石灰桩是指用人工或机械在地基中成孔后，灌入生石灰块（或在生石灰块中掺入适量的水硬性掺合料，如粉煤灰、火山灰等），经振密或夯压后形成的桩柱体。石灰桩可应用于道路、码头、铁路、软弱地基等加固工程及托换工程和基坑支护工程等。
石灰桩加固机理
石灰桩的加固机理可从桩间土、桩身和复合地基三个方面进行分析。
石灰桩桩间土
1、成孔挤密作用
如果石灰桩施工是采用振动沉管法成孔，则会对桩间土产生挤密作用，其挤密效果与石灰桩的置换率、土质情况、上覆土压力及地下水状况等有关。但对灵敏度高的饱和软黏土，成桩过程会破坏土的结构，这样不仅不会挤密桩间土，还会降低土的强度。另外，对饱和软黏土，成桩后地面会隆起，更使挤密效果减弱。若用人工成孔或钻孔施工方法成孔，就不存在挤密作用。
2、吸水、升温和膨胀作用
由于水化反应过程要吸收较多的水，并产生升温汽化现象，使地基中含水量下降，孔隙比减小，桩间土抗剪强度得到提高，提高的幅度与置换率有关。若采用10%的置换率，当石灰吸收的水全部是土孔隙中的水时，则土的平均失水量约为8%～9%，若石灰桩间距为3倍的桩径，采用正三角形布置时，置换率为9%，实测土的失水率为5%。地基土降低5%～9%的含水量，只能使土的承载力提高15%～20%，因此，吸水升温而提高的承载力的一般幅值为15%～20%。生石灰水化时，对桩间土产生较大的挤压力，使桩间土密实度提高，这将有助于提高地基的强度。
3、胶凝及离子交换作用
黏土颗粒表面带负电，从而由吸附作用形成一个扩散双电层，扩散双电层的存在使土具有可塑性，扩散双电层越厚，土的抗剪强度越小，生石灰水化反应过程中产生的二价钙离子（Ca）与扩散双电层中的一价离子Na、K发生离子交换作用，交换的结果使扩散双电层变薄，黏土颗粒间的结合力增强形成团粒结构，从而使土的塑性减小，抗剪强度提高。黏土中的二氧化硅和氧化铝与水化过程中产生的Ca(OH)2发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，与黏土颗粒黏结在一起形成网状结构，增强了颗粒间的联结作用，改善了土的物理力学性能。由于上述作用，往往在生石灰桩周围形成一圈2～10cm厚的硬壳层。
石灰桩桩身
对于单一的以生石灰作为原料的石灰桩，生石灰水化后，石灰桩的直径可胀到原来所填的生石灰块屑体积的一倍。生石灰吸水膨胀后仍然存在着相当多的孔隙，当把胀发后显得相当硬的石灰团用手揉捏时，水分就会被挤出来，石灰块会变成稠糊状，这一现象说明不能过分依赖石灰桩桩体本身的强度。石灰桩的作用是使土挤实加固，而不是桩起承重作用。因此，对形成石灰桩的要求，是应能把四周软土中的水吸干，但要防止自身软化。防止桩心软化可参照以下条件：
①提高石灰含量或缩小桩距；
②用砂填充石灰桩的孔隙；
③石灰桩掺粉煤灰措施。
石灰桩复合地基
石灰桩复合地基承载力由三部分构成：
①桩身强度；
②桩间土；
③桩周形成的硬壳层。由于硬壳层的形成需要一个较长期的过程，在设计时一般不作考虑而作为安全贮备。根据国内外实测数据，石灰桩复合地基的桩土应力比一般为2.5～5.0。要提高复合地基的承载力可从两方面着手，即提高桩身强度与增加桩间土的加固效果。但应注意：
①桩间土的承载力应协调。既要保证桩身有较大的强度，又没必要过大增大桩身强度。
②桩身吸水量的增加有助于改善桩间土的物理力学性能，但吸水量过多又使桩身强度降低，为使两者兼备，有时必须采用较大的置换率。因此在提高复合地基承载力时要进行综合考虑，确定桩间土强度、桩身强度和造价之间的最优关系。
石灰桩设计计算
石灰桩设计的主要参数
1、材料。
石灰桩的材料以生石灰为主，生石灰选用现烧的（新鲜）并需过筛，粒径一般为50mm左右，含粉量不得超过总重量的20%，CaO含量不得低于70%，其中夹石不大于5%。
生石灰中掺入适量粉煤灰或火山灰等含硅材料时，粉煤灰或火山灰与生石灰的重量配合比一般为3:7。粉煤灰应采用干灰，含水量
<5%，使用时要与生石灰拌均匀。2、桩径。
从石灰桩加固地基的机理看，采用“细而密”的布桩方案较好。但还应顾及施工条件，设计要求和保证桩身质量。国内常用直径为150～400mm，较长的桩宜用较大的直径，200mm以下的桩径只适用于5m以下的短桩。
3、桩长。
桩的长度取决于石灰桩的加固目的和上部结构的条件。
① 若石灰桩加固只是为了形成一个压缩性较小的垫层，则桩长可较小，一般可取2～4m。洛阳铲成孔桩长不宜超过6m；机械成孔管外投料时，桩长不宜超过8m；螺旋钻成孔及管内投料时可适当加长。
② 若加固目的是为了减少沉降，则就需要较长的桩。如果为了解决深层滑动问题，也需要较长的桩，保证桩的下端超过滑动面。对于多层民用建筑，5～6m的桩长一般就可以满足要求。
4、桩距和布桩范围。
桩距一般为3倍桩径。桩距太大则约束力太小，而桩距太小又可能造成地面隆起和破坏土的结构。桩距的大小取决于所需的石灰桩的置换率。
石灰桩是柔性桩，一般认为柔性桩宜在基础范围以外设置围护桩。石灰桩平面布置可以是梅花形或正方形；一般距桩3～4倍桩径外的原状土就得不到加固，故对大面积加固通常需2～3排围护桩。
5、置换率。
石灰桩置换率有两个概念，一是由施工时桩管或桩孔面积确定的置换率m；二是由石灰桩吸水膨胀后的桩身截面积确定的置换率m′。m′=εm，其中膨胀率ε应根据试验开挖检查确定，也可查相关规范表格。
承载力和变形计算
1、石灰桩复合地基的承载力、压缩模量、沉降均可用复合地基计算公式估算。
2、用复合地基载荷试验确定，试验可参照《建筑地基处理技术规范》的规定进行。当在p～s曲线上按相对沉降量法确定承载力基本值时，宜以s/b=0.01～0.015为标准。载荷试验应在成桩后一个月进行。
设计
1、按p≤f和pmax≤1.2f确定基础底面尺寸。
f是复合地基承载力设计值，由承载力标准值fspk或容许承载力fsp经深、宽修正得到。宽度修正系数ηb取零，深度修正系数ηd取1.0。
2、验算持力层承载力。
中心受压p≤f
偏心受压pmax≤1.2f
3、验算软弱下卧层的承载力。
当石灰桩复合地基下面存在未处理的软弱土层时，应验算软弱下卧层的承载力。验算可采用右图所示的扩散角法，扩散角θ可由复合地基模量与下卧软土模量之比查规范表格，也可近似取22°。4、沉降验算。
建筑物的地基变形计算值不应大于《建筑地基基础设计规范》中规定的地基变形允许值。
石灰桩施工技术
1、材料
石灰桩的材料以生石灰为主。MgO含量小于或等于5%的生石灰称为钙质生石灰，大于5%则称镁质生石灰。钙质生石灰水化反应能力大，反应速度快。石灰桩要求选用新鲜的生石灰块，过烧的和欠烧的生石灰都不应使用。要求有效CaO含量不低于70%，粒径不应大于70mm，含粉量不得超过总质量的15%，其中夹石不大于5%。掺合料应保持适当的含水量。使用粉煤灰或炉渣时，含水量宜保持在30%左右。
2、施工顺序
石灰桩在加固范围内施工时，先外排后内排；先周边后中间；单排桩应先施工两端后施工中间，并按每间隔1～2孔的施工顺序进行，不允许由一边向另一边平行推移。
若对既有建筑物地基进行加固，其施工顺序应由外及里地进行；若邻近建筑物或紧贴水源边，可以先施工部分“隔断桩”将邻近建筑与水源与施工区隔开；对很软的粘性土地基，应先按较大间距打石灰桩，过四个星期后再按设计间距补桩。
3、灌料量控制
确定灌料量时，首先根据设计桩径计算每延米桩料体积，然后将计算值乘以1.4的充盈系数作为每延米的灌料量。由于掺合料含水量变化较大，在现场宜采用体积控制。
4、桩管直径的选择
原则上应根据设计桩径确定，一般设计桩径为桩管直径的/1.3～1.5倍。当桩管直径较大时，由于反插后拔管力较大，要注意是否会造成拔管困难。
5、成桩
（1）成孔：石灰桩成孔可选用沉管法、冲击法、螺旋钻进法、洛阳铲法等。
①沉管法是最常用的成孔方法。使用柴油或振动打桩机将带有特制桩尖的钢管桩打入土层中，达到设计深度后，缓慢拔出桩管即成桩孔。沉管法成孔的孔壁光滑规整，挤密效果和施工技术都比较容易控制和掌握，成孔最大深度由于受桩架高度所限制，一般不超过8m。
②冲击法成孔是使用冲击钻机将0.6～3.2t锥形钻头提升0.5～2.0m高度后自由落下，反复冲击，在土层中成孔。冲击法成孔的孔径大，孔深不受机架高度的限制，同一套设备既可成孔，又可填夯。
③螺旋钻进法成孔的优点是：不使用冲洗液，符合石灰桩施工要求；钻进时不断向孔壁
挤压，可使孔壁保持稳定；可一次成孔，不需要升降工序；可进行深孔钻进，桩孔深度不受设
备限制；钻进效率高，每小时效率可高达几十米。
（2）投料：石灰桩的投料方法有：管外投料法、管内投料法和挖孔投料法。
①管外投料法：石灰桩体中含有大量掺合料，掺合料不可避免有一定含水量。当掺合料与石灰拌和后，生石灰和掺合料中的水分迅速发生反应，生石灰体积膨胀，极易发生堵管现象。管外投料法可以避免堵管，但也存在一定缺点：
① 在软土中成孔，当拔管时容易发生塌孔或缩孔现象；在软土中成孔深度不宜超过6m； 桩径和桩长的保证率相对较低。管外投料法的工艺流程为：桩机定位-沉管-提管-填料-压实-再提管-再填料- 再压实-成桩。
② 管内投料法：管内投料施工法适用于地下水位较高的软土地区。管内投料法施工工艺与振动沉管灌注桩的工艺类似。
③ 挖孔投料法：利用特制的洛阳铲人工挖孔、投料夯实。由于洛阳铲在切土、取土过程中对周围土体的扰动很小，在软土中成孔均可保持孔壁稳定。该法避免了振动和噪声，能在极狭窄的场地和室内作业，造价较低、工期短、质量可靠，适用的范围广泛。挖孔投料法主要受到深度的限制，一般情况下桩长不宜超过6m。石灰桩施工时应采取防止冲孔伤人的有效措施，确保施工人员的安全。
（3）封顶：可以在桩身上段夯入膨胀力小、密度大的灰土或粘土将桩顶捣实，亦称桩:顶土塞。也可用C7.5素混凝土封顶捣实。封顶长度一般在1.0m左右，对于直径500mm的石灰桩，封顶长度取1.5m。封顶这套工序是石灰桩施工中不可缺少的，但各地的具体做法不尽相同。天津市规范规定：石灰桩加固土层顶面至少作两步灰土垫层封顶（每步夯实后长度为150mm），设计时地基的标高应以灰土上皮为准。
石灰桩施工质量
桩身质量的保证与检验
（1）控制灌灰量，一定要按单米计量，不能按整桩计量而取平均值；控制充盈系数同样可达到保证质量的要求。
（2）静探测定桩身阻力，并建立作用在桩身上的应力ps与桩身变形模量Es关系。存在的问题是当桩身强度较高桩身内局部有硬块时，探头易倾斜，有时可斜到桩周土中，使桩质量无法检测。
（3）挖桩检验与桩身取样试验，这是最为直观的检验方法。可直接测定桩径、桩的外形、桩身材料分布情况，桩身密实度等。通过桩身取样还可直接测定桩身强度，但此法费时费钱，且工程桩一般不允许挖出。
（4）载荷试验，是比较可靠的检验桩身质量的方法，如再配合桩间土小面积载荷试验，就可推算复合地基的承载力和变形模量。
此外，也可采用轻便触探法。
桩周土检验
桩周土用静力触探、十字板剪切和钻孔取样方法进行检验，一般可获得较满意的结果。有的地区已建立了利用静力触探和标准贯入的资料反映加固效果，以检验施工质量和确定设计参数的关系。
对桩周土也可进行室内试验，包括抗剪强度指标（c、φ）测定、含水量的测定，通过加固前后这些指标的变化确定加固后桩周土的承载力。必须注意，测点或钻孔与桩的距离不同，所反映的效果也不同，有的文献报道数值偏高或偏低，可能与此有关。
复合地基检验
用大面积载荷板进行载荷试验是检验复合地基的可靠方法，但因设备、费用都存在一定的难度，因此在重要工程中采用。
