第10章石灰桩法(LimePile)

第10章石灰桩法（LimePile）用机械或人工的方法成孔，然后将不同比例的生石灰（块或粉）和掺合料（粉煤灰、炉渣等）灌入，并进行振密或夯实形成石灰桩桩体，桩体与桩间土形成石灰桩复合地基，以提高地基承载力，减小沉降，称为石灰桩法。

10.1概述利用洛阳铲成孔用推土铁钎将洛阳铲带出的土刮除石灰桩施工石灰桩孔径300mm，桩间距800mm洛阳铲夯填石灰桩夯锤（夯板）生石灰块粉煤灰拌合量孔器（测量孔径及孔深）适用范围：石灰桩法适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、素填土和杂填土以及透水小的粉土等地基；用于地下水位以上的土层时，宜增加掺合料的含水量并减少生石灰用量，或采取土层浸水等措施。石灰桩处理的重点土质是软土地基。10.2加固原理

一、物理加固作用

1.挤密作用（1）成桩中挤密桩间土（2）生石灰吸水膨胀挤密桩间土

2.桩和地基土的高温效应

3.置换作用

4.排水固结作用

5.加固层的减载作用

1.挤密作用

（1）成桩挤密作用石灰桩施工时是由振动钢管下沉成孔，使桩间土产生挤压和排土作用，其挤密效果与土质、上覆压力及地下水状况等有密切关联。一般地基土的渗透性愈大，打桩挤密效果越好；地下水位以上比地下水位以下挤密效果好。

（2）膨胀挤密作用石灰桩在成孔后贯入生石灰便吸水膨胀，使桩间土收到强大的挤压力，这对地下水位以下软粘土的挤密起主导作用。测试结果表明：根据生石灰质量高低，在自然状态下熟化后其体积可增加1.5～3.5倍，即体膨胀系数为1.5～3.5。

2.桩和桩间土的高温效应软粘土的含水量一般为40％～80％，1Kg生石灰的消化反应要吸收0.32Kg的水，同时在理论上将放出278千卡的热量。在我国，加掺和料的石灰桩，桩内温度最高达200～300℃。桩间土的温度升高滞后于桩体，在正常情况下，桩间土的温度最高可达40～50℃，使土产生一定的汽化脱水，从而使土体含水量下降，孔隙比减小，土体颗粒靠拢挤密，加固区的地下水位也有一定的下降。

3.置换作用石灰桩桩体具有比桩间土更大的强度（抗压强度约0.5～1MPa），分担了35%~60%的总荷载，因此形成复合地基。

4.排水固结作用石灰桩桩体的渗透系数一般为10-5～10-3cm/s，相当于细砂和粉细砂。且桩间距较小（2～3倍桩径），水平排水路径很短，具有较好的排水固结作用。已有建筑物沉降观测表明，建筑物竣工开始使用时，其沉降已基本稳定。

5.加固层的减载作用生石灰块的重度约为8~10kN/m3，桩身饱和后重度为13kN/m3。因此即使桩体饱和后，其密度也小于土的天然密度。当采用排土成桩时，加固层的自重减小，作用在下卧层的自重应力显著减小，即减小了下卧层顶面的附加应力。采用不排土成桩时，对于杂填土和砂类土等，由于成孔挤密了桩间土，加固层的重量变化不大。对于饱和粘性土，成孔时土体将隆起或侧向挤出，加固层的减载作用仍可考虑。

二、石灰桩的化学加固作用1.桩体材料的胶凝反应生石灰与活性掺合料反应生成的硅酸钙及铝酸钙水化物盐不溶于水，在含水量很高的土中可以硬化。2.石灰与桩周土的化学反应

（1）离子化反应：生石灰熟化生成的Ca（OH）2，仍保持很高的吸水能力，它将继续吸取周围土中的水分。

（2）离子交换：Ca（OH）2离子化产生的钙离子和粘土颗粒表面的阳离子进行交换并吸附在颗粒表面，改变了粘土颗粒带电状态，使表面弱结合水膜减薄，土粒凝聚，团粒增大，塑性减小，抗剪强度增大，（3）絮凝反应：熟石灰的Ca2+离子在水的作用下与软土颗粒产生絮凝反应，使土体产生钙化和胶凝作用,在石灰桩体与四周土体接触处形成2～10cm厚的硬壳层。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，土体强度和水稳定性提高。（4）碳酸化反应：Ca（OH）2与空气中的CO2反应后生成CaCO3结晶又与Ca（OH）2结晶相结合，构成CaCO3·Ca（OH）2合成结晶，这种碳化作用，也使桩周土形成强度较高的硬壳层。碳酸化的反应很缓慢，只能作为长期的强度储备来考虑。石灰桩适宜土质：

石灰桩是靠石灰与土之间发生一系列物理化学反应而形成强度的，不同的土质会产生不同的加固效果。粘土颗粒粒径小，表面积大，分散性大，稳定性差，容易和石灰发生反应，并且粘土较小的渗透系数常可使石灰搅拌桩含水量降低，所以石灰桩适宜处理软粘土地基。在软粘土矿物成份中，高岭土、伊利土和蒙脱土为三种主要的粘土矿物成分，而从结构、能量和成份三个方面而言，蒙脱土最容易与石灰发生反应，因而石灰桩适宜于蒙脱土类矿物含量高的粘土地基。

砂土中几乎不存在石灰的离子交换和凝胶反应，且砂土具有较高的渗透性，地下水不断补给使石灰桩难以获得足够的密实度和形成较大的强度。并且当软土地基中夹有透水砂层或粉土层时，由于石灰吸水膨胀比软土的固结快，桩体积的增加将使地基土隆起而不是软土含水量的减小，这种情况下也不宜用石灰桩。石灰桩的强度取决于软粘土的含水量

石灰桩的强度能否形成和强度高低，与软粘土的含水量有关。生石灰转变为熟石灰以及继续水化，都要吸收和蒸发软粘土中的水份。因此，必须要有足够的水供石灰水化，否则无法形成强度。另一方面水又不能过多，以使处于饱和状态的软粘土能够因脱水而转变成三相状态，软土中的空气才能为碳酸化反应提供足够的二氧化碳，从而形成使灰土反应生成有一定强度的胶结物质条件，形成较高的强度。由于石灰桩中的水分在强度形成中得到消耗，灰土含水量就会大幅度减少，甚至由流动状态转变为硬塑乃至坚硬状态，从而大大提高石灰土的强度。10.3设计计算一、设计参数及技术要点

1.桩径从石灰桩的加固机理看，采用“细而密”的布桩方案较好，但需顾及施工技术装备条件，同时保证桩身质量。国内常用桩径一般为300～400mm，当排土成孔时，实际桩径取1.1～1.2倍设计直径。

2.桩长洛阳铲成孔不宜超过6m，机械成孔管外投料时，不宜超过8m。

石灰桩作为一种柔性桩，其有效长度的概念比其他胶结程度更好、桩身强度更高的柔性桩更加明显，亦即当桩长大于其有效长度时，再加长的桩身对提高石灰桩的承载力影响甚微。根据这一概念，石灰桩不宜过长。

3.桩距可取2～3倍成孔直径。

4.桩体抗压强度可取350～500kPa。

5.桩间土承载力与置换率、施工工艺和土质情况有关。可取天然地基承载力的1.05～1.20倍。土质软弱或置换率大时取高值。

6.复合地基承载力复合地基承载力特征值不宜超过160kPa。初步设计时可按一般散体材料桩的复合地基承载力公式估算：

7.桩土应力比可取3～4，长桩取大值。

8.布桩

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。

9.垫层当地基需要排水通道时，可在桩顶以上设200～300mm厚的砂石垫层。石灰桩宜留500mm以上的孔口高度，并用含水量适当的粘性土封口，封口材料务必夯实，封口标高略高于原地面。石灰桩桩顶施工标高应高出设计桩顶标高的100mm以上。

10.桩身材料配合比生石灰与掺合料的体积比可选用1：1或1：2，对淤泥、淤泥质土、填土可适当增加生石灰用量。但桩顶附近石灰用量不宜过大。二、石灰桩复合地基承载力计算

面积置换率m应取膨胀后的桩面积计算，即取1.1～1.2倍成孔直径。三、石灰桩复合地基沉降计算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：

式中Es为天然土的压缩模量（MPa），桩间土承载力提高系数α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。10.4施工一、施工工艺

1.管外投料法：避免堵管现象。

2.管内投料法：适用于地下水位较高的软土地区。

3.挖孔投料法：采用洛阳铲人工挖孔、投料夯实。在地下水位下的砂类土及塑性指数小于8的粉土中难以成孔。管外成桩工艺二、施工质量控制

1.石灰材料应选用新鲜生石灰块，有效氧化钙含量不宜低于70％，粒径不应大于70mm，含粉量不宜超过15％。

2.掺合料含水量宜控制在30％左右。

3.填料时必须分段压（夯）实，人工夯实时，每段填料厚度不应大于400mm。

4.施工顺序宜由外围或两侧向中间进行。在软土中宜间隔成桩。

5.桩位偏差不宜大于0.5倍桩身直径。

1.石灰桩施工检测宜在施工后7～10d后进行；竣工验收检测宜在施工后28d进行。

2.施工检测可采用静力触探、动力触探或标准贯入试验。检测部位为桩中心及桩间土，每两点为一组。检测组数不少于总桩数的1％。

3.石灰桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试