土桩和灰土桩的作用原理

概 述

土桩或灰土桩挤密法是处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基加固方法，是由桩间挤密土和填夯的桩共同组成的复合地基。土桩挤密地基由桩间挤密土和分层填夯的素土桩组成，土桩面积约占地基面积的10%~20%。由于桩孔内填人的土料与桩间土相同，土料夯实和桩间土质量一致时，两者的物质力学指标相近。因此，土桩挤密地基可视为厚度较大的素土垫层。土桩挤密法是前苏联阿别列夫教授于 1934 年首创，是苏联和东欧一些国家深层处理湿陷性黄土地基的主要方法。我国自 20世纪50年代中期在西北黄土地区开始试验和应用。陕西省西安市为解决城市杂填土地基的深层处理问题，于20 世纪 60 年代中期在土桩挤密法基础上试验成功灰土桩挤密法。灰土桩是用石灰和土按2∶8或3∶7 的体积比例拌和，并在桩孔内夯实加密后形成的桩。这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，使灰土逐渐增加强度。在力学性能上，它可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降量减小。在灰土桩挤密地基中，由于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形量，总荷载的一半由灰土桩承担，从而降低了基础底面下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。此外，由于灰土桩对桩间土能起侧向约束作用，限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压整，使压力与沉降始终呈线性关系。当地基土的含水量大于23%及其饱和度大于0.65 时，由于成孔质量不好，拔管后容易缩颈，以及打管时容易对邻近已回填的桩体造成破坏，不宜采用土或灰土桩挤密法。当以消除地基的湿陷性为主要目的时，宜选用土桩;当以提高地基的承载力或水稳性为主要目的时，宜选用灰土桩。处理深度宜为5～15 m。国外在 20世纪 30年代就开始采用土桩或灰土桩处理湿陷性黄土地基。我国20世纪 50年代中期在西北黄土地区开始试验，20世纪 70年代初在黄土地区得到广泛应用。

作用原理

1.土的侧向挤密

土（或灰土、二灰）桩挤压成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高，单个桩孔外侧土挤密效果试验表明，孔壁附近土的干密度pd接近或超过其最大干密度，即压实系数λc>1。径向外延干密度逐渐减小到土的天然密度 po，其挤密影响半径通常为1.5～2.0d（d为桩孔直径）。相邻桩孔间挤密效果试验表明，在相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加，桩间土中心部位的密实度增大，且桩间土的密度变得均匀，桩距愈近.叠加效果愈显著。设计桩孔间距时，应以保证桩间土的平均压实系数或平均干密度达到规定的指标，满足消除湿陷性或其它力学指标要求。合理的相邻桩孔中心距约为2~3倍桩孔直径，土的天然含水量和干密度对挤密效果较大，当含水量接近最优含水量时，土呈塑性状态，挤密效果最佳。当含水量偏低，土呈坚硬状态时。有效挤密区变小。当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，土体难以挤密，且孔壁附近土的强度因受扰动而降低，拔管时容易出现缩颈等情况。土的天然干密度愈大，则有效挤密范围愈大;反之则有效挤密区较小，挤密效果较差。

2.土桩挤密

当桩孔内填入的土料与桩间土相同、土料夯实和桩间土挤密质量一致时，土桩和桩间土的力学性质指标也相近，这已为土桩挤密地基实测结果所证实。土桩挤密地基接触压力测试证明.在刚性基础下同一部位处，土桩上的接触应力σ_与桩间土上的接触应力g.相差不大（应力分担比σp/a：≈1），基底接触压力的分布相似于土垫层情况（图4-15）。因此，可以把土桩挤密地基看作是厚度较大的豪土垫层。在国内外有关规程中，关于土桩挤密地基的设计（容许承载力确定，处理范围验算等）都规定遵照垫层的设计原理。

3.灰土桩挤密

灰土桩是用石灰和土按一定体积比例（2∶8或3∶7）拌和，并在桩孔内穷实加密后形成的桩，这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝骤。并陶灰土龄期增长.土体固化作用提高。使灰十逐渐增加强度。在力学性能上，它可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除湿陷性。沉降均匀和沉降量减小。灰土的变形模量E可用下式计算∶

在灰土桩挤密地基中.由于灰土桩的变形模量大于桩间土的变形量（灰土的变形模量为E。=40~200 MPa，相当于夯实素土的1～10倍），载荷试验测试结果表明;只点压板面积约20%的灰土桩承担了总荷载的一半左右，而占压板面积80% 的桩间土仅承担其余一半。由于总荷载的一半由灰土桩承担，从而降低了基础底面下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。此外，由于灰土桩对桩间土能起侧向约束作用，限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密，使压力与沉降始终呈线性关系。