粉煤灰桩加固软土地基技术的探讨

郭丰振

(佳木斯市恒兴公路勘察设计有限责任公司)

我国区域辽阔，工程地质和水文地质条件复杂，在公路工程建设中常常会遇到各种不良的软土地质条件，需要对其进行地基处理提高其承载能力。所谓软土，从广义上讲就是强度低、压缩性高的软弱土层。地基处理不是局限于基础持力层，而是整个基础下影响范围内的压缩层，因此地基处理时应寻找合理的加固深度、简便的施工方法以达到经济快速合理，而软土地基地处理是其中的薄弱环节，因为软土地基中土的孔隙比大，含水量高，渗透性差，强度低，这类地基在外力的作用下会引起沉陷，产生不均匀沉降等问题，往往会发生路基或桥梁基础失稳或过量沉陷，导致公路桥梁破坏或不能正常使用。因此必须改善其地基变形与稳定条件，使土的孔隙减小，提高土的密度，使土粒更好地胶结在一起。目前常用的对软土地基处理技术主要为开挖换填法、强夯法、粉煤灰桩法、沉管桩法、深层水泥搅拌法、振冲碎石桩法等方法。

开挖换填法对不良地质层埋深较浅、开挖范围不大时比较适用。强夯法是利用重锤自由落下的巨大冲力反复夯击地基土，将夯面以下一定深度地土层夯实，以提高地基的承载力和土体的稳定性，降低压缩性。但仅适用于周围无建筑物的情况。由于沉管桩法在深厚软土中成桩条件的限制，其吨承载力造价往往较高，深层水泥搅拌法虽能降低些造价，但有时其建筑物的最终沉降控制和复合地基强度往往不尽人意，并且淤泥中有机质含量高时要求大量掺用水泥施工造价提高较多。而粉煤灰具有容量小，渗透性好，有较高的静力抗剪强度，较低的压缩性，与石灰等碱性物质产生水化反应后产生凝硬性，同时粉煤灰具有造价低廉，来源方便，本身就是火电厂的废物，属于废物再生利用。下面我们着重介绍一下粉煤灰混凝土桩的作用机理、复合地基的设计及施工工艺，希望能对软土地基加固处理技术起推动作用。

1 粉煤灰混凝土桩及其成分的作用机理

粉煤灰混凝土桩简称粉煤灰桩，是以粉煤灰作为主要胶结材，加入少量的碱性激发剂、外加剂，并配以一定级配的骨料(也可以不加骨料)，加水拌和成型(工艺需要也可不加水，其水化用水从所加固的软土地基吸取)。其中粉煤灰具有优良的火山灰活性，其中含有大量由硅铝组成的玻璃体，在碱性激发剂的作用下能生成水化硅酸钙等具有水硬性的水化产物，同时由于灰中有大量圆球颗粒，在水泥混凝土搅拌捣实过程中发挥润滑作用，不仅能减少水泥用量，还能使混凝土具有许多优良性能，粉煤灰的细度越细、分散度越高，一般活性也越好。水泥是粉煤灰最常用的激发材料，一方面要提供一定的水化胶凝物质以保证粉煤灰桩早期强度的需要，另一方面又要求水泥水化所生成的氢氧化钙数量以及质量足以激发粉煤灰的活性物质产生水化反应，并因此生成数量足够及质量高的水化胶凝产物以保证粉煤灰混凝土后续强度的持续稳定发展，通过实验数据分析，从长远强度的稳定性考虑，粉煤灰与总胶凝材料(粉煤灰+水泥)之比例应小于等于80%，高于上述比例时可能由于水泥水化时产生的氢氧化钙数量不足而导致粉煤灰桩的后期强度不稳定而影响粉煤灰桩的使用性能。粉煤灰混凝土减水剂是一种表面活性剂，其主要作用在于降低水的表面张力及水与其他溶液和固体之间的界面张力，使混凝土用水量减少，减少多余水所形成的毛细孔洞，提高成型试件的成型密实度，达到提高强度的目的，同时对粉煤灰的活性能够产生激发效果。

2 粉煤灰桩在复合地基中的设计

用粉煤灰混凝土在软土中制成的桩可与原地基土形成复合地基，桩土共同承担荷载，荷载由桩间土逐步转移到桩上，桩土在等应变下共同作用，另一方面，粉煤灰桩复合地基中由于打设了许多强度较高的桩体，在桩所贯穿的土层范围内，桩土构成复合层。这一复合层的平均物理力学性能远优于天然地基，可起着类似换土垫层的作用，使得传递到下卧土层的应力扩散并趋于均匀分布起到提高地基整体强度，减少沉降和不均匀沉降的作用。

粉煤灰桩桩身材料弹性模量约为普通混凝土的十分之一，相对于软土而言有足够大的刚度，因此在复合地基设计时，单桩承载力可借用刚性桩的算法，求得单桩承载力后与桩间土复合得到复合地基承载力，进而估算复合地基沉降量。

2.1 复合地基承载力

复合地基单桩承载力标准值可按下式计算

式中：Up为桩周边长度;qsi为第i层土桩周摩阻力标准值;li第i层土厚度;qp为桩端土承载力标准值;Ap为桩截面积;η为桩端承载力折减系数。

按静力平衡原理，复合地基承载力标准值这里m为面积置换率，即基础下单位面积内粉煤灰桩所占的面积比例;Rs为桩周土承载力标准值;β为桩周土承载力折减系数。

计算复合地基承载力时，当桩端落在良好持力层时η取值为1.0;当桩端无持力层，为避免出现过大的桩端刺入位移，取η=0;桩端土层介于上述两种情况之间η取0～1.0，视容许沉降大小确定，容许沉降大取高值，容许沉降小取低值。桩周土承载力RS的折减系数β，对软粘土可以取0.6～0.8;当桩间土可挤密时(如砂夹淤泥、杂填土)可取β=1.0，RS取加固前天然地基承载力。

2.2 复合地基沉降计算

粉煤灰混凝土桩复合地基沉降的估算可用一般复合地基沉降计算法。加固段的复合压缩模量

式中：Ep为桩身压缩模量，Es为桩间土压缩模量。

有了复合层压缩模量Esp后即可按分层总和法估算复合地基沉降量。

粉煤灰桩的桩距一般应大于等于3.5D，D为桩的直径。确定桩长时当有合适的相对硬层时，宜将桩打至相对硬层以提高单桩承载力，桩长的确定应满足单桩承载力的要求，但不宜超过20 m。在平面布置中应按梅花型布置成梅花桩。

3 粉煤灰桩的施工工艺

粉煤灰混凝土拌和物的施工性有许多不同于一般混凝土的特点，在配置粉煤灰配合时，应选用Ⅱ级及以上低钙粉煤灰，外加剂应先制成水剂并与所需用水同步加入搅拌机内进行搅拌，在机内搅拌时间应大于90 s，不宜采用人工搅拌。拌和料的计量要准确，以保证粉煤灰混凝土的施工性能。粉煤灰桩的施工可采用沉管灌注桩机制作，也可以采用钻孔压浆工艺施工，施工时必须使混凝土的塌落度达到140～180 mm，且碎石最大粒径为1～3 cm，为保证桩身强度和降低成本，掺入35% ～45%中粗砂作为细骨料，新拌粉煤灰混凝土初凝时间6 h左右，终凝时间12 h左右，初凝时间内坍落度损失率较小，触变性能好，保水性强，有利于桩的灌注成型。

粉煤灰桩和桩间土共同作用一起形成复合地基，其承载力的提高具有很大的可调性，沉降变形小、造价低廉。加入粉煤灰后，桩体具有明显的后期强度，根据其桩身强度较高的特点，在软土地基中采用就可得到更高的承载力，在较短的时间内使路基沉降趋于稳定，减少了路基的沉降时间，保证了工程质量。在不久的将来采用粉煤灰桩加固软土地基技术必然会得到广泛的应用。

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［1］交通部公路科学研究院.公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南.

［2］吴金秀.粉煤灰桩加固软土地基技术.福建省建筑科学研究院.

［3］粉煤灰混凝土应用技术规范(GBJ/T146-90).

［4］郑俊杰，刘士清，林永汉.软土地区粉煤灰混凝土桩复合地基设计方法，2000，(4).