本發(fā)明屬于多年凍土區(qū)工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于島狀多年凍土區(qū)地基處理的樁，特別涉及一種處理島狀凍土地基石灰樁；本發(fā)明還涉及一種該石灰樁的施工方法。

背景技術(shù)：

我國境內(nèi)分布的島狀多年凍土具有年平均地溫較高、厚度小、熱穩(wěn)定性較差、連續(xù)性較差的特點。溫度周期性變化導(dǎo)致島狀凍土寒季凍脹，暖季融化下沉。在凍脹和融沉交替作用下，地基產(chǎn)生差異沉降，進(jìn)而引起房屋建筑、鐵路公路的變形破壞。由于島狀凍土的這些特點，其地基處理適宜采用破壞凍土（預(yù)融凍土）的方法。

目前，國內(nèi)利用預(yù)融原則處理多年凍土地基，主要為換填，但換填存在不少局限性。從適用范圍和施工技術(shù)來講，換填法適用范圍較小，僅適用于凍土埋設(shè)較淺、厚度較小的凍土地區(qū)。對于凍土上限埋藏深（大于6m）、厚度較大（超過6m以上）的凍土地區(qū)并不適用。這是因為：1）挖除凍土要耗費大量的機械臺班與材料；2）由于不能完全挖除凍土，如果處理不當(dāng)，會在換填區(qū)下部形成軟弱夾層，反而成為路基病害。而且，在清除多年凍土軟弱層過程中，地基基坑積水，使得下部未挖除的凍土融化下沉，進(jìn)而造成路基施工后早期工后沉降較大，導(dǎo)致路基初期產(chǎn)生較大不均勻沉降變形。從經(jīng)濟角度來講，由于涉及大范圍的土方開挖，其經(jīng)濟性和可行性不高，因此對于預(yù)先融化（破壞）地基多年凍土的方法的應(yīng)用較少。

擠密法加固軟土地基的方法，就是首先把樁管打入土中，再拔出樁管，形成樁孔，向樁孔內(nèi)夯填生石灰，使地基得到加固。其主要機理是通過生石灰的吸水膨脹擠密樁周土，用于處理飽和粘性土、淤泥、淤泥質(zhì)土、雜填土和素填土等地基。但是現(xiàn)有的石灰樁技術(shù)并未在多年凍土地基處理中使用過，其配比和施工方法也不能適用于處理島狀多年凍土。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種處理島狀凍土地基石灰樁，不僅能夠預(yù)先融化多年凍土，對融化后的地基土進(jìn)行擠密加固，保證地基土滿足工程建設(shè)需要，而且能防止后期地基土出現(xiàn)凍脹。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述石灰樁的施工方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種處理島狀凍土地基石灰樁，包括石灰樁體，石灰樁體上固接有直徑與石灰樁體直徑相同的粗粒料樁體，石灰樁體的長度為凍土下限和凍土上限之間的距離；粗粒料樁體采用粉黏粒含量小于15%的非凍脹的粗顆粒填料制成。

本發(fā)明所采用的另一個技術(shù)方案是：一種上述處理島狀凍土地基石灰樁的施工方法，具體按以下步驟進(jìn)行：

步驟1：結(jié)合勘察資料和室內(nèi)試驗，確定工程場地的多年凍土上限、多年凍土下限、多年凍土類型、未凍水含量及凍土總含水量、砂黏土液塑限、砂黏土最大干密度、生石灰的活性度和水化反應(yīng)的單位放熱量；

步驟2：根據(jù)查明的參數(shù)確定石灰樁樁體所用材料的質(zhì)量配比：

建造石灰樁體的材料為砂黏土、水泥和塊狀生石灰，該三種原料的質(zhì)量比為：

生石灰﹕砂黏土﹕水泥=wq﹕（0.95-wq）﹕0.05

式中的wq表示生石灰的質(zhì)量百分比，wq按下式計算：

式中：r1為樁直徑，單位cm；r2為樁間距，單位cm；ρd為凍土干密度，單位g/cm³；wf為凍土總含水率，單位%；wu為凍土中未凍水的含量，單位%；ρdmax為砂黏土最大干密度，單位g/cm³；hw為冰融化為水的相變潛熱，單位j/g；qq為生石灰水化反應(yīng)的單位放熱量，單位j/g；

步驟3：鉆成九個鉆孔，該九個鉆孔呈多排設(shè)置，同一排中相鄰兩個鉆孔之間的距離相等，相鄰兩排中處于不同排的相鄰兩個鉆孔之間的距離相等，這樣，所有相鄰的兩個鉆孔之間的距離均相等；分別取施工時所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三種原料的質(zhì)量比符合步驟2確定的質(zhì)量比，拌和，形成第一拌合料；第一拌和料和水拌和均勻，得填料，取體積0.04～0.06m3的一堆填料，稱重，將所取的該堆填料填入鉆孔內(nèi)，測量該堆填料填入鉆孔內(nèi)的虛土厚度，根據(jù)最大凍土干密度、填入鉆孔內(nèi)的填料重量、樁徑和壓實系數(shù)計算出該堆填料填入鉆孔后應(yīng)達(dá)到的厚度，夯填，將該堆填料由虛土厚度夯實到應(yīng)達(dá)到的厚度，建成試驗樁，期間記錄夯錘高度和夯擊次數(shù)；從第一拌和料和水拌和均勻后開始到重錘夯實機開始夯填為止的這段時間不得超過5分鐘；以上試驗進(jìn)行3～5次，分層填料厚度、夯錘高度和夯擊次數(shù)分別取平均數(shù)作為下一步驟施工參數(shù)；

步驟4：在需處理的島狀多年凍土地基上鉆孔；

分別取施工時所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；各組份的質(zhì)量比符合步驟2確定的質(zhì)量配比，拌和，形成第二拌合料；將第二拌合料和水拌合均勻，并在5分鐘內(nèi)填入鉆孔中，夯填，形成石灰樁體；夯填過程中的分層填料厚度、夯錘高度、夯擊次數(shù)采用步驟3確定的施工工藝參數(shù)；石灰樁體的下端與凍土下限平齊，石灰樁體的上端與凍土上限相平齊；石灰樁體施工完成后，用粉黏粒含量小于15%的非凍脹粗粒料夯填位于石灰樁體上方的季節(jié)活動層內(nèi)的孔，在季節(jié)活動層內(nèi)形成粗粒料樁體，建成石灰樁。

本發(fā)明石灰樁具有如下有益效果：

1）能利用石灰樁的預(yù)融技術(shù)徹底融化島狀凍土，防止在工程建設(shè)之后由于凍土融化出現(xiàn)建筑變形問題。

2）利用石灰樁的擠密效果加固地基土，提高地基承載力。

3）采用的工程材料均為標(biāo)準(zhǔn)材料，成本低廉且易于購買。

4）施工工藝簡單易操作。

5）凍土上限以上深度采用粗粒料防止了后期地基土出現(xiàn)凍脹問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明石灰樁的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1所示石灰樁的施工工藝流程圖。

圖3是石灰樁施工及檢測的平面布置圖

圖中：1.粗粒料樁體，2.石灰樁體，3.石灰樁，4.地溫監(jiān)測點，5.變形監(jiān)測點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明石灰樁，包括石灰樁體2，石灰樁體2上固接有粗粒料樁體1；石灰樁體2的直徑和粗粒料樁體1的直徑相同，石灰樁體2的直徑為300～500mm，石灰樁體2的長度為凍土下限和凍土上限之間的距離。粗粒料樁體1長度為凍土上限至地表之間的距離，粗粒料樁體材料為非凍脹的粗顆粒填料（粉黏粒含量（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）小于15%），用于防止該段地基土產(chǎn)生凍脹。

與其它需要處理的地基土不同的是，石灰樁處理多年凍土地基既要考慮融化凍土上限以下的多年凍土并進(jìn)行加固，也要考慮防止凍土上限以上部分土體可能發(fā)生凍脹。因此，采用了下部石灰樁體2加上部粗粒料樁體1的組合方式。

下部采用石灰樁體2，利用生石灰遇水放熱的特點，能夠達(dá)到以下幾個作用：1）形成“放熱融化樁周多年凍土——吸收凍土融化后土中的水分——樁體生石灰與水繼續(xù)反應(yīng)放熱——放熱繼續(xù)融化樁周多年凍土”的循環(huán)，達(dá)到融化多年凍土的目的；2）樁體和水反應(yīng)放熱結(jié)束后，仍能吸收土體中的水分，通過排水固結(jié)加固地基土；3）樁體反應(yīng)過程中能夠體積膨脹，加固樁周地基土。

上部采用粗粒料樁體1具有以下作用：1）多年凍土上限以上地基土層是容易產(chǎn)生凍脹的地層，采用粗粒料樁體1能夠有效防止凍脹，以免對建筑物的安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響；2）粗粒料樁體1是一種有效的加固地基的方法，能提高地基土承載力。

本發(fā)明提供了一種上述石灰樁的施工方法，其流程如圖2所示，具體按以下步驟進(jìn)行：

步驟1：結(jié)合勘察資料和室內(nèi)試驗，確定工程場地的多年凍土上限、多年凍土下限、多年凍土類型、未凍水含量及凍土總含水量、砂黏土液塑限、砂黏土最大干密度、生石灰的活性度和水化反應(yīng)的單位放熱量；

步驟2：根據(jù)查明的參數(shù)確定石灰樁樁體所用材料的質(zhì)量配比：

建造石灰樁體2的材料為砂黏土、水泥和粒徑小于60mm的塊狀生石灰；該三種原料的質(zhì)量比為：

生石灰﹕砂黏土﹕水泥=wq﹕（0.95-wq）﹕0.05

式中的wq表示生石灰的質(zhì)量百分比，wq按下式計算：

式中：r1為樁直徑，單位cm；r2為樁間距，單位cm；ρd為凍土干密度，單位g/cm³；wf為凍土總含水率，單位%；wu為凍土中未凍水含量，單位%；ρdmax為砂黏土最大干密度，單位g/cm³；hw為冰融化為水的相變潛熱，單位j/g；qq為生石灰水化反應(yīng)的單位放熱量，單位j/g；。

步驟3：現(xiàn)場開展石灰樁試驗性施工，以確定設(shè)計參數(shù)和處理效果：

鉆成九個鉆孔，該九個鉆孔呈多排設(shè)置，同一排中相鄰兩個鉆孔之間的距離相等，相鄰兩排中處于不同排的相鄰兩個鉆孔之間的距離相等，這樣，所有相鄰的兩個鉆孔之間的距離均相等；分別取施工時所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三種原料的質(zhì)量比符合步驟2確定的質(zhì)量比，將所取的生石灰、砂黏土和水泥拌和，形成第一拌合料；然后將第一拌和料和需摻入的水拌和均勻，得填料，根據(jù)現(xiàn)場條件取體積0.04～0.06m3的一堆填料，稱重，記錄重量w后，將所取的該堆填料填入鉆孔內(nèi)，測量該堆填料填入鉆孔內(nèi)的虛土厚度h1（h1宜為0.3～0.4m），根據(jù)最大凍土干密度ρdmax、填入鉆孔內(nèi)的填料重量w、樁徑和壓實系數(shù)（取0.95）計算出該堆填料填入鉆孔后應(yīng)達(dá)到的厚度h2，用重錘夯實機進(jìn)行夯填，將該堆填料由厚度h1夯實到厚度h2，建成試驗樁，期間記錄夯錘高度和夯擊次數(shù)。而從第一拌和料和水拌和均勻后開始到重錘夯實機開始夯填為止的這段時間不得超過5分鐘。以上試驗進(jìn)行3～5次，各項施工參數(shù)（分層填料厚度、夯錘高度、夯擊次數(shù)）取平均數(shù)作為下一步驟施工參數(shù)，以保證石灰樁最大擠密效果。

拌和料和水拌合時，摻水量為砂黏土的塑限含水率。

嚴(yán)禁在樁體材料摻水拌和好后堆放而不立即填入孔內(nèi)夯填。

處理效果評價：試驗樁建造完成后，在部分相鄰三根石灰樁3之間設(shè)置地溫監(jiān)測點4（監(jiān)測點4為石灰樁放熱影響到的最遠(yuǎn)位置，其溫度變化能說明凍土是否完全融化），在沒有設(shè)置地溫監(jiān)測點4的相鄰三根石灰樁3之間設(shè)置變形監(jiān)測點5，進(jìn)行地溫檢測、樁體變形檢測和樁周土變形檢測，如圖3所示，確定達(dá)到凍土融化（測得溫度為正溫且大于0.5℃）、變形穩(wěn)定后，選取數(shù)量為石灰樁總數(shù)量1%的石灰樁進(jìn)行復(fù)合地基承載力試驗，確定其承載力。

相鄰石灰樁3之間的距離為石灰樁體2直徑的2.5～3.5倍。

步驟4：根據(jù)步驟3確定的設(shè)計參數(shù)和處理效果進(jìn)行石灰樁3的具體施工：

在需處理的島狀多年凍土地基上鉆孔（若島狀多年凍土分布面積大于需處理的地基土面積，處理范圍應(yīng)在需處理地基土范圍上向外擴展3～5m），相鄰兩孔之間的距離相等；

分別取施工時所需用量的生石灰、砂黏土和水泥；三種原料之間的質(zhì)量比符合步驟2確定的質(zhì)量比，將所取的生石灰、砂黏土和水泥拌和，形成第二拌合料；然后，將第二拌合料和水拌合均勻，并在5分鐘內(nèi)填入鉆孔中，用重錘夯實機進(jìn)行夯填，形成石灰樁體2；施工過程中的分層填料厚度、夯錘高度、夯擊次數(shù)采用步驟3確定的施工工藝參數(shù)，拌和料和水拌合時，摻水量為砂黏土的塑限含水率；石灰樁體2的下端與凍土下限平齊，石灰樁體2的上端與凍土上限相平齊；石灰樁體2施工完成后，用粉黏粒含量小于15%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的非凍脹粗粒料夯填位于石灰樁體2上方的季節(jié)活動層內(nèi)的孔，在季節(jié)活動層內(nèi)形成粗粒料樁體1，建成石灰樁3；

石灰樁3建成后，按步驟3的方法選取部分石灰樁3進(jìn)行地溫檢測、樁體變形檢測和樁周土變形檢測，并進(jìn)行復(fù)合地基承載力檢測，檢測數(shù)量不少于總樁數(shù)的2%。

在島狀多年凍土地基上建造圖1所示的石灰樁，對該凍土地基進(jìn)行處理，不僅能夠預(yù)先融化多年凍土，對融化后的地基土進(jìn)行擠密加固，保證地基土滿足工程建設(shè)需要，而且能防止后期地基土出現(xiàn)凍脹。

本設(shè)施完工后，由于控制了石灰樁成樁時的初始摻水量（砂黏土的塑限含水量），能保證石灰樁的最大夯實效果，也能減緩石灰樁遇水反應(yīng)速度，減少施工過程中生石灰遇水反應(yīng)放熱量的損失，盡量保證反應(yīng)放出的熱量用于融化凍土。同時，樁體內(nèi)生石灰與水反應(yīng)后放出熱量，能形成“反應(yīng)放熱-融化凍土-吸收融土水分-反應(yīng)放熱”的循環(huán)，確保石灰樁融化凍土的效果。

本設(shè)施加固處理島狀多年凍土地基主要是通過以下幾個方面實現(xiàn)的：

1）采用破壞原則處理多年凍土地基，利用的是生石灰遇水放熱反應(yīng)來融化多年凍土，提前消除多年凍土融化后產(chǎn)生的地基融沉變形。

2）石灰樁成樁置換了樁體范圍的原有多年凍土，由于石灰樁的樁體承載力高于融化后土體承載力，通過置換作用能提高地基的承載力。

3）生石灰吸水熟化成熟石灰ca(oh)2這一反應(yīng)過程中體積會發(fā)生膨脹，理論上體積增大約1倍。因此石灰樁能有效的對周圍的土體產(chǎn)生側(cè)向擠密，提高樁間土干密度，達(dá)到減小融化后土體沉降的目的。

4）石灰樁在熟化過程中會融化周圍凍土地基并吸收融化后土體中的水分，對地基土具有排水固結(jié)作用。