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【摘 要】本文对近年来被广泛采用的石灰桩加固软土地基从物理和化学不同的作用机理进行了分析，对石灰桩的设计原则和设计中容易出现的问题进行了具体深入的分析,认为石灰桩在处理软土地基方面具有光明的前景。
【关键词】石灰桩；软土地基；置换；承载力
引言
用石灰掺填法加固软弱地基在我国已有约两千年的历史，石灰桩在处理软弱土、杂填土地基，提高地基承载力方面，具有开挖土方少，施工进度快，造价低等特点，与其他挤密桩一起被推广使用。从局部处理软弱地基，到处理整片软弱地基或整幢建筑物地基，从单独使用到与低标号混凝土桩结合而形成三元复合地基，石灰桩的应用范围正逐步扩大，加上对粉煤灰的废物利用，对环境保护具有积极的影响。
1 石灰桩的加固机理
1.1 化学加固机理
石灰桩中的主要材料是生石灰块，其主要成份CaO遇水后分解、膨胀并形成Ca(OH)2，软弱土被挤压密实、脱水、固结后，使强度得到提高。在石灰中掺入粉煤灰改良后的石灰桩再掺入一定的粘性土，除可提高桩体强度及减少生石灰用料外，由于粘性土具有隔水性，可在高地下水位的情况下减少水对桩体的侵蚀，提高砂性地基土中桩体的稳定性。生石灰块与粉煤灰、粘性土以一定比例拌匀并挤密入孔后，孔周围的水份被吸附入桩内，由于石灰具有很强的吸水性，生石灰反应成熟石灰的需水量为生石灰重量的32％，在吸水过程中，将释放出大量的水化热，反应产生的200℃~300℃的高温将使桩间土的最高温度可达到40℃~50℃，桩间土在高温作用下产生汽化脱水，土中孔隙水压力消散，含水量降低，由于含水量降低，周围土受到脱水挤密促进了桩周围地基的固结，生石灰(CaO)吸水后消解，形成的Ca(OH)2进一步吸水并与粉煤灰中的活性材料SiO2、AL2O3发生反应，生成具有水硬性的水化硅酸盐和水化铝酸盐，使桩体结硬。桩周围的土部分变硬，实际等于扩大了桩径，从而提高了复合地基的承载力，达到处理软弱地基、杂填土地基的效果[1]。
1.2 物理加固机理
1.2.1 挤密作用
大量的原位测试及土工试验结果分析表明，石灰桩桩体吸水后膨胀，对桩边一定范围内的土休显示了较好的加固效果，经挤密后桩间土的强度为原来强度的1.1~1.2倍。
1.2.2 高温效应
生石灰水化放出大量的热量。桩内温度以及桩间土可以促进生石灰与粉煤灰等桩体掺合料的凝结反应。高温引起了土中水分的大量蒸发．对减少土的含水量，促进桩周土的脱水起了积极作用。
1.2.3 置换作用
石灰桩作为竖向增强体与天然地基土体形成复合地基，使得其压缩模量大大提高．工后沉降减少、而且复合地基抗剪强度大大提高、稳定安全系数也得到提高。
1.2.4 排水固结作用
由于桩体采用了渗透性较好的掺合料，石灰桩桩体的渗透系数在4.07×10-2~6.13×10-5之间，相当于粉细砂，桩体排水作用良好[2]。
1.2.5 加固层的减载作用
由于生石灰的密度为0.8g/cm3，掺合料的干密度为0.6~0.8g/cm3，显著小于土的密度．因此，当采用排土成桩时，相当于加固层的自重减轻、这对于工程是非常有利的。
2 石灰桩布置尺寸的确定
由于石灰桩的膨胀挤密效应和排水固结作用，石灰桩在设计过程中应该采用小桩径、密布桩的原则。
2.1 桩径、桩长的确定
国内用直径150mm~350mm的石灰桩，较长的桩宜用较大的直径，直径200mm以下的桩只适用于5m以下的短桩。
当需要加固土土层较薄，且下面是较好土层时，石灰桩应打穿软弱土层进入好土；当软弱土层深厚时，则应视不同情况处理，对用于加强地基稳定的石灰桩，桩长应穿过所有可能的滑动面，一般倩况常按双层地基考虑，桩长应能满足双层地基的承载力和变形要求。
2.2 桩距和布桩范围
桩距依赖于所需要的石灰桩置换率，石灰桩的加固效果与桩距密切相关，在桩的中心位置最佳有效挤密范围为2.5d~3.0d。石灰桩是柔性桩，一般认为柔性桩宜在基础范围以外设置围护桩。
2.3置换率
石灰桩置换率有两个概念，一是由施工时桩管或桩孔面积确定的置换率，二是由石灰桩吸水膨胀后的桩身截面积确定的置换率m′＝εm。
通常情况下，若石灰桩设计桩径为300mm，则膨胀后可达330~360mm(排土成孔时)。面积置换率计算宜以在石灰桩膨胀后的实际桩径计算，而不能以石灰桩设计桩径计算，否则会导致过多的桩数，造价增高。在正常置换率的情形下，桩中心距一般采用2d~3d，按设计桩径计算的置换串为0.09~ 0.20，膨胀后实际置换串约为0.13~0.28[3]。
3 桩体选材及配比问题
构成桩体的主材是生石灰和粉煤灰。生石灰的活性CaO应大于85％，灰块直径以5cm左右为宜，粉灰含量应小于20％，矸石含量应小于5％；粉煤灰为SiO2、Al2O3活性元素含量较高的新鲜粉煤灰，含水量应小于40％。
石灰桩若全部采用生石灰，则不存在配合比问题。多数情况下，掺入了活性掺合科的石灰桩其桩体强度有大幅度提高。通常情况下，生石灰与掺合料的体积比为1:2。但该配合比不是一成不变的，对于淤泥及淤泥质土，为了大量吸收桩间土中孔隙水，可增大生石灰掺入比，此时可采用体积比1:1.5甚至1:1。对于fK≤60kPa的淤泥或新近回填土，生石灰与掺合科的体积比可采用1.5:1[4]。
4 承载力和变形验算
石灰桩复合地基承载力和变形计算通常是用复合地基计算公式估算地基承载力和模量的，并用现场载荷试验结果加以确定，然后按浅基础的常规设计方法设计基础。
5 设计中容易存在的问题
5.1 复合地基承载力取值问题
石灰桩复合地基承载力与石灰桩面积置换率、桩体强度、天然地基土的类别及承载力等因素有关。
由于石灰桩属于柔性桩，桩体强度不太高，其比例界限值fpk一般取300~450kPa，在通常的置换率的情况下，石灰桩复合地基承载力标准值取值为120~160kPa，一般不宜大于180kPa。因此，在软土地区选用石灰桩复合地基承载力大于200kPa是不合适的。
5.2 桩间土提高系数取值问题
石灰桩能吸水膨胀，桩间土被挤密。工程实践表明，排土成孔和挤土成孔时，桩间土承载力提高系数取不同的值。
排土成孔时，一般情况下，a＝1.1~1.2；对于淤泥等超软土，a＝1.3~1.5。
挤土成孔时，对一般粘性土，a＝1.15~1.3；对饱和软粘土，a＝1.1~1.2；对杂填土、紊填土、大孔隙土，a应经原位测试决定。
不可盲目提高桩间土承载力提高系数a，或降低系数a的取值。
5.3 软弱下卧层强度和变形问题
石灰桩处理软土深度有限，因此，当石灰桩应用于深厚软土地基时，石灰桩通常不能穿透整个软土层，此时必须进行软弱下卧层强度验算。软弱下卧层的变形常常大于石灰桩复合地基加固层的变形，因此不容忽视。
由于石灰桩复合地基具有复合垫层作用、挤密作用、排水固结作用、减载作用，因此石灰桩已成功地应用于深厚软土地基加固。在进行软弱下卧层强度验算时，可考虑石灰桩加固层的减载作用。
6 结语
本文阐明了石灰桩加固软土的物理作用机理．包括挤密作用、高温效应、置换作用、排水固结作用和加固层的减载作用以及石灰桩的化学加固作用，介绍了石灰桩的设计原则并对当前石灰桩设计中存在的问题和解决方案进行了阐述。石灰桩与其它类型的桩相比具有造价低廉，质量可靠，具有较高的经济效益和社会效益，其显著的优越性正在被更多的人认识和采用。大量的工程实践都证明了石灰桩在处理软土地基方面是值得推广采用的。
参考文献：
[1]郑俊杰等．石灰桩在非均匀地基上的设计方法．华中理工大学学报．2005，26(12);85~86．
[2]袁内镇．石灰桩作用机理新认识．第七届全国土力学及基础工程学术会议论文集[C]．北京:中国建筑工业出版社．1994．
[3]徐铁雄．加固新回填土的石灰桩法[J]．华中理工大学学报．2008，24(11)．
[4]武喜，齐亚慧.采用生石灰桩加固湿软路基．山西交通科技．2006，4(2)．
【关键词】石灰桩；软土地基；置换；承载力
引言
用石灰掺填法加固软弱地基在我国已有约两千年的历史，石灰桩在处理软弱土、杂填土地基，提高地基承载力方面，具有开挖土方少，施工进度快，造价低等特点，与其他挤密桩一起被推广使用。从局部处理软弱地基，到处理整片软弱地基或整幢建筑物地基，从单独使用到与低标号混凝土桩结合而形成三元复合地基，石灰桩的应用范围正逐步扩大，加上对粉煤灰的废物利用，对环境保护具有积极的影响。
1 石灰桩的加固机理
1.1 化学加固机理
石灰桩中的主要材料是生石灰块，其主要成份CaO遇水后分解、膨胀并形成Ca(OH)2，软弱土被挤压密实、脱水、固结后，使强度得到提高。在石灰中掺入粉煤灰改良后的石灰桩再掺入一定的粘性土，除可提高桩体强度及减少生石灰用料外，由于粘性土具有隔水性，可在高地下水位的情况下减少水对桩体的侵蚀，提高砂性地基土中桩体的稳定性。生石灰块与粉煤灰、粘性土以一定比例拌匀并挤密入孔后，孔周围的水份被吸附入桩内，由于石灰具有很强的吸水性，生石灰反应成熟石灰的需水量为生石灰重量的32％，在吸水过程中，将释放出大量的水化热，反应产生的200℃~300℃的高温将使桩间土的最高温度可达到40℃~50℃，桩间土在高温作用下产生汽化脱水，土中孔隙水压力消散，含水量降低，由于含水量降低，周围土受到脱水挤密促进了桩周围地基的固结，生石灰(CaO)吸水后消解，形成的Ca(OH)2进一步吸水并与粉煤灰中的活性材料SiO2、AL2O3发生反应，生成具有水硬性的水化硅酸盐和水化铝酸盐，使桩体结硬。桩周围的土部分变硬，实际等于扩大了桩径，从而提高了复合地基的承载力，达到处理软弱地基、杂填土地基的效果[1]。
1.2 物理加固机理
1.2.1 挤密作用
大量的原位测试及土工试验结果分析表明，石灰桩桩体吸水后膨胀，对桩边一定范围内的土休显示了较好的加固效果，经挤密后桩间土的强度为原来强度的1.1~1.2倍。
1.2.2 高温效应
生石灰水化放出大量的热量。桩内温度以及桩间土可以促进生石灰与粉煤灰等桩体掺合料的凝结反应。高温引起了土中水分的大量蒸发．对减少土的含水量，促进桩周土的脱水起了积极作用。
1.2.3 置换作用
石灰桩作为竖向增强体与天然地基土体形成复合地基，使得其压缩模量大大提高．工后沉降减少、而且复合地基抗剪强度大大提高、稳定安全系数也得到提高。
1.2.4 排水固结作用
由于桩体采用了渗透性较好的掺合料，石灰桩桩体的渗透系数在4.07×10-2~6.13×10-5之间，相当于粉细砂，桩体排水作用良好[2]。
1.2.5 加固层的减载作用
由于生石灰的密度为0.8g/cm3，掺合料的干密度为0.6~0.8g/cm3，显著小于土的密度．因此，当采用排土成桩时，相当于加固层的自重减轻、这对于工程是非常有利的。
2 石灰桩布置尺寸的确定
由于石灰桩的膨胀挤密效应和排水固结作用，石灰桩在设计过程中应该采用小桩径、密布桩的原则。
2.1 桩径、桩长的确定
国内用直径150mm~350mm的石灰桩，较长的桩宜用较大的直径，直径200mm以下的桩只适用于5m以下的短桩。
当需要加固土土层较薄，且下面是较好土层时，石灰桩应打穿软弱土层进入好土；当软弱土层深厚时，则应视不同情况处理，对用于加强地基稳定的石灰桩，桩长应穿过所有可能的滑动面，一般倩况常按双层地基考虑，桩长应能满足双层地基的承载力和变形要求。
2.2 桩距和布桩范围
桩距依赖于所需要的石灰桩置换率，石灰桩的加固效果与桩距密切相关，在桩的中心位置最佳有效挤密范围为2.5d~3.0d。石灰桩是柔性桩，一般认为柔性桩宜在基础范围以外设置围护桩。
2.3置换率
石灰桩置换率有两个概念，一是由施工时桩管或桩孔面积确定的置换率，二是由石灰桩吸水膨胀后的桩身截面积确定的置换率m′＝εm。
通常情况下，若石灰桩设计桩径为300mm，则膨胀后可达330~360mm(排土成孔时)。面积置换率计算宜以在石灰桩膨胀后的实际桩径计算，而不能以石灰桩设计桩径计算，否则会导致过多的桩数，造价增高。在正常置换率的情形下，桩中心距一般采用2d~3d，按设计桩径计算的置换串为0.09~ 0.20，膨胀后实际置换串约为0.13~0.28[3]。
3 桩体选材及配比问题
构成桩体的主材是生石灰和粉煤灰。生石灰的活性CaO应大于85％，灰块直径以5cm左右为宜，粉灰含量应小于20％，矸石含量应小于5％；粉煤灰为SiO2、Al2O3活性元素含量较高的新鲜粉煤灰，含水量应小于40％。
石灰桩若全部采用生石灰，则不存在配合比问题。多数情况下，掺入了活性掺合科的石灰桩其桩体强度有大幅度提高。通常情况下，生石灰与掺合料的体积比为1:2。但该配合比不是一成不变的，对于淤泥及淤泥质土，为了大量吸收桩间土中孔隙水，可增大生石灰掺入比，此时可采用体积比1:1.5甚至1:1。对于fK≤60kPa的淤泥或新近回填土，生石灰与掺合科的体积比可采用1.5:1[4]。
4 承载力和变形验算
石灰桩复合地基承载力和变形计算通常是用复合地基计算公式估算地基承载力和模量的，并用现场载荷试验结果加以确定，然后按浅基础的常规设计方法设计基础。
5 设计中容易存在的问题
5.1 复合地基承载力取值问题
石灰桩复合地基承载力与石灰桩面积置换率、桩体强度、天然地基土的类别及承载力等因素有关。
由于石灰桩属于柔性桩，桩体强度不太高，其比例界限值fpk一般取300~450kPa，在通常的置换率的情况下，石灰桩复合地基承载力标准值取值为120~160kPa，一般不宜大于180kPa。因此，在软土地区选用石灰桩复合地基承载力大于200kPa是不合适的。
5.2 桩间土提高系数取值问题
石灰桩能吸水膨胀，桩间土被挤密。工程实践表明，排土成孔和挤土成孔时，桩间土承载力提高系数取不同的值。
排土成孔时，一般情况下，a＝1.1~1.2；对于淤泥等超软土，a＝1.3~1.5。
挤土成孔时，对一般粘性土，a＝1.15~1.3；对饱和软粘土，a＝1.1~1.2；对杂填土、紊填土、大孔隙土，a应经原位测试决定。
不可盲目提高桩间土承载力提高系数a，或降低系数a的取值。
5.3 软弱下卧层强度和变形问题
石灰桩处理软土深度有限，因此，当石灰桩应用于深厚软土地基时，石灰桩通常不能穿透整个软土层，此时必须进行软弱下卧层强度验算。软弱下卧层的变形常常大于石灰桩复合地基加固层的变形，因此不容忽视。
由于石灰桩复合地基具有复合垫层作用、挤密作用、排水固结作用、减载作用，因此石灰桩已成功地应用于深厚软土地基加固。在进行软弱下卧层强度验算时，可考虑石灰桩加固层的减载作用。
6 结语
本文阐明了石灰桩加固软土的物理作用机理．包括挤密作用、高温效应、置换作用、排水固结作用和加固层的减载作用以及石灰桩的化学加固作用，介绍了石灰桩的设计原则并对当前石灰桩设计中存在的问题和解决方案进行了阐述。石灰桩与其它类型的桩相比具有造价低廉，质量可靠，具有较高的经济效益和社会效益，其显著的优越性正在被更多的人认识和采用。大量的工程实践都证明了石灰桩在处理软土地基方面是值得推广采用的。
参考文献：
[1]郑俊杰等．石灰桩在非均匀地基上的设计方法．华中理工大学学报．2005，26(12);85~86．
[2]袁内镇．石灰桩作用机理新认识．第七届全国土力学及基础工程学术会议论文集[C]．北京:中国建筑工业出版社．1994．
[3]徐铁雄．加固新回填土的石灰桩法[J]．华中理工大学学报．2008，24(11)．
[4]武喜，齐亚慧.采用生石灰桩加固湿软路基．山西交通科技．2006，4(2)．