石灰桩预融处理岛状多年冻土地基的效果探讨

张辰熙， 王吉良

（黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080）

0 引言

我国的多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭、松嫩平原北部及高山地带和青藏高原上，在季节冻土区的一些高山上也有零星分布，总面积约215万km2，占全国面积的22.4%，其中岛状多年冻土的分布更加广阔[1]。

岛状多年冻土普遍年平均地温较高，且具有热敏感性极强的性质，当其作为工程建设的地基时，其热稳定性非常差，融化后会出现不均匀沉降等问题，且自身承载力降低也不能满足上部建筑的要求，影响工程建设的安全及稳定性，国家相关规范已明确指出岛状多年冻土不宜直接用作建筑地基[2]。随着中国经济持续快速增长，建筑工程也随之飞速发展，造成可用于工程建设的土地不断减少，使得利用岛状多年冻土作为地基的工程建设屡见不鲜，然而岛状多年冻土不稳定的性质，就要求有完整成熟的地基处理技术对其进行处理，才能作为地基使用[3,4]。近些年来，我国的地基处理技术有了很大发展，但对于处理岛状多年冻土地基，尤其是在建筑工程领域，尚属空白[5,6]。

文中通过在漠河机场改扩建工程中进行石灰桩预融处理岛状多年冻土地基试验，采用石灰桩法对岛状多年冻土地基进行预融处理，通过现场检验及监测，得到处理后的复合地基承载力、桩身及地基土变形、地基土温度及含水率等实测数据，经过处理分析，验证了石灰桩处理多年冻土地基的可行性及有效性。

1 试验概况

漠河机场改扩建工程位于我国黑龙江省漠河市漠河古莲机场，石灰桩预融处理岛状多年冻土地基试验场地地层由上至下描述如下：

（1） 人工填土：杂色，原有跑道两侧主要由碎石组成，防吹坪附近主要由砂砾石组成，其他位置多为砾质粘性土组成。1.0～1.5m以上冻结，可见大量冰晶。层厚0.3～7.0m。

（2） 全风化凝灰岩：灰黄色，全风化，岩心手捻呈粉砂及粘土状。冻结范围内，肉眼未见分凝冰。层顶埋深0.3～6.9m，该层未钻穿。

试验场地属于寒温带大陆性季风气候，年平均气温为-5.5℃，1月份平均温度-30.9℃，7月份平均温度为18.4℃；场地标准冻深3.0m，最大季节冻深3.8m，标准融深2.8m，最大季节融深3.8m。场地多年冻土属退化型冻土，并且属高温岛状不稳定冻土，地温在-0.1～0℃区间，地基土为不融沉-弱融沉土，局部存在融沉区。

试验采用石灰桩预融处理多年冻土地基，石灰桩桩身选用生石灰、土、水泥、煤渣及水混合材料，设计桩径400mm，设计桩长12.0m，桩顶埋深位于自然地面下6.0m，桩基施工采用螺旋钻取土钻孔，成孔后混合材料投入桩孔内并重锤夯实，形成石灰桩体，桩顶采用素土夯实。根据机场项目实际施工的需要，试验共设置两个试验区，每区共布置8根试验桩，试验1区采用桩间距为2.5倍桩径布桩，试验1区采用桩间距为3倍桩径布桩，两试验区桩位布置情况见图1。

图1 试验区桩位布置（单位：m）

2 试验方案

石灰桩预融处理岛状多年冻土地基试验的原理为：石灰桩桩体成型后，桩身混合材料中的生石灰与水反应放热使桩周多年冻土融化，同时生石灰又不断吸收融化后桩周土中水分，加快桩周地基土融化固结速度；生石灰熟化反应后体积膨胀，对桩周地基土形成挤密效果，有效的减小地基土沉降变形。根据该试验的原理，试验方案包括以下几部分：

（1） 通过试验，对桩身混合材料进行比对分析，确定桩身混合材料的性能及配合比；进行模型试验，验证石灰桩预融处理岛状多年冻土地基的可行性。

（2） 在两个试验区内及场区外预埋测温元件，对地温变化进行实时监测。现场进行石灰桩施工，严格控制石灰桩桩身材料的夯实度。观测试验区场地地面的变形。

（3） 进行桩间土载荷试验、石灰桩增强体载荷试验及石灰桩复合地基载荷试验。观测试验区内地下水位的变化。

（4） 进行地基土含水率试验，施工后开挖探坑取样测量桩体及桩周土的含水率变化，同时通过开挖探坑检验石灰桩的成桩效果。

3 试验过程

（1） 室内试验。按照就地取材的原则，选用生石灰、砾质粘性土及水泥作为室内模型试验材料，通过室内试验确定桩身材料的性能及配合比，验证石灰桩处理岛状多年冻土地基现场试验的可行性，并提出合理的施工工艺和试验方法[7,8]。

（2） 地温监测。地温监测采用自动采集测试系统，包括天然地温监测及桩周地基土体温度监测，为适应试验场区低温环境，测温系统选用测温范围大、测量精度高的热敏电阻作为测温元件。测温系统在试验桩施工前完成安装测试，以记录试验区初始的地温数据。为避免钻孔施工对测温元件造成损坏，严格按照设计的测温点位施工测温孔，同时采用外包塑料管对测温线进行保护。试验共布置8处测温孔，布置原则为选取桩间的中心位置。

（3） 试验桩施工。根据漠河机场改扩建工程既定的试验区边界，经测量放线定位，确定两个试验区试验桩的桩点位置及间距。试验桩施工采用长螺旋钻取土成孔，为防止成孔后孔内塌方造成试验桩长度不满足设计要求，成孔后随即测量孔深，如深度不符合设计要求，利用钻机复钻直至达到设计要求深度，并立即按照设计配合比进行桩身材料配置、填入（由于施工期为冬季且生石灰具有遇水急剧反应的特性，为避免生石灰在入孔前完全反应，现场桩身材料搅拌配置过程时间不宜过长，并在搅拌均匀后立即填入孔内）、夯实（夯实效果满足相关规范要求，现在派专职人员监管），直至达到设计的桩顶高度（距自然地面6m）后，最后采用素土夯实封孔，形成石灰桩桩体。

（4） 变形测量。试验桩施工完成后，按照《建筑变形测量规范》的相关要求，采用精密水准仪对试验区地面的变形情况进行测量，共布置12处变形观测点，其中：观测点G1～G6布置在试验1区，观测点G7～G12 布置在试验 2 区，其中 G1、G2、G3、G7、G8、G9为桩间土变形观测点，采用地面浅埋标，G4、G5、G6、G10、G11、G12为石灰桩变形观测点，采用深埋标，底部埋入石灰桩桩体内，并通过钢管将标志引到地面。

（5） 载荷试验。试验桩施工完成后，按照《建筑地基处理技术规范》的要求，采用大型机械配重法进行石灰桩增强体载荷试验、桩间土载荷试验及复合地基载荷试验。由于机场不停航条件的限制，能用于进行载荷试验的时间较短，试验的加载方式采用快速维持荷载法。载荷试验点平面位置见图2。

图2 载荷试验点位置

（6） 含水率试验。通过对试验场地开挖探坑及含水率测试孔分别对桩体及桩周土进行含水率测量试验。其中开挖探坑是根据补充试验方案要求，开挖直径1300mm，深度13.0m的探坑，其中5.0～8.0m深度范围内每1.0厚度取样、8.0～13.0m深度范围内每0.5m厚度取样进行含水率试验，并可以直接观察石灰桩膨胀后的成桩质量。

4 试验结果及分析

4.1 室内试验

（1） 通过石灰桩室内模型试验，验证了石灰桩理论上能有效的融化桩周多年冻土并对融化后的地基土产生明显的挤密效果的可行性。

（2） 因桩周多年冻土融化后形成较多自由水，为保证石灰桩成桩质量及预融处理效果，配置的桩身混合材料含水率不宜过高，通过试验确定含水率宜控制在17%左右。

（3） 石灰桩处理岛状多年冻土地基形成“熟化反应放热-融化桩周冻土-吸收冻土融化的水分-吸水熟化放热”的循环过程，不但可融化桩周多年冻土，同时能降低地基土融化后的含水率，加快地基土沉降固结。

（4） 试验推断出现场原型试验在石灰桩夯实满足规范要求的基础上，桩身混合材料中生石灰块的粒径控制在60mm以内，融化多年冻土的效果较好。

4.2 现场试验

（1） 通过分析3处天然地温监测数据，可知CWK1和CWK3在3.0m以下均为正温；CWK2只有在1月份-9.5～-12.0m深度范围内为负温，且最低温度仅为-0.12℃。分析由于场地地温较高，测温孔在钻孔施工时，桩周冻土融化后未回冻，该测温期间3处测温孔孔周土体处于融土状态。天然地温观测情况见图3。

图3 CWK2天然地温深度曲线

（2） 通过分析桩周冻土温度变化数据，可知利用石灰桩预融处理岛状多年冻土地基，桩体内生石灰熟化释放的热量可完全融化桩周多年冻土，桩周多年冻土融化后升温幅度较大，约在100h达到温度峰值35℃，升温后降温的速度缓慢，分析是由于生石灰熟化释放的热量较多，且石灰桩桩顶暖土覆盖层较厚，热量无法快速消散。桩周土地温变化情况见图4。

图4 C3测温孔地温变化曲线

（3） 石灰桩施工完成后，桩体生石灰熟化放热体积膨胀，融化并挤密桩周多年冻土，有效避免多年冻土融化后固结沉降和钻孔取土施工造成的地基土下沉。

试验对石灰桩桩体及桩间土向上隆起变形情况进行观测，共观测150d，通过对观测数据进行分析，可知石灰桩桩体及桩间土前期变形较快，约在施工完成后10d达到变形最大值，向上的最大变形量为3.2cm，桩间土向上的最大变形量为3.1cm，之后向上的变形值逐渐下降，约在13d后即已趋于稳定，稳定时间较短，可满足上部结构的使用要求。石灰桩及桩间土的向上变形情况图如图5、图6所示。

图5 试验1区桩体及桩间土变形曲线

图6 试验2区桩体及桩间土变形曲线

（4） 试验区石灰桩施工完成后，待桩周地基土温度和变形区域稳定后，分别对石灰桩增强体、桩间土地基及桩土复合地基分别进行两组载荷试验，试验结果如图7～图12所示。

通过图7、图8试验曲线可知，石灰桩处理岛状多年冻土地基后，石灰桩竖向增强体承载力特征值为70～80kN，可见其成桩效果明显，桩体的承载能力较高；因现场载荷试验条件限制，桩间土载荷试验未加载至破坏，根据相关规范要求，取其比例极限作为承载力特征值，通过图9、图10试验曲线可知，T1试验点承载力特征值取200kPa，T2试验点承载力特征值取180kPa，高于勘察期间该层地基土融化固结后地基承载力特征值180kPa，证明了石灰桩体膨胀对融化后桩间土的具有较好的挤密效果，提高了桩间土的承载能力；同理，复合地基载荷试验未加载至破坏，取其比例极限作为承载力特征值，通过图11、图12试验曲线可知，D1试验点承载力特征值取366kPa，D2试验点承载力检测值达到333kPa，相比勘察期间该层地基土融化固结后地基承载力特征值180kPa提高了85%～103%，可以满足地基承载力为200kPa的设计要求。

图7 S1竖向增强体载荷试验Q-s曲线（桩间距2.5倍桩径）

图8 S2竖向增强体载荷试验Q-s曲线（桩间距3.0倍桩径）

图9 T1桩间土地基载荷试验P-s曲线（桩间距2.5倍桩径）

图10 T2桩间土地基载荷试验P-s曲线（桩间距3.0倍桩径）

图11 复合地基载荷试验P-s曲线（桩间距2.5倍桩径）

图12 复合地基载荷试验P-s曲线（桩间距3.0倍桩径）

通过试验数据可知，桩间距的不同对石灰桩竖向增强体承载力影响不明显；而当桩间距较小时，桩间土承载力和复合地基承载力均较高，石灰桩膨胀对桩间土的挤密效果越明显，土体被增强的效果越好。

（5） 采用钢板护壁开挖探坑，测试孔取样测试桩土的含水率，探坑挖至地下13m深度附近时，探坑壁开始出水，停止开挖。开挖时发现石灰桩成桩效果较好，桩径由400mm膨胀至440mm，石灰桩桩体含水率比夯填前有了显著提高，桩周冻土融化后含水率较融化前变化不大，说明石灰桩桩身生石灰吸水能力较强，吸水效果很好，熟化程度较高。石灰桩施工后桩体、桩间土，施工前含水率测试孔及勘察阶段含水率变化如表1所示。

表1 不同工况的含水率

通过表1不同工况时含水率的变化可知，石灰桩体的含水率由配置时的17%提高到了平均24.2%左右，桩间土的含水率由23.4%降低至20.7%，证明了石灰桩具有良好的吸水能力，验证了其“熟化反应放热-融化桩周冻土-吸收冻土融化的水分-吸水熟化放热”循环过程的真实性及可行性。

开挖探坑时发现存在零星大块生石灰仅表面熟化而其内部并未完成熟化反应，所以在石灰桩施工中，应确保施工质量，严格控桩体材料中生石灰的粒径大小，如有条件，尽量使用细粒状生石灰，避免大块生石灰未完全熟化，对工程造成隐患。多年冻土处于冻结状态时，具有天然隔水的效果，形成竖向隔水层，其融化后失去隔水的性能，地基土中的自由水就会顺着融化土体中的空隙自由流动，造成在开挖探坑时，坑壁有出水现象。

5 应用展望

该试验由于场地限制，区域设置较小，桩数布置较少，与实际大面积施工时的工况会有一些差别，但已使预融处理岛状多年冻土地基从理论到实践迈出了坚实的一步，并填补了建筑工程上处理岛状多年冻土的空白。今后要加大试验规模，做好细节工作的分析和处理，继续岛状多年冻土地基的预融处理方法的研究，将石灰桩预融处理岛状多年冻土技术完善成熟，早日应用到在实际的工程建设当中。

6 结语

（1） 针对岛状多年冻土热敏感性强、热稳定性差的特点，通过室内模型试验、现场原型试验及一系列的辅助试验，验证了石灰桩预融处理岛状多年冻土地基的可行性和有效性。

（2） 石灰桩施工完成后，桩体混合材料中的生石灰熟化放热并体积膨胀，融化桩周多年冻土并对其产生侧向挤密的效果，有效降低了多年冻土融化产生的固结沉降和钻孔取土施工造成的地基土下沉变形，使岛状多年冻土地基变形满足上部结构的使用要求。

（3） 采用载荷试验分别检测石灰桩竖向增强体、桩间土地基及桩土复合地基的承载力，石灰桩竖向增强体成桩效果明显、承载力较高；桩间土地基承载力的提高验证了石灰桩膨胀对桩周多年冻土融化后的挤密效果；桩土复合地基承载满足地基承载力设计要求。

（4） 岛状多年冻土融化后失去了天然隔水的性能，改变了原有地基土内地下水流动走向，这是否会降低复合地基的承载力，增大工后变形，有待进一步验证和研究。