王　興,熊治文,劉德仁,韓龍武,程　佳,3

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州　730070； 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州　730000；3.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海格爾木　816000)

全球多年凍土面積占陸地面積的23%，其中我國(guó)的多年凍土面積約占國(guó)土面積的21%[1-3]。國(guó)內(nèi)外凍土工程一般采用開挖換填、鋪隔熱層、安裝熱管等措施解決地基融沉等病害問題[4-8]。針對(duì)埋深較淺、厚度較小的島狀凍土，多采用開挖換填法進(jìn)行處理，性價(jià)比較高，但對(duì)埋深厚度大的凍土，如采用開挖換填處理工程量偏大，而采用鋪隔熱層和安裝熱管工程費(fèi)用又偏高，且適用條件要求嚴(yán)格，經(jīng)濟(jì)性較差，因此，提出一種深埋凍土新型處理措施顯得迫在眉睫。石灰樁復(fù)合地基，作為處理軟土[9-11]和濕陷性黃土[12]的一種常用手段，具有開挖量少、施工便捷、加固效果好、處理費(fèi)用低等特點(diǎn)。根據(jù)某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料，地表以下8～18 m有不連續(xù)島狀凍土，因全球氣候變暖，凍土融化深度逐年增加，地基產(chǎn)生不均勻沉降，本文探討一次性解決方案，從融化凍土角度和石灰樁加固原理出發(fā)，提出利用石灰樁預(yù)融擠密方案解決島狀凍土地基融沉變形問題的新思路，并通過石灰樁預(yù)融擠密凍土地基的模型試驗(yàn)，分析了石灰樁對(duì)凍土的預(yù)融和加固效果，并與其他工程措施進(jìn)行比較。

1　石灰樁的預(yù)融擠密原理

石灰樁預(yù)融擠密凍土地基原理主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)生石灰與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出的熱量將凍土融化；(2)生石灰與水反應(yīng)體積膨脹對(duì)樁周土產(chǎn)生擠密作用，提高復(fù)合地基承載力；(3)石灰樁產(chǎn)生的熱量促進(jìn)樁間土的水分蒸發(fā)，一定程度上提高了樁間土承載力，間接提高了復(fù)合地基承載力[13]。

1.1　預(yù)融機(jī)理[14]

石灰樁是生石灰和土組成的混合物。石灰樁放熱實(shí)質(zhì)是生石灰與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。熱量融化凍土中的冰，冰融化的水繼續(xù)與生石灰反應(yīng)，形成放熱吸水循環(huán)直到生石灰完全反應(yīng)。生石灰(即氧化鈣)遇水后生成氫氧化鈣。其熱化學(xué)反應(yīng)方程式

CaO+H2O→Ca(OH)2Δh=-65.17 kJ/mol

(1)

從(1)式中可以得出：1 mol氧化鈣即56 g氧化鈣與水反應(yīng)放出65.17 kJ的熱量，計(jì)算得出1 kg氧化鈣放出1 163.75 kJ的熱量。

從分子角度分析，一個(gè)氧化鈣分子需要一個(gè)水分子完成反應(yīng)，質(zhì)量比為56∶18，即1 kg的氧化鈣完全反應(yīng)需要0.32 kg的水。凍土中融化的水提供了氧化鈣反應(yīng)需要的一部分水，使反應(yīng)放出更多的熱量。

1.2　擠密機(jī)理

從(1)式中可以得出，參加化學(xué)反應(yīng)的相同摩爾質(zhì)量的氧化鈣、水、氫氧化鈣的質(zhì)量之比

mCaO∶mH2O∶mCa(OH)2=56∶18∶74

查閱相關(guān)資料，氧化鈣的密度為3.35 g/cm3，水的密度為1 g/cm3，氫氧化鈣的密度為2.24 g/cm3。計(jì)算出體積比為

mCaO∶mH2O∶mCa(OH)2=1∶1.08∶1.97

可以看出，氧化鈣反應(yīng)生成氫氧化鈣的過程體積膨脹1.97倍，石灰樁正是利用生石灰與水反應(yīng)體積膨脹的特性將樁周土擠密，達(dá)到提高復(fù)合地基承載力的目的。

2　室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)方案

室內(nèi)模型試驗(yàn)在凍土室進(jìn)行。石灰樁樁體材料由生石灰、水泥和土混合組成。摻入一定量水泥是為了提高石灰樁的強(qiáng)度。試驗(yàn)主要是通過測(cè)定不同位置樁間土的溫度和密度來分析樁體放熱對(duì)凍土地基的預(yù)融和加固效果。

模型試驗(yàn)分為兩組，第一組為群樁試驗(yàn)，樁的半徑為0.05 m，樁間距為0.25 m，模型箱設(shè)計(jì)尺寸0.5 m×0.5 m×0.5 m；第二組為單樁試驗(yàn)，樁的半徑為0.2 m，模型圓筒半徑為0.6 m，高度0.5 m。

2.2　樁間土樣制作、填筑和測(cè)點(diǎn)布置

樁間土試樣采用塑限22.3%、最大干密度為1.6 g/cm3的黏土質(zhì)砂(制作土樣前進(jìn)行翻曬)和碎冰制作(冰的最大粒徑<2 cm)，土冰質(zhì)量比為3∶1，含冰量約為25%。

樁間土在凍土室分層填筑，環(huán)境溫度控制在-2 ℃，每填筑5 cm夯實(shí)1次，壓實(shí)度控制在85%。填筑完成后采集初始溫度讀數(shù)和樁周土密度。保持環(huán)境溫度不變，48 h后測(cè)得樁間土的溫度穩(wěn)定在-1 ℃左右。

群樁試驗(yàn)溫度測(cè)點(diǎn)沿等邊三角形中線方向線性排列，距樁底15、25、35 cm分3層布置，測(cè)點(diǎn)單層布置如圖1所示。

圖1　群樁測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

單樁溫度測(cè)溫點(diǎn)分別按距樁底15、25、35 cm布置，每層沿樁周往外120°方向線性布置，間距為5 cm，單層測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2　單樁測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

2.3　樁體材料制作與填筑

樁體材料由生石灰、土和水泥混合組成。水泥摻入量為5%，通過輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度為1.69 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.1%。試驗(yàn)使用生石灰的氧化鈣含量為70%。樁體材料的含水率采用5%水泥土的最優(yōu)含水率ω1與生石灰反應(yīng)需水質(zhì)量百分?jǐn)?shù)ω2之和，即ω=ω1+ω2。考慮到石灰樁反應(yīng)放熱融化樁周凍土中的冰，融化的大部分水會(huì)被生石灰吸收，使石灰樁進(jìn)一步發(fā)生熟化反應(yīng)，通過對(duì)生石灰中有效成分氧化鈣與水反應(yīng)放出的熱量和凍土融化所需熱量的分析，初步確定生石灰、水泥和土的配比為60∶35∶5，含水率為21.6%。

樁體填筑待樁間土溫度穩(wěn)定后進(jìn)行(此時(shí)樁周土溫度保持在-1 ℃左右)，溫度控制在-2.0 ℃。樁體填筑前，先配備水泥含量5%、含水率為19.1%的灰土，然后加入生石灰和少量水拌和均勻后迅速填筑。相比較土、水泥和生石灰直接加水拌和可以減少熱量損失和體積膨脹，減緩生石灰反應(yīng)速度，提高樁體填筑密實(shí)度。填筑完成后模型周圍包裹保溫材料，減少熱量散失。

單樁樁體填筑要求和群樁相同。不同之處是，單樁模型由于樁體膨脹后豎向位移較大，為限制石灰樁的豎向位移，填筑完成后在其頂部施加荷載，使其體積徑向膨脹，達(dá)到更好的擠密效果。圖3為單樁填筑試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖3　單樁填筑試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3　試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1　群樁試驗(yàn)分析

試驗(yàn)填筑后，模型四周及頂部用保溫模板密封，數(shù)據(jù)采集間隔：10 h之內(nèi)每0.5 h采集1次數(shù)據(jù)，10 h以后每1.0 h采集1次數(shù)據(jù)，溫度沒有明顯變化時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。石灰樁不同位置的溫度隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4　群樁試驗(yàn)距樁底15、25、35 cm處的溫度變化

從圖4不難看出，不同測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但越遠(yuǎn)離樁體曲線越平緩。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)溫度峰值(約43 ℃)出現(xiàn)在0.5～3 h后，距離樁體越遠(yuǎn)峰值達(dá)到的時(shí)間越長(zhǎng)，20 h后溫度基本穩(wěn)定且溫度均在0 ℃以上。溫度曲線表明：石灰樁對(duì)樁間凍土的預(yù)融效果良好，且越靠近樁體預(yù)融效果越好；該配合比與樁間距布置存在熱富余量，可以適當(dāng)增加樁間距或減少石灰比例。

通過解剖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁徑有膨脹現(xiàn)象，樁徑膨脹趨勢(shì)隨深度逐漸減小，樁頂和樁底膨脹率分別為140%和120%。表明石灰樁對(duì)樁間土有明顯的擠密作用，可在一定程度上提高樁間土承載力，間接提高石灰樁復(fù)合地基承載力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕馄时砻髟囼?yàn)達(dá)到預(yù)期效果，生石灰、水泥和土配合比60∶35∶5的石灰樁融化了相鄰石灰樁之間的全部?jī)鐾?。樁體有明顯的膨脹，樁徑變化隨深度逐漸減小，樁頂由初始的5 cm擴(kuò)大到7 cm，樁底只擴(kuò)大到6 cm。

3.2　單樁試驗(yàn)分析

試驗(yàn)填筑后，模型四周及頂部用保溫模板密封保溫，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔：12 h之內(nèi)每0.5 h采集1次數(shù)據(jù)，36 h內(nèi)每1.0 h采集1次數(shù)據(jù)，36 h以后每2.0 h采集1次數(shù)據(jù)，溫度沒有明顯變化時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

石灰樁單樁模型不同距離、不同深度樁周土溫度隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5　單樁試驗(yàn)距樁底15、25、35 cm處的溫度變化

從圖5可以看出，單樁溫度曲線與群樁溫度曲線類似，溫度均隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且距樁體越遠(yuǎn)曲線越平緩。但單樁溫度峰值達(dá)到的時(shí)間在6～30 h，溫度穩(wěn)定時(shí)間在60～62 h。

從溫度時(shí)間曲線可以看出，距樁周5 cm處測(cè)點(diǎn)溫度1 h內(nèi)升到0 ℃，6 h左右溫度達(dá)到最大值后逐漸降低，至62.5 h保持在4 ℃左右；距樁周10 cm處測(cè)點(diǎn)溫度2h升到0 ℃，12 h左右溫度達(dá)到最大值；距離樁周15 cm處測(cè)點(diǎn)溫度5h升至0 ℃，距樁周20 cm處測(cè)溫點(diǎn)8 h升至0 ℃；距樁周25 cm處測(cè)點(diǎn)溫度15 h升至0 ℃，距樁周30 cm和35 cm的測(cè)溫點(diǎn)也在42 h左右升至0 ℃，試驗(yàn)結(jié)束后各點(diǎn)溫度穩(wěn)定在4 ℃左右；距離樁周較近點(diǎn)的溫度略高于距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：?jiǎn)螛赌Ｐ驮囼?yàn)達(dá)到預(yù)期效果，石灰樁采用的配合比使模型邊界范圍內(nèi)凍土全部融化。

通過解剖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁體也發(fā)生了膨脹現(xiàn)象，與群樁類似，樁徑膨脹趨勢(shì)隨深度逐漸減小，但樁頂和樁底膨脹率分別為137.5%和125%。在樁頂堆載8 kN的情況下，豎向向上有2 cm的位移，這說明在樁體擠密過程中應(yīng)考慮限制豎向應(yīng)力引起的位移來增強(qiáng)擠密效果。

試驗(yàn)過程中，對(duì)模型不同位置的取樣，采用烘干法測(cè)試其含水率見表1。單樁試驗(yàn)預(yù)融擠密前后樁周土干密度對(duì)比見表2。

表1　石灰擠密樁地基土不同位置處含水率變化

表2　單樁試驗(yàn)預(yù)融擠密前后樁間土干密度

從表1各斷面試驗(yàn)過程中不同距離土樣的含水率變化得出，石灰樁熟化過程會(huì)吸收樁周凍土融化的一部分水，樁體吸收水的能力隨距離的增大逐漸減小。

從表1數(shù)據(jù)可知，距離樁體越遠(yuǎn)，樁間土的含水率越大，表明石灰樁放熱過程中，距離樁體越近對(duì)吸收和蒸發(fā)樁間土水分的作用越強(qiáng)烈。表2證實(shí)了石灰樁對(duì)樁周土有一定的擠密效果，試驗(yàn)結(jié)束后樁周土的干密度、密實(shí)度有明顯提升，距離樁體越近的樁間土干密度增幅越大。崔瑩等[15]提出，在濕陷性黃土和填土路基中，石灰樁復(fù)合地基擠密影響區(qū)半徑隨著地基深度的增加而減小，影響區(qū)半徑為(3.02～3.36)R，而凍土地基模型試驗(yàn)擠密影響區(qū)半徑為55 cm，為樁半徑的2.75倍。

4　結(jié)論及建議

(1)生石灰：水泥：土的配合比60∶5∶35，含水率21.6%，壓實(shí)度90%的石灰樁釋放的熱量能夠融化25%含冰量的2倍樁半徑范圍的凍土。單樁試驗(yàn)結(jié)束后最低溫度保持在3 ℃，熱量富余較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可適當(dāng)減少生石灰比例或者增大樁間距。

(2)石灰樁對(duì)凍土地基的擠密影響半徑與黃土、填土地基相比較小，分析原因是凍土在凍結(jié)狀態(tài)具有較高的強(qiáng)度。模型試驗(yàn)擠密影響區(qū)半徑是55 cm，為2.75倍樁的半徑。

(3)石灰樁在預(yù)融擠密凍土地基過程中會(huì)從樁周土體中吸收水分參與樁體熟化反應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，含水率可以適當(dāng)減小。

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