島狀凍土區(qū)應(yīng)用生石灰樁復(fù)合地基效果評價

楊曉明，程佳，蔡漢成,

(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)境工程重點實驗室，青海 格爾木 816000)

與大片連續(xù)凍土相比，島狀凍土具有年平均地溫極高[1-3]，熱穩(wěn)定性差等特點，對地表熱交換變化反應(yīng)更敏感，在氣候變暖影響更容易產(chǎn)生融沉退化[4-7]，從而導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)融沉、變形、開裂等問題[8]。根據(jù)前人研究成果，多年凍土地基處理方法可采用保持凍結(jié)、逐漸融化和預(yù)先融化3類，根據(jù)凍土地基處理規(guī)范[9]要求并結(jié)合島狀凍土的特征來說，島狀凍土更適合采用預(yù)先融化處理。但目前島狀凍土地基處理的方法大部分仍以保持凍結(jié)為主[10-13]，與島狀凍土多處于退化狀態(tài)相逆，后期仍可能出現(xiàn)問題。而既有的預(yù)融技術(shù)主要有強夯、換填和樁板路基等方法[14-16]，這些方法具有處理深度小(一般處理深度小于8 m)、施工難度大(防排水難以控制)、后續(xù)容易引發(fā)新的病害問題(積水引起反復(fù)凍融)等問題，在島狀凍土區(qū)使用起來極受限制。利用生石灰樁的放熱預(yù)融和加固機理來處理島狀凍土是一種新的凍土地基方法，具有無需開挖、處理深度大、施工方便等優(yōu)點，但目前國內(nèi)外關(guān)于石灰樁的研究資料主要集中在黃土、軟土地區(qū)[17]，且多以熟石灰樁為主，凍土地區(qū)應(yīng)用石灰樁技術(shù)僅有筆者所在科研項目進行了一定的研究[18-19]，主要通過室內(nèi)模型試驗進行了初步研究。本文結(jié)合現(xiàn)場實體工程及監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)，從地溫、變形、樁徑變化、融土干密度及含水率變化規(guī)律等方面對生石灰樁的應(yīng)用效果進行了深入分析。

1 現(xiàn)場試驗概述

1.1 試驗場地特征

試驗場地選在黑龍江漠河市島狀凍土區(qū)，該地區(qū)20世紀(jì)80年代以來處于升溫期[20]，依托漠河機場改擴建地基處理工程，場地地層巖性主要為黏性土，凍土人為上限范圍8.0～8.5 m，下限范圍15.0～16.0 m，年平均地溫＞?0.5℃，主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 試驗區(qū)域地基土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil in test area

1.2 試驗及監(jiān)測方案

現(xiàn)場共布設(shè)生石灰樁16根，樁體生石灰含量50%，樁徑40 cm，樁長16 m，按照樁間距100 cm和120 cm分2組成梅花型布置，編號分別為Z1～Z8和Z9～Z16。布設(shè)地溫觀測孔8處，編號S1～S8，分別位于各樁中心處，孔深20 m，每0.5 m一個測溫點。布置沉降觀測點12處，編號C1～C12，分布于樁心和樁間土，樁和監(jiān)測點布置見圖1。

圖1 試驗方案布置圖Fig.1 Schematic diagram of test scheme

本次試驗在確定生石灰樁方案以后，首先進行測溫孔的施工和測溫系統(tǒng)安裝，測溫采用熱敏電阻作為元件，利用數(shù)據(jù)采集儀采集。其后再進行生石灰樁施工，石灰樁施工完成以后及時布設(shè)沉降觀測點。通過此試驗順序來確保掌握生石灰樁施工前后地基土體的溫度變化和變形情況。

2 地溫及變形特征研究

2.1 樁體施工前地溫特征

根據(jù)施工前測溫結(jié)果，可以得到試驗場地多年凍土地基的地溫特征，見表2。根據(jù)測溫數(shù)據(jù)分析，可以得知場地凍土上限范圍8.0～8.5 m，下限范圍15.5～17.0 m，凍土層厚度范圍7.5～8.5 m，凍土段平均地溫?0.05～?0.02℃。

表2 試驗場地實測多年凍土地溫特征Table 2 Geothermal characteristics about permafrost in test area

2.2 樁體施工后地溫變化特征

生石灰樁施工過程中S1和S5 2個測溫孔遭到破壞，因此，后續(xù)地溫變化特征主要針對S2～S4和S6～S8測溫孔數(shù)據(jù)進行分析。通過繪制的S2～S4和S6～S8孔前250 h的融化進程曲線(圖2)可以看出，各測溫孔的地溫變化主要可分為凍土融化階段、快速升溫階段和降溫階段。

圖2 S2～S4和S6～S8測溫孔融化進程曲線Fig.2 Melting process curve about S2～S4，S6～S8

1)融化階段

從圖中可以看出，6處測溫孔位置的多年凍土在施工開始后140～180 h均已融化，總的融化規(guī)律表現(xiàn)為先整體升溫后由下部往上部開始融化，上限附近最后融化。從樁體施工完成對凍土融化的影響來看，位于兩樁中心和三樁中心的測溫孔在有一個樁施工完成后24 h內(nèi)即可融化，而位于四樁中心的測溫孔主要受較近的2個孔影響較大。

2)快速升溫階段

融化后的70～110 h表現(xiàn)為快速升溫，最高溫度達(dá)到了18～32℃。對比S2～S4測溫孔，可以看出各測溫孔的最高地溫表現(xiàn)為S2＜S3＜S4，對比S2～S4測溫孔則有S8＞S7＞S6，說明生石灰樁融化多年凍土后仍有富余的熱量用于地基土升溫，且表現(xiàn)出了一定的群樁效應(yīng)。

3)降溫階段

各測溫孔達(dá)到最高溫即進入降溫階段，以月為單位統(tǒng)計各測溫孔的平均降溫速率見圖3，從圖中可以看出，前3個月為快速降溫階段，3個月后平均降溫速率均降到了0.04℃/d，3個月各測溫孔平均降溫速率趨于一致，進入緩慢降溫至趨于穩(wěn)定階段，8個月后平均降溫速率均小于0.005℃/d，考慮到該地區(qū)80年代以來處于升溫期[20]，根據(jù)曲線的變化趨勢預(yù)計最終降溫速率將下降為0℃/d，處理后的地基將保持正溫狀態(tài)。

圖3 各測溫孔平均地溫及平均降溫速率曲線Fig.3 Cooling rate curve about temperature measuring hole

4)融土回凍可能性探討

當(dāng)石灰樁預(yù)融技術(shù)處理的凍土范圍小于所在區(qū)域島狀凍土范圍時，需要考慮地基凍土融化后可能回凍的問題，本文以試驗場地凍土工程地質(zhì)條件為對象進行了這方面的探討。

試驗場地石灰樁下部已穿過凍土下限，在不考慮外界環(huán)境的情況下，則融土(A區(qū))要回凍所需的冷量主要依靠側(cè)向的凍土(B區(qū))升溫提供(圖4)。

圖4 凍土處理范圍Fig.4 Treatment scope of the frozen soil

A區(qū)融土凍結(jié)需要的冷量主要為當(dāng)融土中的水分凍結(jié)成冰放出的潛熱Q1。

式中：ρd為土體密度；V為A區(qū)融土的體積；ω冰為融土重新凍結(jié)后的含冰量；q為水凍結(jié)成冰的潛熱；

B區(qū)凍土溫度從?0.1℃升溫到0℃吸收的熱量為Q2。

式中：ΔT為凍土升溫溫差；Cf為凍土的體積熱容量；d為升溫的凍土范圍。

假定年平均地溫按?0.1℃，則B區(qū)凍土能升溫的溫差為0.1℃，以需要凍結(jié)的融土范圍為單位體積(1 m3)為例進行計算。

由Q1=Q2計算可得，需要升溫的B區(qū)凍土范圍為366.5 m3，即當(dāng)寬度和深度都為1 m時，回凍1 m的融土需要B區(qū)的凍土范圍366.5 m，跑道寬度按50 m計算，則需要18 325 m范圍寬度的凍土升溫。根據(jù)勘察資料，場地并不存在這么大范圍的凍土，因此，融土回凍基本是不存在的。

2.3 預(yù)融后地基變形特征

變形采用電子水準(zhǔn)儀進行測量，前期測量頻率高，每天觀測1次，后期根據(jù)變形情況適當(dāng)調(diào)整。繪制變形觀測數(shù)據(jù)曲線如圖5，其數(shù)值以垂直向上為正。分析圖中數(shù)據(jù)可見，樁體和樁間土的變形均以豎向膨脹為主，具體可分為豎向膨脹?局部豎向沉降-穩(wěn)定不變3個階段，豎向膨脹發(fā)生在2016年11月11日至11月21日(工程施工完成后10 d內(nèi))，膨脹量主要集中在2.5～3.5 cm范圍；局部豎向沉降(C2，C6和C7點)發(fā)生在11月22日至12月2日，沉降量為0.1～0.5 cm；12月2日之后基本不再發(fā)生變形，處于穩(wěn)定不變狀態(tài)。

圖5 各監(jiān)測點變形曲線Fig.5 Deformation curves of the monitoring points

3 預(yù)融后石灰樁復(fù)合地基效果研究

為了驗證石灰樁的承載力特征及擠密效果，在樁體施工約1 a后進行了平板載荷試驗，此時地基土體溫度和變形趨于穩(wěn)定，試驗結(jié)果具有代表性。同時選取樁徑100 cm的2個樁及樁間土進行挖探并進行以下試驗：測量樁體直徑，在樁和地基土中間不同位置取樣進行容重和含水率試驗。5～8 m深度范圍每挖土1 m深度后取土樣進行相應(yīng)試驗，8～13 m深度范圍每挖0.5 m深度后取土樣進行相應(yīng)試驗。試驗內(nèi)容包括：1)樁體直徑測量，測量不同方向樁體直徑，以查明不同深度位置樁體直徑變化情況；2)對樁心、兩樁之間土體間用環(huán)刀取土進行容重和含水率試驗，取樣位置見圖6。

圖6 試驗取樣位置Fig.6 Distribution sampling positions

3.1 復(fù)合地基承載力特征

試驗選用面積1.00 m2的載荷板進行，根據(jù)設(shè)計要求，地基承載力要求達(dá)到200 kPa，因此，上部荷載選用400 kPa，終止試驗條件按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB T 50123—2019)[21]第49.2.2條第5小條“當(dāng)達(dá)不到極限荷載時，最大壓力應(yīng)達(dá)預(yù)期設(shè)計壓力的2.0倍”，試驗結(jié)果滿足規(guī)范要求。

繪制P-S曲線如圖7，從圖中可以看出，在加荷載0～320 kPa過程中，沉降量為18.4 mm，320～400 kPa過程中，沉降量變化為0.2 mm，說明地基承載力特征值遠(yuǎn)大于200 kPa，石灰樁復(fù)合地基承載力完全滿足設(shè)計需求，采用石灰樁預(yù)融技術(shù)處理島狀凍土完全可行。

圖7 平板載荷試驗P-S曲線Fig.7 P-S curve of the plate load test

3.2 樁徑變化特征

結(jié)合樁體地表變形監(jiān)測結(jié)果，可以確定此次測得樁徑為穩(wěn)定后的最終樁徑。對各深度范圍的樁徑進行統(tǒng)計見表3，可以看出，6～12 m范圍樁徑較為一致，在47～50 cm之間，膨脹率為18%～25%，與前人在黃土地區(qū)的研究成果較為一致[13]，受深度影響有所減少，13 m處樁徑明顯減小，為42 cm，考慮是地層巖性發(fā)生變化的原因，挖探結(jié)果顯示13 m處存在砂土夾層。

表3 不同深度樁徑膨脹率Table 3 Expansion rate of lime-pile in different depths

3.3 干密度變化特征

繪制不同深度范圍各試驗點的干密度曲線見圖8，從圖中可以看出，各深度干密度曲線基本呈“M”型，2和4號點的干密度大多高于原地基土干密度，說明該位置的凍土融化后還得到了擠密。3號點的干密度與原地基土干密度基本一致，說明該處凍土雖然發(fā)生了融化，但融化后未得到進一步擠密。通過2，3和4號點的干密度數(shù)值的整體趨勢看出，2和4號點的干密度大于點3，說明生石灰樁膨脹對周圍土體的擠密作用隨著距離減小，影響范圍為1.25倍樁徑。

圖8 不同位置干密度曲線Fig.8 Dry density curves in different place

3.4 含水率變化特征

通過對探坑內(nèi)不同位置的土樣含水率的測定，繪制含水率變化趨勢曲線見圖9。

圖9 不同位置含水率曲線Fig.9 Water content curves in different place

從圖9中曲線可以看出，樁體上1和5號點的含水率大于樁間土2，3和4號點的含水率，統(tǒng)計8～13 m范圍2，3和4號點含水率得到其平均值為21.6%，比融化前凍土平均含水率(30%)少了約8.4%，說明土體中水分減少明顯，即在生石灰與水反應(yīng)過程中，不僅會與施工中摻加的水反應(yīng)，還會吸收樁體周圍土體中的水分參與生石灰熟化反應(yīng)，同時反應(yīng)過程中放出的熱量融化凍土，使冰體融化的水也參與反應(yīng)，最終使得生石灰完全熟化。對比樁體(1，5號點)和樁周(2，4號點)，可以看出大部分深度樁體含水率高于其樁周含水率，說明生石灰熟化后還能進一步吸水，水分的減少能有效提高地基土體強度，保證復(fù)合地基有足夠的承載力。

4 結(jié)論

1)生石灰樁施工后，樁周地基土體的地溫變化特征表現(xiàn)為融化凍土(24 h)?快速升溫(70～110 h)?快速降溫(3個月)?趨于穩(wěn)定(大于8個月)4個階段。從溫度變化來看，生石灰樁能完全融化樁間凍土，預(yù)融處理后的復(fù)合地基在3個月內(nèi)即已基本穩(wěn)定。

2)石灰樁預(yù)融處理后地基凍土變形以豎向膨脹為主，膨脹量約為2.4～3.0 mm，變形主要發(fā)生在施工完成后1個月內(nèi)。施工完成1 a后的地基承載力特征值遠(yuǎn)高于設(shè)計要求。

3)生石灰樁預(yù)融凍土后的膨脹率受深度影響較小，與土體粒徑成分較大。黏性土與前人在黃土區(qū)的研究成果較一致，砂土則明顯減小?？紤]到同等條件下砂土的承載力基本高于黏性土，生石灰樁預(yù)融處理砂土類島狀凍土依然有效。生石灰樁膨脹對樁周土體的擠密作用隨范圍擴大而減小，最大影響范圍為1.25倍樁徑。

4)生石灰樁完工近1 a后，樁體完全熟化且含水率明顯高于地基土體，地基土體中含水率平均降低了約8%，且距離樁體越近含水率越低。