灰土在基础工程中的应用

龚丽敏

(太原西山煤电集团设计院，山西太原 030053)

数千年前，我国就已成功地将灰土应用在地基工程中。近年来，在我国北方地区，多层的民用建筑和小型砌体承重的单层工业厂房，都广泛采用灰土基础。灰土在湿陷性黄土地区被用作地基处理的防水材料;在填土等软弱土地区，灰土桩被用来提高地基的承载能力。

1 灰土的作用机理

灰土通常是按3∶7的比例将石灰和黄土用规定的用水量均匀拌合，然后分层夯实制成。经过一定龄期，粘土颗粒表面的活性氧化物与石灰起反应生成了不溶性水化物，使粘土颗粒结合起来，从而提高了粘土的强度和耐水性。

2 影响灰土强度的因素

2.1 灰土成分的比例

灰土的成分是石灰和黄土，适宜的石灰比例用量会提高灰土的强度。否则，石灰比例用量偏少不会起到作用，偏高反而会降低强度。实践证明，其适宜比例(体积比)为3∶7。试验结果见表1。

表1 灰土的抗压强度

2.2 灰土成分的质量

灰土中石灰所含的活性氧化物(CaO和MgO)含量，也影响灰土的抗压强度。从表2中可以看出，活性氧化物含量较高时，其配置出的灰土强度较高。

如果石灰在空气中暴露的时间增长，石灰块会吸收水分熟化成消石灰粉，并且与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙，而失去胶结能力，甚至降低灰土的强度。

表2 活性氧化物的含量对强度的影响 %

2.3 灰土土体颗粒的粗细

灰土的颗粒越细，它的比表面积越大，与石灰的胶结作用就越充分，灰土产生的强度就越高。在华北地区，常见的土体有粘性土和砂土，粘土的颗粒较砂土细，所以常用粘土来制作灰土。

2.4 灰土的干容重和压实系数

随着灰土的干容重和压实系数的增加，土粒之间的缝隙会减小，土粒结合得会越密实，灰土的强度会越高。表3列出了不同干容重灰土与抗压强度的关系。

表3 不同干容重灰土的抗压强度

2.5 龄期对灰土强度的影响

在3 d～7 d龄期(早期)内，灰土的强度增长较慢，其抗压强度几乎与夯实的素土相近;经过7 d～28 d龄期，其抗压强度可以达到早期强度的1.6倍～2倍;3个月后，其抗压强度继续提高，是28 d龄期强度的1.6倍～2倍，见表1。经实验证明，提高早期的灰土强度主要靠提高灰土的密实度，或通过加入少量的食盐、明矾等途径，其中以加入食盐的效果最好。

2.6 灰土龄期对其抗冻性的影响

灰土在早期强度不高的情况下，会产生冻结现象。具有一定龄期的灰土(如超过一个月)，解冻后灰土的结构遭受破坏，但仍有一定强度;三个月龄期的3∶7灰土解冻后强度却没有明显的降低。参考有关资料，哈尔滨廿道街在经历了二十多年后(至少20多个反复冻融循环)，其路面依旧平稳，没有发生沉陷或开裂，更没有发生破坏。

2.7 灰土的水稳定性和渗透性

灰土具有良好的水稳定性。在饱水条件下，灰土硬化会生成水硬性胶结物CaO·SiO2·nH2O，随着干容重加大，龄期加长，浸水后灰土的强度降低程度会减小。灰土的渗透系数较低，在工程中被广泛用作防水材料。

3 灰土在基础工程中的应用

3.1 条形基础工程

一千年前，我国古人就成功地使用了灰土基础，有不少被完整地保存到今天。灰土基础多用3∶7灰土，其承载力标准值fk=200 kPa/m3～250 kPa/m3，条形基础的允许高厚比取 1∶1.25(P≤100 kPa)和 1∶1.5(100 kPa≤P≤200 kPa)，灰土基础的常用厚度为300(二步)，450(三步)，600(四步)。规范规定灰土的压实系数不小于0.95，要求分层夯实。

3.2 灰土垫层

3.2.1 概述

灰土作为垫层使用在我国已有悠久的历史，如北京城墙的地基、苏州古塔的地基、陕西三原县青龙桥护堤的地基，都是用灰土建造的，这些灰土至今还很坚硬，强度较大。如有三百年历史的陕西三原县肖家村八字桥送水护坡墙的灰土强度竟达104kPa以上。目前，我国采用灰土垫层作为地基的多层建筑已高达六七层。

3.2.2 设计体会

基底下存在软弱土层、杂填土层以及湿陷性黄土时，通常在基底下坐1 m～4 m厚的灰土垫层，垫层的厚度据Pz+Pcz≤fz确定;垫层的宽度应满足:b≥b+2Ztgθ，其中θ=30°。对于湿陷性黄土，尚应符合《湿陷性黄土地区建筑规范》中表4.1.5及第4.2.2和4.2.3条的规定。用灰土处理湿陷性黄土，不但可以降低地基的湿陷量，还可以改变地基的高压缩性，见表4。在湿陷性黄土地区的生产或生活用水较多的建筑物和构筑物，在基底下用一定厚度的3∶7灰土作垫层处理，可起到很好的防水效果。另外，北方地区用灰土做散水垫层也是为了发挥其防水作用。

表4 不同灰土厚度的压缩量 mm

3.3 灰土井桩基础

3.3.1 概述

灰土井桩又称灰土井、灰土柱或灰土墩，它是起桩作用的灰土基础。灰土井桩通常由生石灰与粉质粘土按3∶7比例拌合后，在回填中分层夯实，经过一定时间，灰土中的白灰与粘土颗粒产生胶凝反应，从而使灰土强度得到显著提高，而且产生良好的水稳性。灰土井桩被广泛应用于多层建筑物的地基处理，尤其是黄土分布较广泛的陕西、山西等地。其设计、施工简便易行，费用低廉，工期短，经济效益显著。

3.3.2 设计体会

灰土井桩适用条件如下:1)多层民用建筑;2)填土、非自重湿陷性黄土(湿陷等级Ⅱ级以下)或其他软弱地基;3)地下水位以上土层(桩底距地下水位小于3 m时);4)建筑物使用过程中不会发生浸水和含酸污水排泄。

在选用灰土井桩基础的同时，要做好建筑地基的防水设计。对一般湿陷性黄土地基，在桩顶上面作一定厚度的灰土垫层，它可以防止地表水渗入地基。在施工时要严防上下水管道因使用而导致水渗入地基土中。

3.4 灰土挤密桩基础

3.4.1 概述

灰土挤密桩同样适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、填土等地基，处理深度宜为5 m～15 m。它是以提高地基的承载力或增强其水稳性为主要目的。具有就地取材、费用较低的特点，被广泛应用在我国西北及华北等黄土地区。

3.4.2 设计体会

灰土挤密桩属于深层加密处理地基，它不但可以提高地基承载力，而且还能有效降低地基压缩性，对湿陷性黄土有部分或全部消除湿陷性的作用。

它的布置范围应大于基础或建筑物底层平面范围，且应符合以下要求:1)采用局部处理时，对于非自重湿陷性黄土、素填土和杂填土地基，bs(每边伸出宽度)≥0.25b(基底宽带)和0.50 m;对于自重湿陷性黄土地基，bs≥0.75b和1.00 m。2)采用整片处理时，bs≥0.5b(处理土层厚度)和 2.00 m。

处理地基的深度，应根据场地的土质状况、成孔及夯实设备等因素确定。对湿陷性黄土地基，尚应符合现行《湿陷性黄土地区建筑规范》的有关规定。

桩孔直径D=300 mm～450 mm，应根据成孔方法确定。桩孔常用等边三角形布置，桩孔中心距离S=2.0D～2.5D。

其承载力特征值，不宜大于处理前的2.0倍，并不宜大于250 kPa。

其变形包括桩和桩间土及其下卧未处理土层的变形。

4 结语

灰土取材广泛，灰土基础施工简单，造价低廉，强度较高。在实际工程中，我们要因地制宜，合理选择相应基础。

［1］《地基处理手册》编写组.地基处理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］顾晓鲁.地基与基础［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［3］地基基础的设计与计算［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［4］建筑材料［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.