扩径石灰桩复合地基现场试验与数值模拟

程 志， 熊志武， 芮 瑞， 郑晓敏

(1. 广东电网有限公司广州供电局 a. 规划研究中心； b. 基建部， 广东 广州 510620；2. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430070)

石灰桩法是在用机械或人工方法成孔后，将不同比例生石灰和掺合料(粉煤灰、炉渣土)振密或夯实后形成石灰桩桩体，桩体与桩间土形成石灰桩复合地基，二者共同承担上部结构传来的荷载，以提高地基承载力、减小和控制沉降量的不良地基处理技术[1～3]。石灰桩法处理软弱地基是工程中常见的手段，具有原料供应方便、施工速度快、振动小等特点。在该技术应用中，其通过生石灰吸水分解、膨胀作用，使桩间土在此过程中脱水、挤密，并获得更高强度，非常适合应用于处理饱和黏性土、淤泥、淤泥质土、素填土和杂填土等地基。相关学者通过现场与室内试验、数值模拟对石灰桩加固复合地基的机理、效果以及影响因素展开研究。

针对石灰桩加固机理及影响因素，学者们进行了大量研究。陈善雄[4]综述了石灰桩加固软弱地基的机理和石灰桩复合地基的形状，指出桩径、桩距、填料配比、灌灰方法都会对石灰桩的加固效果产生影响。林彤等[5]进行了粉煤灰与生石灰加固土的室内配方试验，分析了石灰加固土强度与生石灰掺入比和龄期的关系。向玮等[6]通过现场试验对变径水泥土搅拌桩处理桥头软基展开研究，对变径搅拌桩的桩身强度、桩身均匀性和承载性能进行了研究，表明桩体中的水泥掺入量保证了桩身质量，特别是深部桩体的质量，28 d龄期桩体的强度和均匀性较7 d均有较大提高。王梅等[7]通过压汞试验和扫描电镜的手段，分析了生石灰与粉煤灰桩加固软土地基前后土微观结构和孔隙特征的变化。计雅筠等[8]使用生石灰桩整治膨胀土地区铁路基床软化，得到了显著的改良效果。由于生石灰膨胀特性与用其进行地基处理的效果直接相关，许多研究工作针对生石灰膨胀的影响因素展开。米海珍等[9～11]对生石灰的膨胀性进行了试验研究，得出了生石灰桩体积膨胀系数和平均吸水率，为不同场地条件下生石灰桩挤密处理效果提供了计算依据。常春普等[12]依托基床软化的工程实例，对四种桩径生石灰桩处理基床软化方案进行数值模拟以确定最佳加固方案。结果表明生石灰桩是处理基床软化的有效措施，增大生石灰桩桩径可以显著改善基床软化沉陷的现象，但一味地增大桩径效果不明显。

然而，传统的石灰桩复合地基仍然存在机械化施工程度低、施工粉尘污染大、施工工期长和软芯等不利因素。本文通过现场试验对开发的扩径石灰桩成套装备及施工技术进行了检验，采用水泥替代粉煤灰以提高石灰桩桩体的水硬性，减小石灰桩软芯的影响。采用试验前后的钻孔取芯试验、静力触探等方法对加固效果进行了检验。利用现场试验获取扩径石灰桩相关力学参数与挤密后桩间土的力学特性，采用基于Biot固结理论的流固耦合有限元法对现场试验进行模拟，分析扩径石灰桩复合地基参数对沉降的影响，得到了石灰桩各参数与软土地基沉降的关系。

1 工程实例

1.1 工程概况

项目所在地广州市南沙区八涌东路南侧，场地地形较为平坦，拟建 110 kV保税输变电工程占地面积3702.112 m2，总建筑面积3554.80 m2。项目所在地存在深厚软土层，上方已堆填约2.5 m填土，通过堆载预压减少后期固结沉降。场地地貌类型为珠江三角洲冲积平原区，拟建项目范围内存在深厚的海陆交互软土，淤泥质土与淤泥质粉砂互层。软土层含水量高，具有压缩性高、抗剪强度及承载力低的特点；固结时间长，加载后变形量大；具高流变性，易产生滑移破坏，地震时易出现震陷，易产生地面不均匀沉降，对场地的稳定性有较大影响。

图1 现场试验场地钻孔地层/m

本次试验前对6个静探孔进行了测试，各孔触探深度为0.1～8.0 m，结合侧壁摩阻力和摩阻比与深度的关系曲线，进行试验场地地基土土层划分，与前期勘察结果一致。场地自上而下土层可以分为2层，深度0.0～2.4 m，为杂填土，深度2.4～8.0 m，为淤泥及含淤泥粉砂层。

1.2 石灰桩复合地基现场试验

现场试验地位于110 kV保税输变电工程部分，在扩径石灰桩施工前，对地基土现场进行钻孔取样、静力触探试验。试验采用桩径300 mm，桩长8 m的石灰桩(场地杂填土平均厚度约为2.0 m，有效加固桩长6 m)，按照500，700，900 mm的不同桩间距布设28根。扩径石灰桩现场试验桩位、钻孔及原位测试孔布置见图2，现场试验照片见图3。

图2 现场试验桩位与钻孔、原位测试孔布置/mm

图3 石灰桩现场试验

石灰桩的主材料选用生石灰，水硬性掺合料选用P.C32.5R复合硅酸盐水泥，生石灰与掺合料的配合比为质量比1∶1。成桩采用振动打桩机，内径300 mm高度9 m的钢管。打桩机夹紧沉管后将桩稳定匀速压入地基中，放置填料漏斗，向管内填料，期间分次拔管，同时进行逐段振密压实，直至成桩后上填一定厚度的粘性土夯实封顶，依次由外向内完成28根石灰桩。施工完毕28 d后，进行石灰桩取芯与桩间土钻孔取样，并在试验前静力触探孔位置进行桩间土的静力触探试验，利用取得的芯样开展无侧限抗压试验等相关室内试验。

2 现场试验结果分析

2.1 膨胀结果分析

石灰桩设计桩径为300 mm，成桩28 d后，对桩径进行量测。测得膨胀后的最小桩径为360 mm，最大桩径为420 mm，桩径膨胀量为设计桩径的1.2～1.4倍，体积膨胀1.4～1.9倍，桩身膨胀时也挤密了桩间土。桩顶膨胀情况见图4。

图4 石灰桩桩身直径膨胀量

2.2 静力触探结果分析

石灰桩深度范围典型的现场静力触探试验结果单孔曲线柱状图见图5。由锥尖阻力和侧摩阻力曲线进一步将土层进行细化，本场地为淤泥和含淤泥粉砂互层地层。

图5 现场试验场地静力触探单孔曲线柱状图

施工前后不同桩间距条件下的静力触探试验比贯入阻力见图6。从图6可以看到，施工前后桩侧淤泥质土层和含淤泥粉砂层的锥尖阻力及侧摩阻力均有了显著提高。随着桩间距由500 mm增加到700，900 mm，石灰桩挤密效应对比贯入阻力的提高幅度从111%分别降低到40%，12%，侧摩阻力提高幅度从340%分别降低到111%，80%；而对于含淤泥粉砂，对于桩间距分别为500，700，900 mm，比贯入阻力的提高幅度仅为5.7%，35%，4.4%，侧摩阻力提高幅度分别为6.7%，27%，50%。

图6 加固前后地基土静力触探数据对比

参照广东省标准DBJ/T 15-60-2019《建筑地基基础检测规范》的规定，按扩径石灰桩施工静力触探测试结果估算地基土承载力特征值以及变形模量，估算结果对比见图7。

图7 加固前后地基土承载力特征值与地基变形模量

如图7所示，石灰桩加固后的淤泥地基承载力特征值由不足30 kPa均提高到了34 kPa以上，地基土变形模量普遍提高到了1.6 MPa以上。随着桩间距由500 mm增加到700，900 mm，淤泥地基承载力提高幅度从85%分别降低到31%，12%，地基土变形模量提高幅度从63%分别降低到27%，8%；而对于含淤泥粉砂，挤密加固的提高幅度不明显。

可以看出，石灰桩法有效提高了桩间土的强度和抗变形能力。随着石灰桩间距的增加，挤密效果逐渐降低，石灰桩挤密效应对淤泥的加固效果更加明显。

2.3 取芯试验结果

采用Φ50环刀取石灰桩芯样进行无侧限抗压强度试验，试验前后芯样照片见图8。极限荷载平均值0.642 MPa，采用水泥作为掺合料的石灰桩强度较粉煤灰掺合料石灰桩有较大幅度的提高。

图8 石灰桩填料28 d无侧限抗压强度试验照片

石灰桩承载力受桩身强度控制，因此单桩设计值Q采用GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》第8.5.11条规定，如式(1)所示。

Q≤Apfcφc

(1)

式中：Ap为石灰桩截面面积；fc为单轴抗压强度，采用无侧限抗压强度试验结果代替；φc为经验系数，取0.75。计算得到的单桩设计值为43.34 kN。

石灰桩复合地基承载力特征值fspk采用DB33/1051-2008《复合地基技术规程》第11.2.1-1条计算：

fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk

(2)

式中：m为石灰桩面积置换率；Ra为石灰桩单桩承载力特征值(采用单桩设计值代替)；β为经验系数，取0.75；fsk为地基土承载力特征值。

估算得到石灰桩间距500 mm的地基承载力为191 kPa，间距700 mm的地基承载力为111 kPa，间距900 mm的地基承载力为78 kPa。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

采用试验场地土体参数，结合现场试验石灰桩布置，建立石灰桩复合地基数值模型。不同桩间距模型尺寸见表1，模型网格划分图见图9。

表1 石灰桩复合地基模型尺寸

图9 石灰桩复合地基网格划分

3.2 参数选取及计算方案

本研究的石灰桩以及地基土参数参照现场试验和室内试验结果，相关地质参数根据勘察报告《110千伏保税输变电工程岩土工程勘察报告(可行性勘察)》进行选取。地层计算参数如表2～4所示。

表2 模型主要物理力学参数

建立模型后，进行地应力平衡运算，形成土体初始应力场；施工上部填土，填土厚度取2.0 m，计算填土堆载2年后固结沉降；进行石灰桩施工，激活桩土界面单元，激活桩间土挤密后参数，计算成桩10年后固结沉降并计算稳定后的最终沉降。

表3 不同桩间距下桩间挤密土参数

表4 石灰桩参数

3.3 石灰桩加固效果及桩间距影响

采用石灰桩加固地基可显著减小地表沉降。以试验一为例，图10为试验一仿真模拟沉降云图，填土堆载2年后地表沉降为120.93 mm，采用扩径石灰桩处理后，继续固结10年的地表沉降值为295.27 mm，最终沉降量为416.82 mm。针对试验一的对比仿真模拟结果，不采用石灰桩处理，填土堆载2年后地表沉降为119.93 mm，再继续堆载10年后地表沉降值为265.67 mm，最终沉降量为435.56 mm。扩径石灰桩地基处理采用不同的桩间距对地表沉降影响也不同，统计三组试验仿真模拟结果沉降值，列于表5，石灰桩间距与沉降差值关系图见图11。

表5 地表沉降量对比 mm

图10 试验一(桩距500 mm)沉降云图

随着石灰桩间距的增大，沉降量差值不断减小；继续固结10年后的沉降量差值(工后沉降)，桩间距为500 mm时，加固后的沉降量差值大于未加固沉降量差值，但最终沉降量差值减少；桩间距700 mm时，加固后的沉降量差值几乎等于未加固沉降量差值。桩间距900 mm时，加固后的沉降量差值小于未加固沉降量差值；采用加固措施后的最终沉降量差值要小于不采用加固措施所得到的地基最终沉降量。

扩径石灰桩施工过程中，采用钢筒挤压淤泥质土成孔，并填入石灰桩材料，增大了地层的附加荷载。而桩间距越小，单位体积土体内填入石灰桩材料量越多，附加荷载增加量越大，这导致随着桩间距的增大，沉降量反而减小。

采用石灰桩加固上部土层，会增大石灰桩长范围内的复合地基整体弹性模量，使得桩长范围内复合地基在附加荷载作用下的变形减小，复合地基整体沉降变形减小幅度大于石灰桩自重引起的附加荷载导致的沉降增大幅度，使得加固后的最终沉降量小于未加固的最终沉降量。扩径石灰桩复合地基的地表最终沉降量受石灰桩自重引起的附加荷载以及石灰桩加固范围内复合地基弹性模量增大的双重影响。

采用石灰桩加固后，由于石灰桩透水性较好，会减小淤泥质土的排水路径(桩侧淤泥土的水平向排水路径，桩下侧淤泥质土的竖向排水路径)，使得固结速度加快。继续固结10年后的地表沉降量影响因数，不仅受石灰桩自重引起的附加荷载(因数一)、石灰桩加固范围内复合地基弹性模量增大(因数二)双重影响，还受淤泥质土的固结程度影响(因素三)。继续固结沉降10年时，当石灰桩桩距为500 mm时，在因数一与因素三的联合作用下对沉降量的影响程度大于因素二，导致沉降量差值大于未加固土体；当石灰桩桩距为700 mm时，在因数一与因素三的联合作用下对沉降量的影响程度与因素二几乎相同，导致沉降量约等于未加固土体；当石灰桩桩距为900 mm时，在因数一与因素三的联合作用下对沉降量的影响程度小于因素二，导致沉降量小于未加固土体。

总体上看，相对于未加固地基，采用石灰桩加固的地基最终沉降均会减小。一味的减小石灰桩桩距对于减小场地的总沉降量不利。

4 结 论

通过石灰桩复合地基现场试验的数值试验分析，可以得到以下结论：

(1)石灰桩复合地基通过石灰桩的吸水膨胀对桩间土产生挤密效果，有效提高地基承载力，扩径石灰桩加固地基可显著提高场地的承载力，减小地表沉降，对广州番禺、南沙等地软基处理提供方法参考。

(2)扩径石灰桩地基处理采用不同桩间距对地表沉降影响也不同，由于扩径石灰桩自身重量对地基产生附加应力影响，采用石灰桩法加固一味的缩减桩间距，会增加总沉降以及沉降速率。但总体上由于对地基土层的加固效应，在仅加固6 m的深度条件下，总沉降量仍会显著减小。进一步增大桩长会取得更好效果。

(3)扩径石灰桩复合地基提高了场地土层的整体性，对防治场地不均匀沉降具有可预见的积极作用，但单元体数值模拟难以对这一效果进行评估，有待进一步的研究。