石灰桩处理岛状冻土地基试验研究

程 佳，熊治文，金 兰，蔡汉成，孟进宝

（1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000；2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海格尔木 816000）

岛状冻土多处于大片连续冻土与季节性冻土的过渡地带，我国多年冻土面积占国土面积的22.3%，其中岛状冻土比大片连续冻土分布更广［1］。岛状冻土具有年平均地温高［2-3］、对地表热交换条件变化反应敏感的特点，在这一地区的工程建筑容易出现融化下沉等问题，影响工程稳定性。

多年冻土地基处理方法［4］总结起来可分为保护多年冻土和融化多年冻土2种。目前岛状多年冻土区地基处理方法以第1种应用较多［5-7］，包括使用热棒、XPS保温板、片块石路基等。采用预先融化法处理岛状冻土的研究较少［7-9］，主要采用的方法包括开挖暴晒、换填和强夯，处理范围主要集中在深度5 m以内。

从既有研究成果来看，由于岛状冻土年平均地温高、对水热环境变化反应敏感，对于年平均地温不低于-0.5 ℃的高温岛状冻土更适宜采用预融多年冻土的方法，但既有的研究成果多适用于多年冻土浅层地基处理，对于埋藏较深（大于5 m）、年平均地温高（大于-0.5 ℃）的岛状冻土，尚无较好的处理方法。以漠河机场跑道改扩建工程为例，其地基为岛状多年冻土，冻土上限8 m，下限约16 m，年平均地温约为-0.1 ℃，如何处理地基是整个工程中的一大难点。因此，本文提出了利用生石灰桩反应放热融化多年冻土这一新方法处理岛状冻土地基。

1 试验研究思路

1.1 基本原理

石灰桩用于一般软土地基加固的基本原理已有不少研究［10］，但加固岛状多年冻土地基则有所不同，主要是通过以下几种方法实现的。

1）采用破坏原则处理多年冻土地基，利用的是生石灰遇水放热反应来融化多年冻土，并提前消除多年冻土融化后产生的地基融沉变形。

2）石灰桩成桩置换了桩体范围的原有多年冻土，由于石灰桩的桩体承载力高于土体承载力，通过置换作用能提高地基的承载力。

3）生石灰吸水熟化成熟石灰Ca（OH）2这一反应过程中体积会发生膨胀，理论上体积增大约1 倍。因此石灰桩能有效的对周围的土体产生侧向挤密，提高桩间土干密度，达到减小融化后土体沉降的目的。

4）石灰桩在熟化过程中会融化周围冻土地基并吸收融化后土体中的水分，对地基土具有排水固结作用。

1.2 试验方案

本次试验研究依托漠河机场改扩建工程岛状冻土地基处理试验工程进行，按照以下方案开展试验：

1）本着就地取材的原则，选取生石灰和砂质黏土材料作为试验样品，通过试验确定石灰桩的各材料特性和配合比。通过击实试验、石灰桩放热反应等研究石灰桩成桩过程中的基本特性。

2）基于前面所述的试验成果，开展实体模型试验，研究石灰桩处理多年冻土地基的实际效果。

2 桩体材料特性及配比研究

2.1 桩体材料特性

桩体材料主要包括生石灰、掺和料。生石灰主要测定其CaO 含量和水化放热量。掺和料主要包括当地常见的砂黏土和P.O42.5水泥2种。各种材料的相应参数见表1—表3。

表1 生石灰主要参数

表2 砂黏土主要参数

表3 试验水泥技术指标

2.2 配合比计算方案

由于需要石灰桩放热融化冻土，因此，桩体材料配合比要确定生石灰的含量。根据生石灰反应放热与融化多年冻土所需的热量相等这一原理，推导出生石灰质量百分比计算公式。

单位深度范围内，石灰桩放热产生的热量Q1为

式中：m1为桩体质量；Wq为生石灰质量百分比；qq为生石灰水化反应的单位放热量。

单位深度范围内，石灰桩桩周冻土融化需要的热量Q2为

式中：m2为需融化冻土质量；Wf为冻土含水率；Hw为冰融化为水的相变潜热。

因此，由式（1）和式（2）推导得出

式中：r1为桩径；r2为预处理冻土有效半径；ρd为冻土干密度；Wf为冻土含水率；ρdmax为桩体最大干密度；α为调整系数。

掺入水泥能提高石灰桩的强度，参考既有的工程经验［10］，试验中掺入水泥含量固定为5%。

因此，石灰桩的配合比（质量百分比）为生石灰∶砂黏土∶水泥=Wq∶（0.95-Wq）∶0.05。

考虑到生石灰放热所需的水分条件，桩体含水率为生石灰放热所需水分和掺和料最优含水率两者之和。

3 石灰桩成桩试验研究

与一般地区石灰桩施工有所不同，采取石灰桩处理冻土地基的关键在于热量控制，只有保证了足够的热量用于融化冻土这一前提，才能保证石灰桩处理冻土地基的成功。本章节主要从保证施工时间和保证足够的水用于石灰桩反应两个方面来实现。

3.1 石灰桩熟化反应试验

根据2.2节的配合比计算方法，分别配置了生石灰含量30%，40%，50%共3种石灰桩，在敞开条件下进行石灰桩熟化试验，试验结果见图1。

图1 不同生石灰含量石灰桩熟化放热曲线

由图1可知，3 组试验的时间-温度曲线基本一致。先是反应急剧升温，在5～10 min 内温度即升到最高，之后开始降温，降温速率先快后慢，最后趋于平缓，与室温一致。

从试验结果可以看出，要保证石灰桩熟化反应放出的热量充分用于融化冻土，从搅拌到夯实的时间不宜高于10 min。同时，在保证含水率的情况下，生石灰含量对熟化时间影响不大。

3.2 含水率与熟化速度关系研究

石灰桩熟化反应时间为5～10 min，这对实际成桩施工提出了严格的时间要求。同时，由于成桩过程中因能量释放太快而造成安全隐患，因此需要想办法降低放热反应速度。

考虑到冻土融化后能为桩体提供水分，可以通过降低石灰桩桩体含水率来延缓熟化反应时间。以30%生石灰配比方案为例，进行了不同含水率条件下的石灰桩熟化速度试验，试验结果见表4。

试验中前3 项含水率分别为完全反应计算值、掺和料塑限、掺和料天然含水率。由表4可知，随着含水率减少，石灰桩熟化速度逐渐减慢，且由于水分不够，不能完全熟化。考虑减缓熟化速度和保证熟化程度的平衡，15%～19%的含水率较为适宜。未熟化部分可以通过冻土融化后的水参与反应来完成。

表4 不同含水率石灰桩熟化试验

4 石灰桩预融冻土模型试验研究

4.1 试验条件

模型试验参考现场施工情况来确定相关参数。模型直径1.2 m，高0.5 m；桩体直径0.4 m，高0.5 m；上部荷载8 000 kN；夯填工艺采用分层夯实；冻土总含水率为30%；环境温度-1.0 ℃。

根据前面的试验研究，对桩体原始含水率进行了不同考虑。同时，考虑现场施工要求，粒径考虑了细粒状和块状2 种情况，总共设计了3 组不同工况的模型试验，具体见表5。

表5 模型试验方案设计

为了保证石灰桩熟化热量尽量用于融化冻土，试验过程中将开始拌和到分层夯填完成的时间严格控制在5 min以内。

试验过程中进行冻土温度监测，测温点从底部往上于15，25，35 cm 3处位置共布置3层，每层沿桩周往外120°方向3 个方向线性布置，间距5 cm。共布置测63个点，单层布置情况见图2。

图2 石灰桩模型试验温度监测点布置示意（单位：cm）

4.2 试验过程描述

根据前面确定的试验条件开展了3 组模型试验。根据温度监测数据绘制融化进程曲线见图3。

图3 模型试验融化进程曲线（虚线为0℃等值线）

由图3可知：

1）试验过程现象。第1组试验石灰桩分层填筑过程中，散发出大量热量和水汽，同时灰土不断膨胀松散，最终填筑完成的石灰桩的夯填量仅为计算值的50%。第2 组试验和第3 组试验分层填筑过程中热量丧失较小，灰土反应慢。其中第2 组试验完成填筑量为计算值的95%，第3 组试验完成填筑量为计算值的100%。说明桩体含水率太大会导致放热反应过快，无法夯实。

2）试验融化桩周冻土情况。第1组试验融化最大范围为距离桩周15 cm 位置，融化后土体最高温度约为18 ℃，试验进行15 h以后距桩周最远监测点温度即开始下降，70 h 左右土体全部变成负温。第2 组试验融化负温超过35 cm（全部融化），融化后土体最高温度约为29 ℃，试验结束（95 h）时距桩周最远监测点仍处于升温状态。第3组试验融化负温超过35 cm（全部融化），融化后土体最高温度约为25 ℃，试验结束（95 h）时距桩周最远监测点仍处于升温状态。

3）试验结束后桩土情况。试验后进行了桩体的含水率、桩体直径、冻土融化后含水率的测试。其中第1组试验后融土含水率变化范围较大，而第2组、第3组融土含水率较为平均。具体试验结果见表6、表7。

表6 模型试验结束后桩土相关参数

表7 试验后融土含水率%

4.3 试验结果分析

4.3.1 融化及加固效果分析

根据图3的融化进程曲线可以看出，石灰桩能完全融化桩周范围的多年冻土。

根据理论计算，采用40 cm 直径石灰桩融化桩周35 cm 范围含水率为30%的多年冻土（仅考虑潜热），每延米深度需要的潜热热量为136 750 kJ，折算成生石灰质量百分百为68.2%。而根据模型试验结果，60%生石灰含量的石灰桩即可完全融化桩周含水率为30%的多年冻土，说明石灰桩融化多年冻土是完全可行的，且其实际需求量小于理论计算量，初步判断是多年冻土中存在未冻水的问题，2.2 节中的Wf可以根据未冻水含量进行适当调整。

由表6、表7可知，石灰桩在熟化过程及熟化完成后吸收了一部分桩周融土的水分。由表6的第1 组数据可以看出，石灰桩熟化过程中先吸收距离桩周附近融土的水分，然后往外延伸，形成“反应放热-融化冻土-吸收融土水分-反应放热”的循环。而第2 组和第3 组的数据表明，在熟化反应完成基本稳定后，桩周不同位置融土的含水率会自行调整并趋于一致。这一循环既能保证熟化反应的完成，也能达到减少融土含水率，加快融土融沉过程，提高融土地基承载力的作用。

由表6可知，石灰桩融化冻土后桩径明显膨胀，平均桩径为试验前的1.3倍，挤密效果明显。

4.3.2 试验结果对现场施工的指导

根据试验情况分析，石灰桩成桩时的初始含水率是保证其能融化多年冻土的关键，掺水过多会导致石灰桩熟化过快无法夯实，从而无法成桩。掺水过少会影响夯实效果且无法保证成桩时生石灰能进入熟化状态。试验结果表明，桩体含水率控制在15%～19%，拌和到分层夯填完成时间控制在5 min 以内时，成桩效果良好。

同时，生石灰细粒和块状2 种形态时均能完全融化多年冻土，在完全反应后融土温度也较为一致，说明在保证石灰桩能有效夯实成桩的条件下，可以放宽生石灰的粒径到6 cm。

5 结论

1）通过试验研究，提出了处理多年冻土地基的石灰桩配比计算公式，应用该配比方法进行了石灰桩模型试验。石灰桩能有效融化多年冻土并对融化后的地基起到挤密加固作用。

2）石灰桩成桩时含水率过高会使得熟化反应迅速，无法有效成桩。桩体含水率控制在15%～19%，拌和到分层夯填完成时间控制在5 min 以内时成桩效果良好。

3）石灰桩成桩后能形成“反应放热-融化冻土-吸收融土水分-反应放热”的良性循环，从而确保了石灰桩融化冻土的效果，并且在反应完成后能将融土的含水率调整到一致。

4）生石灰为细粒（过2 mm 筛）和块状（过6 cm 筛）2 种形态均能完全融化多年冻土。现场施工时，在保证石灰桩能有效夯实成桩的条件下，可以放宽生石灰的粒径到6 cm，以便于施工。