。灰土桩桩径为0.4m，等边三角形布桩。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)的要求，该场地灰土桩的桩距最接近下列哪个值?（桩间土平均挤密系数取0.93）

(A)0.76m(B)0.78m(C)0.80m(D)1.0m【例题-4】采用灰土挤密桩处理后的复合地基承载力特征值一般不宜大于多少?采用土挤密桩处理后的复合地基承载力特征值一般不宜大于多少?(A)150kPa(B)180kPa(C)200kPa(D)250kPa(E)280kPa四.施工b)桩顶设计标高以上的预留覆盖上层厚度宜符合下列要求：沉管（锤击、振动）成孔，宜为0.50～0.70m；冲击成孔，宜为1.20～1.50m。1）施工准备：a)成孔时，地基土宜接近最优（或塑限）含水量，当土的含水量低于12%时，宜对拟处理范围内的土层进行增湿，增湿土的加水量可按下式估算：1.成桩2）成孔和孔内夯实要求：成孔应按设计要求、成孔设备、现场土质和周围环境等情况，选用沉管（振动、锤击）或冲击等方法。成孔和孔内夯实施工要求：1.成孔和孔内回填夯实的施工顺序，当整片处理时，宜从里（或中间）向外间隔1～2孔进行，对大型工程，可采取分段施工；当局部处理时，宜从外向里间隔1～2孔