石灰樁處理島狀凍土地基試驗(yàn)研究

程 佳，熊治文，金 蘭，蔡漢成，孟進(jìn)寶

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000；2.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）

島狀凍土多處于大片連續(xù)凍土與季節(jié)性?xún)鐾恋倪^(guò)渡地帶，我國(guó)多年凍土面積占國(guó)土面積的22.3%，其中島狀凍土比大片連續(xù)凍土分布更廣［1］。島狀凍土具有年平均地溫高［2-3］、對(duì)地表熱交換條件變化反應(yīng)敏感的特點(diǎn)，在這一地區(qū)的工程建筑容易出現(xiàn)融化下沉等問(wèn)題，影響工程穩(wěn)定性。

多年凍土地基處理方法［4］總結(jié)起來(lái)可分為保護(hù)多年凍土和融化多年凍土2種。目前島狀多年凍土區(qū)地基處理方法以第1種應(yīng)用較多［5-7］，包括使用熱棒、XPS保溫板、片塊石路基等。采用預(yù)先融化法處理島狀凍土的研究較少［7-9］，主要采用的方法包括開(kāi)挖暴曬、換填和強(qiáng)夯，處理范圍主要集中在深度5 m以?xún)?nèi)。

從既有研究成果來(lái)看，由于島狀凍土年平均地溫高、對(duì)水熱環(huán)境變化反應(yīng)敏感，對(duì)于年平均地溫不低于-0.5 ℃的高溫島狀凍土更適宜采用預(yù)融多年凍土的方法，但既有的研究成果多適用于多年凍土淺層地基處理，對(duì)于埋藏較深（大于5 m）、年平均地溫高（大于-0.5 ℃）的島狀凍土，尚無(wú)較好的處理方法。以漠河機(jī)場(chǎng)跑道改擴(kuò)建工程為例，其地基為島狀多年凍土，凍土上限8 m，下限約16 m，年平均地溫約為-0.1 ℃，如何處理地基是整個(gè)工程中的一大難點(diǎn)。因此，本文提出了利用生石灰樁反應(yīng)放熱融化多年凍土這一新方法處理島狀凍土地基。

1 試驗(yàn)研究思路

1.1 基本原理

石灰樁用于一般軟土地基加固的基本原理已有不少研究［10］，但加固島狀多年凍土地基則有所不同，主要是通過(guò)以下幾種方法實(shí)現(xiàn)的。

1）采用破壞原則處理多年凍土地基，利用的是生石灰遇水放熱反應(yīng)來(lái)融化多年凍土，并提前消除多年凍土融化后產(chǎn)生的地基融沉變形。

2）石灰樁成樁置換了樁體范圍的原有多年凍土，由于石灰樁的樁體承載力高于土體承載力，通過(guò)置換作用能提高地基的承載力。

3）生石灰吸水熟化成熟石灰Ca（OH）2這一反應(yīng)過(guò)程中體積會(huì)發(fā)生膨脹，理論上體積增大約1 倍。因此石灰樁能有效的對(duì)周?chē)耐馏w產(chǎn)生側(cè)向擠密，提高樁間土干密度，達(dá)到減小融化后土體沉降的目的。

4）石灰樁在熟化過(guò)程中會(huì)融化周?chē)鷥鐾恋鼗⑽杖诨笸馏w中的水分，對(duì)地基土具有排水固結(jié)作用。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)研究依托漠河機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建工程島狀凍土地基處理試驗(yàn)工程進(jìn)行，按照以下方案開(kāi)展試驗(yàn)：

1）本著就地取材的原則，選取生石灰和砂質(zhì)黏土材料作為試驗(yàn)樣品，通過(guò)試驗(yàn)確定石灰樁的各材料特性和配合比。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、石灰樁放熱反應(yīng)等研究石灰樁成樁過(guò)程中的基本特性。

2）基于前面所述的試驗(yàn)成果，開(kāi)展實(shí)體模型試驗(yàn)，研究石灰樁處理多年凍土地基的實(shí)際效果。

2 樁體材料特性及配比研究

2.1 樁體材料特性

樁體材料主要包括生石灰、摻和料。生石灰主要測(cè)定其CaO 含量和水化放熱量。摻和料主要包括當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的砂黏土和P.O42.5水泥2種。各種材料的相應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表1—表3。

表1 生石灰主要參數(shù)

表2 砂黏土主要參數(shù)

表3 試驗(yàn)水泥技術(shù)指標(biāo)

2.2 配合比計(jì)算方案

由于需要石灰樁放熱融化凍土，因此，樁體材料配合比要確定生石灰的含量。根據(jù)生石灰反應(yīng)放熱與融化多年凍土所需的熱量相等這一原理，推導(dǎo)出生石灰質(zhì)量百分比計(jì)算公式。

單位深度范圍內(nèi)，石灰樁放熱產(chǎn)生的熱量Q1為

式中：m1為樁體質(zhì)量；Wq為生石灰質(zhì)量百分比；qq為生石灰水化反應(yīng)的單位放熱量。

單位深度范圍內(nèi)，石灰樁樁周凍土融化需要的熱量Q2為

式中：m2為需融化凍土質(zhì)量；Wf為凍土含水率；Hw為冰融化為水的相變潛熱。

因此，由式（1）和式（2）推導(dǎo)得出

式中：r1為樁徑；r2為預(yù)處理凍土有效半徑；ρd為凍土干密度；Wf為凍土含水率；ρdmax為樁體最大干密度；α為調(diào)整系數(shù)。

摻入水泥能提高石灰樁的強(qiáng)度，參考既有的工程經(jīng)驗(yàn)［10］，試驗(yàn)中摻入水泥含量固定為5%。

因此，石灰樁的配合比（質(zhì)量百分比）為生石灰∶砂黏土∶水泥=Wq∶（0.95-Wq）∶0.05。

考慮到生石灰放熱所需的水分條件，樁體含水率為生石灰放熱所需水分和摻和料最優(yōu)含水率兩者之和。

3 石灰樁成樁試驗(yàn)研究

與一般地區(qū)石灰樁施工有所不同，采取石灰樁處理凍土地基的關(guān)鍵在于熱量控制，只有保證了足夠的熱量用于融化凍土這一前提，才能保證石灰樁處理凍土地基的成功。本章節(jié)主要從保證施工時(shí)間和保證足夠的水用于石灰樁反應(yīng)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 石灰樁熟化反應(yīng)試驗(yàn)

根據(jù)2.2節(jié)的配合比計(jì)算方法，分別配置了生石灰含量30%，40%，50%共3種石灰樁，在敞開(kāi)條件下進(jìn)行石灰樁熟化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同生石灰含量石灰樁熟化放熱曲線

由圖1可知，3 組試驗(yàn)的時(shí)間-溫度曲線基本一致。先是反應(yīng)急劇升溫，在5～10 min 內(nèi)溫度即升到最高，之后開(kāi)始降溫，降溫速率先快后慢，最后趨于平緩，與室溫一致。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，要保證石灰樁熟化反應(yīng)放出的熱量充分用于融化凍土，從攪拌到夯實(shí)的時(shí)間不宜高于10 min。同時(shí)，在保證含水率的情況下，生石灰含量對(duì)熟化時(shí)間影響不大。

3.2 含水率與熟化速度關(guān)系研究

石灰樁熟化反應(yīng)時(shí)間為5～10 min，這對(duì)實(shí)際成樁施工提出了嚴(yán)格的時(shí)間要求。同時(shí)，由于成樁過(guò)程中因能量釋放太快而造成安全隱患，因此需要想辦法降低放熱反應(yīng)速度。

考慮到凍土融化后能為樁體提供水分，可以通過(guò)降低石灰樁樁體含水率來(lái)延緩熟化反應(yīng)時(shí)間。以30%生石灰配比方案為例，進(jìn)行了不同含水率條件下的石灰樁熟化速度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)中前3 項(xiàng)含水率分別為完全反應(yīng)計(jì)算值、摻和料塑限、摻和料天然含水率。由表4可知，隨著含水率減少，石灰樁熟化速度逐漸減慢，且由于水分不夠，不能完全熟化?？紤]減緩熟化速度和保證熟化程度的平衡，15%～19%的含水率較為適宜。未熟化部分可以通過(guò)凍土融化后的水參與反應(yīng)來(lái)完成。

表4 不同含水率石灰樁熟化試驗(yàn)

4 石灰樁預(yù)融凍土模型試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)條件

模型試驗(yàn)參考現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)確定相關(guān)參數(shù)。模型直徑1.2 m，高0.5 m；樁體直徑0.4 m，高0.5 m；上部荷載8 000 kN；夯填工藝采用分層夯實(shí)；凍土總含水率為30%；環(huán)境溫度-1.0 ℃。

根據(jù)前面的試驗(yàn)研究，對(duì)樁體原始含水率進(jìn)行了不同考慮。同時(shí)，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工要求，粒徑考慮了細(xì)粒狀和塊狀2 種情況，總共設(shè)計(jì)了3 組不同工況的模型試驗(yàn)，具體見(jiàn)表5。

表5 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了保證石灰樁熟化熱量盡量用于融化凍土，試驗(yàn)過(guò)程中將開(kāi)始拌和到分層夯填完成的時(shí)間嚴(yán)格控制在5 min以?xún)?nèi)。

試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行凍土溫度監(jiān)測(cè)，測(cè)溫點(diǎn)從底部往上于15，25，35 cm 3處位置共布置3層，每層沿樁周往外120°方向3 個(gè)方向線性布置，間距5 cm。共布置測(cè)63個(gè)點(diǎn)，單層布置情況見(jiàn)圖2。

圖2 石灰樁模型試驗(yàn)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：cm）

4.2 試驗(yàn)過(guò)程描述

根據(jù)前面確定的試驗(yàn)條件開(kāi)展了3 組模型試驗(yàn)。根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制融化進(jìn)程曲線見(jiàn)圖3。

圖3 模型試驗(yàn)融化進(jìn)程曲線（虛線為0℃等值線）

由圖3可知：

1）試驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)象。第1組試驗(yàn)石灰樁分層填筑過(guò)程中，散發(fā)出大量熱量和水汽，同時(shí)灰土不斷膨脹松散，最終填筑完成的石灰樁的夯填量?jī)H為計(jì)算值的50%。第2 組試驗(yàn)和第3 組試驗(yàn)分層填筑過(guò)程中熱量喪失較小，灰土反應(yīng)慢。其中第2 組試驗(yàn)完成填筑量為計(jì)算值的95%，第3 組試驗(yàn)完成填筑量為計(jì)算值的100%。說(shuō)明樁體含水率太大會(huì)導(dǎo)致放熱反應(yīng)過(guò)快，無(wú)法夯實(shí)。

2）試驗(yàn)融化樁周凍土情況。第1組試驗(yàn)融化最大范圍為距離樁周15 cm 位置，融化后土體最高溫度約為18 ℃，試驗(yàn)進(jìn)行15 h以后距樁周最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度即開(kāi)始下降，70 h 左右土體全部變成負(fù)溫。第2 組試驗(yàn)融化負(fù)溫超過(guò)35 cm（全部融化），融化后土體最高溫度約為29 ℃，試驗(yàn)結(jié)束（95 h）時(shí)距樁周最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍處于升溫狀態(tài)。第3組試驗(yàn)融化負(fù)溫超過(guò)35 cm（全部融化），融化后土體最高溫度約為25 ℃，試驗(yàn)結(jié)束（95 h）時(shí)距樁周最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍處于升溫狀態(tài)。

3）試驗(yàn)結(jié)束后樁土情況。試驗(yàn)后進(jìn)行了樁體的含水率、樁體直徑、凍土融化后含水率的測(cè)試。其中第1組試驗(yàn)后融土含水率變化范圍較大，而第2組、第3組融土含水率較為平均。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

表6 模型試驗(yàn)結(jié)束后樁土相關(guān)參數(shù)

表7 試驗(yàn)后融土含水率%

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 融化及加固效果分析

根據(jù)圖3的融化進(jìn)程曲線可以看出，石灰樁能完全融化樁周范圍的多年凍土。

根據(jù)理論計(jì)算，采用40 cm 直徑石灰樁融化樁周35 cm 范圍含水率為30%的多年凍土（僅考慮潛熱），每延米深度需要的潛熱熱量為136 750 kJ，折算成生石灰質(zhì)量百分百為68.2%。而根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，60%生石灰含量的石灰樁即可完全融化樁周含水率為30%的多年凍土，說(shuō)明石灰樁融化多年凍土是完全可行的，且其實(shí)際需求量小于理論計(jì)算量，初步判斷是多年凍土中存在未凍水的問(wèn)題，2.2 節(jié)中的Wf可以根據(jù)未凍水含量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

由表6、表7可知，石灰樁在熟化過(guò)程及熟化完成后吸收了一部分樁周融土的水分。由表6的第1 組數(shù)據(jù)可以看出，石灰樁熟化過(guò)程中先吸收距離樁周附近融土的水分，然后往外延伸，形成“反應(yīng)放熱-融化凍土-吸收融土水分-反應(yīng)放熱”的循環(huán)。而第2 組和第3 組的數(shù)據(jù)表明，在熟化反應(yīng)完成基本穩(wěn)定后，樁周不同位置融土的含水率會(huì)自行調(diào)整并趨于一致。這一循環(huán)既能保證熟化反應(yīng)的完成，也能達(dá)到減少融土含水率，加快融土融沉過(guò)程，提高融土地基承載力的作用。

由表6可知，石灰樁融化凍土后樁徑明顯膨脹，平均樁徑為試驗(yàn)前的1.3倍，擠密效果明顯。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的指導(dǎo)

根據(jù)試驗(yàn)情況分析，石灰樁成樁時(shí)的初始含水率是保證其能融化多年凍土的關(guān)鍵，摻水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致石灰樁熟化過(guò)快無(wú)法夯實(shí)，從而無(wú)法成樁。摻水過(guò)少會(huì)影響夯實(shí)效果且無(wú)法保證成樁時(shí)生石灰能進(jìn)入熟化狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，樁體含水率控制在15%～19%，拌和到分層夯填完成時(shí)間控制在5 min 以?xún)?nèi)時(shí)，成樁效果良好。

同時(shí)，生石灰細(xì)粒和塊狀2 種形態(tài)時(shí)均能完全融化多年凍土，在完全反應(yīng)后融土溫度也較為一致，說(shuō)明在保證石灰樁能有效夯實(shí)成樁的條件下，可以放寬生石灰的粒徑到6 cm。

5 結(jié)論

1）通過(guò)試驗(yàn)研究，提出了處理多年凍土地基的石灰樁配比計(jì)算公式，應(yīng)用該配比方法進(jìn)行了石灰樁模型試驗(yàn)。石灰樁能有效融化多年凍土并對(duì)融化后的地基起到擠密加固作用。

2）石灰樁成樁時(shí)含水率過(guò)高會(huì)使得熟化反應(yīng)迅速，無(wú)法有效成樁。樁體含水率控制在15%～19%，拌和到分層夯填完成時(shí)間控制在5 min 以?xún)?nèi)時(shí)成樁效果良好。

3）石灰樁成樁后能形成“反應(yīng)放熱-融化凍土-吸收融土水分-反應(yīng)放熱”的良性循環(huán)，從而確保了石灰樁融化凍土的效果，并且在反應(yīng)完成后能將融土的含水率調(diào)整到一致。

4）生石灰為細(xì)粒（過(guò)2 mm 篩）和塊狀（過(guò)6 cm 篩）2 種形態(tài)均能完全融化多年凍土?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，在保證石灰樁能有效夯實(shí)成樁的條件下，可以放寬生石灰的粒徑到6 cm，以便于施工。