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1、湿陷性黄土地区倾斜建筑物的膨胀法纠偏加固理论分析与实践第24卷第l5期2005年8月岩石力学与工程ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,01.24NO.15Aug.,2005湿陷性黄土地区倾斜建筑物的膨胀法纠偏加固理论分析与实践朱彦鹏,王秀丽,周勇(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050)麓要:湿陷性黄土地区往往由于地基处理不当,造成建筑物地基的不均匀沉降和上部结构的偏移,给建筑物的安全使用带来了很大的安全隐患,通过研究和多项工程实践,在理论分析及工程实践经验的基础上,提出了一种膨胀法纠正湿陷性黄土地区建筑物倾斜的技术,并用孔隙挤密原理
2、推导出了膨胀材料使用量的计算公式,将经验的膨胀材料项升技术上升到了理论高度,通过多项工程的实践,并运用控制监测技术使膨胀法纠偏和加固地基技术在多项工程中得到了成功的应用,实现了建筑物的纠偏与加固.关键词.土力学:湿陷性黄土:建筑物:不均匀沉降:纠偏;加固:技术中圈分类号lTu43文l-I标识码lA文章号l10006915(2005)15278609THEoRETICALANAIYSiSANDPRACTICEoFRECTIFYINGREINFoRCEMENTUSINGEXPANSEMETHoDFoRINCLINEBUILDINGoNCoLLAPSILELoESSZHUYanpeng,WANGXi
3、uli,ZHOUYong(CollegeofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)Abstract:Inclinebuildingscanbealwaysfoundincollapsibleloessregionsbecauseoftheimpropergroundtreatment.Differentialsettlementofthefoundationandinclinationoftheupper-structurebringthebuildinggreatlypotentialdanger
4、.Throughresearchandpracticeofmanyprojects,anexpansiverectifyingmethodthatthequicklimepilesmaybeusedfortherectifyingandreinforcementoffoundationisproposedonthebasisoftheoreticalanalysisandpracticalexperience,andthecomputationalformulaforapplicationamountofexpandingmaterialisdeducedbyusingporeextrudin
5、gprinciple.ThismethodistodrivemixturequicklimepilesintothesoilunderthefoundationbyapplyingcontrolmonitoringtechnologyandtheexpansiveslakinglimeCanextrudetheloessunderthefoundation,liftuptheoriginalfoundationandincreasethecompactnessoffoundationsoil,thenthepurposeofrectifyingandreinforcementoffoundat
6、ionisrealized.Thismethodwasusedinmanyprojectsandsatisfactoryresultswereobtained.Keywords:soilmechanics;collapsibleloess;building;differentialsettlement;rectifyingdeviation;reinforcement;technology收一日期I20040420:修回日期l20040518誓盒疆目I甘肃省科技攻关项t(ZSOllA50013一G)作者介.朱彦鹏(1960一),男,1982年于重庆建筑工程学院结构工程专业获硕士学位,现任教授,
7、博士生导师,主要从事结构工程和工程事故分析与处理方面的研究工作.E.mail:.第24卷第15期朱彦鹏等.湿陷性黄土地区倾斜建筑物的膨胀法纠偏加固理论分析与实践?2787?1引言西北黄土高原及相邻地区大都分土质为湿陷性黄土,在20世纪6090年代,这些地区大量修建的多层建筑物和构造物基本上都采用了天然地基或简单地基处理的浅基础.随着时间的推移,这些建筑物和构造物中有些由于地下管线漏水或雨水长期浸泡而造成地基不均匀沉降,使建筑物和构造物出现倾斜,由于这些建筑物上部结构基本完好,远没有到达设计基准期,但由于基础不均匀沉降导致建筑物出现安全隐患,为了保证这些建筑物和构造物的安全和正常使用,应使其倾斜
8、得到纠正并使原基础得到加固.对一般倾斜建筑物的纠偏可以采用常用的静压桩法,刚性加固顶升法等,这些方法由于造价较高,施工要求难度大,并要采用多种技术配合使用的方法才能成功,对结构材料比较离散(像砌体结构)的建筑物和构筑物.采用这种方法风险较大,一不小心可能将整个建筑物破坏,使其不能使用,失去纠偏的目的fl5】.湿陷性黄土地区建筑纠偏也可利用湿陷性黄土遇水湿陷(自重湿陷性黄土)的特点,采用挖孑L取土释放未沉降部分地基的应力,并利用注水沉降法实现建筑物的纠偏,但是这种纠偏方法所需时间长,给使用者带来不便,纠偏时需要信息技术全面监控不能出现半点差错和马虎,另外这种方法所冒风险较大,若纠偏失控可能带来无
9、法控制的后果,甚至导致纠偏失败J.对地处湿陷性黄土地区的建筑物和构筑物的纠偏方法和地基加固技术进行了研究,提出了利用混合膨胀材料纠偏建筑物和加固地基的方法,并根据膨胀材料的膨胀量,应用孑L隙挤密原理推导出了膨胀材料使用量的计算公式,通过多项工程的实践,并运用控制监测技术,使膨胀法纠偏和加固地基技术在多项工程中得到了成功的应用,实现了建筑物的纠偏与加固.2膨胀法纠偏和地基土加固基本原理地处湿陷性黄土地区的建筑物或构筑物,当在受水不均匀浸泡时,产生不均匀沉降.沉降产生后将影响建筑物的正常使用.膨胀法纠偏的基本思路是采用石灰桩人工或机械在土体中成孑L,然后灌入生石灰块,经夯实后形成的一根桩体.桩身还
10、可掺入其他活性与非活性材料.其加固和纠偏机理包括打桩挤密,吸水消化,消化膨胀,升温作用,离子交换,胶凝作用,碳化作用.可将其概括为J:(1)桩挤密作用石灰桩的成孑L工艺有不排土工艺和排土成孑L工艺.在非饱和粘性土和其他渗透性较大的地基中采用不排土成孑L工艺施工时,由于在成孑L的过程中,桩管将桩孑L处的土体挤进桩周土层,使桩周土层空隙减小,密实度增大,承载力提高,压缩性降低.土的挤密效果与土的性质,上覆压力和地下水位状况等密切相关,一般地,地基土的渗透系数越大,挤密的效果就越明显,地下水位以上的土体的挤密效果比地下水位以下的明显.但在饱和粘土中,采用不排土成孑L工艺施工不会对土体产生挤密效果.(
11、2)桩间土的脱水挤密作用吸水作用生石灰填入桩孑L后,吸收桩周土的水分发生消化反应,生成熟石灰,同时桩身体积膨胀并释放出大量的热量,反应方程式为CaO+H2OCa(OH)2+15.6caYmol对于渗透系数小于桩体材料渗透系数的土体,由于桩周边土中被石灰吸收的水分得不到迅速补充,再加上消化反应释放的热量的蒸发作用,在桩周约0.3倍桩径的范围内出现脱水现象.脱水区内,土体的含水量下降,孔隙比减小,土颗粒密实度增大.生石灰的吸水量随着桩周土围压的增大而降低,随粉煤灰或火山灰等活性掺料的增多而减小.实际工程中,石灰桩的桩长大都不长(一般在8m左右),土体对桩体的围压大致在50100kPa.在50kPa
12、的压力下,1kg生石灰可吸水0.80.9kg,其中约0.25kg为生石灰熟化吸水,其余熟石灰熟化后继续吸水.若采用10%的置换率进行加固,桩间土的平均失水量为8%9%;在桩体置换率为9%,桩间距为3d的软基上实测的失水量约5%.5%9%含水量的降低值,可使土的承载力得到15%20%的增长.胀发挤密作用生石灰吸水消化后,桩体体积发生膨胀.生石灰体积膨胀的主要原因是固体崩解,孑L隙体积增大,颗粒比表面积增大,表面附着物增多,固相颗粒体积也得到增大.体积的膨胀量与生石灰磨细度,水灰比,熟化温度,活性钙含量和外部约束等有关.生石灰越细,膨胀量越小;熟化温度越高,膨胀量越大;粉煤灰或火山灰等活性掺料量越
13、大,膨胀量?2788?岩石力学与工程2005年越小:外部约束越大,膨胀量越小.大量室内实验表明,在50100kPa的围压下,石灰消化后桩体体积的胀发量为1.21.5,相当于桩径胀发量1.11.2倍.在渗透系数大于桩体材料渗透系数的土层中,土层因石灰桩涨发挤压所产生的超孔隙水压力能迅速消散,桩周边土得以迅速固结.在渗透系数小于桩体材料渗透系数的土层中,由于石灰桩的吸水蒸发,在桩周边形成脱水区,脱水区内含水量下降,饱和度减小.随着桩体的吸水胀发,桩周边土层得以挤密压实.升温加热作用伴随着生石灰的消化反应,反应释放出大量的热量,使桩周土的温度升高2006o0,桩周土中水分产生一定程度的汽化.由于水化
14、反应释放出了大量的热能,从而大大促进了土层中胶凝反应的进行.(3)桩体的置换作用离子交换作用生石灰消化后,消石灰进一步吸水,并在一定的条件下电解成Ca2和OH一.Ca与粘土颗粒表面的阴离子交换并吸附在土颗粒表面,由14gm的粒径形成10gm甚至30gm的大团粒,使土中粘粒的颗粒含量大大减小,土的力学性质有所改善.胶凝反应的作用随着溶液中电离出的钙离子ca数量的增多,并且超过上述离子交换所需要的数量后,在碱性的环境中,钙离子Ca2能与石灰桩围边土中的二氧化硅(SiO2)和胶质的氧化铝(A12O3)发生反应,生成复杂的硅酸钙水化物(CaO?SiO2?nH2o)和铝氧钙水化物(CaO?A12O3?n
15、H20)以及钙铝黄长石水化物(CaO.A12O,.SiO2?6H2o).这种水化物形成一种管状的纤维胶凝物质,牢牢地把周围土颗粒胶结在一起,形成网状结构,使土颗粒连接得更加牢固,土的强度大大提高.纯石灰桩周边的胶凝反应需经历很长的时间,才能形成210cm厚的胶凝硬壳.在掺以粉煤灰,火山灰,钢渣,粘土等活性掺料的生石灰桩中,掺料中所含的可溶性SiO2和Al2o3等离子首先与吸附在其表面的Ca(OH)2进行水化反应,生成水化硅酸钙(CaO?SiO2?nH2o),水化铝酸钙(CaO?A12O3?nH2o)及水化铁酸钙(CaO?Fe2O3?nH2o)等硬性胶凝物.在粉煤灰玻璃体表面及其界面处形成纤维状,针状,蜂窝状及片状结晶体,互相填充于未完全水化的粉煤灰孔隙问,胶结成密实而坚硬的水化物.使未完全水化的粉煤灰颗粒间由摩擦和咬合而变成主要靠胶结,从而使颗粒间的强度大幅提高.由于掺活性掺料的石灰桩的胶
