孟加拉某大型污水處理廠進場道路深層干噴水泥攪拌樁配合比試驗研究

吳 政，鞠其鳳，劉巧林，李 科

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

孟加拉達舍爾甘地污水處理廠位于孟加拉國首都達卡市郊區(qū)，地處恒河左岸沖積平原上，地勢平坦、開闊，海拔較低，平均海拔約2～8 m。區(qū)域地形以低洼泛濫平原為特征，覆蓋層深厚，厚度達2 km以上，污水日處理規(guī)模為50萬m3。項目包含污水提升泵站、污水輸送干管、污水處理廠及污泥焚燒系統(tǒng)。

從提升泵站到廠區(qū)設(shè)計有4.8 km長污水輸送管線，該管線穿越459 m在水澤之上修建的進場道路。進場道路下部土質(zhì)為中、高液限黏土和砂性土。在進場道路下部設(shè)計有2個直徑為2.2 m的GRP污水輸送管道。為避免日后下埋管道沉降過大，設(shè)計采用水泥攪拌樁干噴法施工對軟基進行深層處理。設(shè)計樁徑為0.5 m，樁長為7 m，樁間距為1 m，最大單樁承載力設(shè)計為98 kN，組合地基承載力設(shè)計為120 kPa，水泥土90 d齡期的抗壓強度設(shè)計為2 MPa，總樁數(shù)為2 594根。在正常荷載作用下污水輸水主干管的允許沉降為20 mm。本文對進場道路兩種不同的地基土開展了水泥攪拌樁配合比試驗研究，并對廠區(qū)遇到的高液限軟弱土和吹填砂土也開展了相關(guān)的試驗研究，對所施工的攪拌樁開展了樁基承載力試驗和復(fù)合地基承載力試驗。

1 當(dāng)?shù)剀浫醯鼗恋奈锢砹W(xué)特性

進場道路主要由C1-2和C2-1這兩層土組成。因污水處理廠的廠區(qū)是由130萬m3吹填砂(SF)吹填而成，廠區(qū)最軟弱的土層為高液限黏性土(C1-1)，故對這兩種土也開展了現(xiàn)場水泥土的試驗研究。進場道路和污水處理廠廠區(qū)地基土以及吹填砂的物理力學(xué)特性見表1。

2 水泥土的配合比設(shè)計

2.1 試驗規(guī)程

水泥攪拌樁配合比試驗按《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T233-2011)執(zhí)行。

表1 進場道路和廠區(qū)地基土物理力學(xué)特性

2.2 試驗材料

水泥采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的符合ASTM標準的I型水泥，水泥標號為42.5；拌合水為地下水；地基土取自廠區(qū)樁基施工預(yù)鉆孔取出的地基土。

2.3 設(shè)計水灰比

所有的樣品均采用0.60的水灰比進行試驗。

2.4 水泥摻量

因規(guī)范規(guī)定水泥摻量不小于12%，故試驗采用了10%和15%兩種水泥摻量進行試驗。

2.5 試驗土樣制備

試驗土樣是從廠區(qū)樁基施工預(yù)鉆孔取出的土樣，將其烘干，一次性加入形成固定水灰比所需的水和達到天然含水率水量時土樣所需的水；機械拌合后，采用水泥試件的試驗?zāi)：? cm立方體試模以及Φ10 cm×15 cm的圓柱體試模成型，制備成型7 d、28 d和90 d的試件。

2.6 試驗設(shè)備

采用DKZ-5000型電動抗折試驗機對水泥土試件進行抗折試驗、采用YAW-300C全自動壓力試驗機對4 cm的試件進行抗壓強度試驗；采用液壓式壓力機YE-2000C對7 cm以上的立方體試件進行抗壓強度試驗。試驗設(shè)備使用前均進行了率定。

2.7 室內(nèi)配合比試驗結(jié)果

室內(nèi)水泥土配合比試驗結(jié)果匯總見表2。

表2水泥攪拌樁配合比試驗結(jié)果匯總

注：(1)水泥攪拌樁標準抗壓強度試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；(2)根據(jù)國標GJ79 (3.0.3)， 90 d齡期與28 d齡期抗壓強度試驗關(guān)系為R90 d= (1.43-1.80)R28 d；(3)按設(shè)計28 d抗壓強度必須達到2.0/1.43=1.40 MPa。

3 試驗成果分析

從表2中可以看出，在水泥摻量相同的情況下，2-1(細沙、中密)水泥土標準試件(7 cm立方體)的抗壓強度高于1-2(中高液限土)的抗壓強度，而1-2(中高液限土)的抗壓強度高于1-1(高液限土)的抗壓強度；圓柱體試件也有類似的結(jié)論。

各齡期吹填砂土的強度最低，這是因為吹填砂土無黏性，試件不易成型，或即使成型后也會由于微小的振動導(dǎo)致?lián)p壞。

3.1 水泥土抗壓強度與齡期的關(guān)系

不同試件水泥土抗壓強度與齡期的關(guān)系見表3。結(jié)果表明，28 d齡期水泥土的抗壓強度是7 d齡期抗壓強度的1.47～1.83倍；90 d齡期抗壓強度是7 d齡期抗壓強度的2.15～2.24倍；而90 d齡期抗壓強度是28 d齡期抗壓強度的1.22～1.46倍。

以上結(jié)果與粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范(TB10113-96)和建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79-2012)中的關(guān)系基本相符。

抗彎強度增長率較小，28 d齡期的抗彎強度是7 d的1.0～1.13倍，90 d齡期的抗彎強度是28 d的1.12倍左右。由表3顯示，水泥土的抗壓強度隨齡期的增幅大于抗彎強度的增幅。

3.2 彈性模量與不同試件尺寸抗壓強度的比值關(guān)系

彈性模量和不同試件尺寸抗壓強度的比值關(guān)系見表4。表4顯示：水泥土28 d齡期彈性模量與抗壓強度的比值與采用的試件有關(guān)，與地基土的特性有關(guān)，與水泥摻量有關(guān)，水泥摻量大比值小，反之比值大。當(dāng)水泥摻量在10%～15%時，28 d齡期水泥土彈性模量與7 cm立方體試件抗壓強度的比值在35～76之間，平均值為58.6；與4 cm立方體試件抗壓強度的比值在25～56之間，平均值為41.4；與Φ10 cm×15 cm圓柱體試件抗壓強度的比值在54～90之間，平均值為70.9。

3.3 不同試件之間抗壓強度尺寸效應(yīng)

不同試件尺寸抗壓強度之間的關(guān)系見表5。

試驗結(jié)果表明：4 cm立方體試件的抗壓強度高于7 cm立方體試件的抗壓強度，其比值在1.3～1.4之間；而Φ10 cm×15 cm 圓柱體試件的抗壓強度小于7 cm立方體試件的抗壓強度，其平均比值在0.80左右。

表3強度與齡期的關(guān)系

表4 彈性模量與不同試件尺寸抗壓強度的比值

表5 不同試件尺寸抗壓強度之間的關(guān)系

3.4 水泥土彈性模量與原狀土壓縮模量的比值

水泥土彈性模量與其原狀土壓縮模量的比值k列入表6。表6顯示原狀土的壓縮模量越低，其k值越大；水泥摻量越高，其k值也越大。也就是說，原狀土的力學(xué)性能越小，水泥土的改善效果越明顯。

表6水泥土彈性模量與原狀土壓縮模量的比值

3.5 水泥土抗彎與抗壓強度的比值

水泥土抗彎和抗壓強度的比值列入表7。

從表7中看出，早齡期抗彎和抗壓強度比值大于晚齡期的比值；黏性土的抗彎和抗壓的比值大于砂性土，但小于吹填砂相應(yīng)的比值。

各類土7 d和28 d齡期抗彎和抗壓強度的比值分別為0.38和0.26。

4 樁基承載力試驗

根據(jù)配合設(shè)計成果，進場道路采用了12%的水泥摻量進行施工，對樁基參照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)進行了樁基承載力試驗和復(fù)合地基試驗，試驗結(jié)果見表8和圖1。

表7水泥土抗彎與抗壓強度的比值

表8 水泥攪拌樁干噴法施工單樁承載力和復(fù)合地基承載力試驗結(jié)果

樁基承載力試驗結(jié)果表明：28 d齡期單樁承載力在2倍設(shè)計荷載作用下，其最大沉降小于22 mm，而組合地基在2倍工作荷載作用下的沉降小于15 mm，施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

圖1表明，沉降值在12 mm時，復(fù)合地基對應(yīng)的試驗荷載為240 kN，而單樁承載力對應(yīng)的試驗荷載為110 kN，兩者的比值為2.18。復(fù)合地基承載力施加的荷載大于單樁承載力施加的荷載，前者的沉降小于后者，也就是說復(fù)合地基擁有更大的承載能力，考慮復(fù)合地基的設(shè)計會有更好的經(jīng)濟效益。

5 問題討論

根據(jù)現(xiàn)場水泥土的試驗研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗對黏性土的效果比較理想，而對吹填砂這種非黏性土的效果并不理想。這是因為非黏性土室內(nèi)成型困難，無法開展正常的試驗。按常規(guī)，非黏性土的力學(xué)性能和抗變形能力要優(yōu)于黏性土。若需對大面積吹填砂之類的地基進行水泥攪拌樁處理的話，需做現(xiàn)場足尺試驗，即直接按不同的摻配比例試樁并測定其承載能力和抗變形能力。

圖1 單樁承載力和復(fù)合地基承載力試驗結(jié)果

以往的水泥攪拌樁配合比試驗是采用不同的水灰比開展試配工作。由于地下土體受季節(jié)的不同地下水位發(fā)生變化，即受含水量的變化，地基土的物理力學(xué)特性不一定保持恒定，也就是說室內(nèi)的試驗結(jié)果并不一定與室外完全吻合。因而，開展現(xiàn)場樁基的承載力的試驗是最終和最有效的驗證手段。

若試件不進行養(yǎng)護，水泥的水化作用將會終止，其試件90 d齡期的抗壓強度無增長。

目前，檢驗水泥攪拌樁設(shè)計是否合理尚無統(tǒng)一的標準，建議對比分析單樁和復(fù)合地基承載力試驗的沉降值。如兩者接近說明設(shè)計較優(yōu)，若兩者差異較大，說明設(shè)計仍有調(diào)整的空間。

水泥攪拌樁采用90 d齡期設(shè)計，為加快施工速度，同時保證工程質(zhì)量，對早齡期和設(shè)計齡期樁基承載力之間的關(guān)系值得深入研究。

6 結(jié) 論

根據(jù)孟加拉污水處理廠遇到的特殊類型的軟土所開展的配合比試驗研究，可得到如下結(jié)論：

(1)28 d齡期水泥土的抗壓強度是7 d齡期抗壓強度的1.47～1.83倍，90 d齡期抗壓強度是7 d齡期抗壓強度的2.15～2.24倍，而90 d齡期抗壓強度是28 d齡期抗壓強度的1.22～1.46倍；

(2)7 cm立方體試件和4 cm立方體試件存在明顯的尺寸效應(yīng)，前者的抗壓強度與后者抗壓強度比值為0.71～0.78；

(3)Φ10 cm×15 cm試件的抗壓強度與7 cm立方體試件抗壓強度的比值為0.80；

(4)當(dāng)水泥摻量在10%～15%時，28 d齡期水泥土彈性模量與7 cm立方體試件抗壓強度的比值在35～76之間，平均值為58.6；

(5)各類土7 d和28 d齡期抗彎和抗壓強度的比值分別為0.38和0.26；

(6)原狀土的力學(xué)性能越小，其水泥土的彈模特性改善效果越明顯；

(7)吹填砂室內(nèi)試驗得到的水泥土的力學(xué)特性不及黏性土的力學(xué)特性，若要研究吹填砂這類非黏性土水泥攪拌樁的特性，需做現(xiàn)場足尺試驗，直接測定其樁基承載力；

(8)室內(nèi)試驗與現(xiàn)場施工所用的工藝不同，對實際施工工藝效果需開展樁基承載力或復(fù)合地基承載力試驗驗證；

(9)復(fù)合地基承載力施加的荷載大于單樁承載力施加的荷載，前者的沉降小于后者，也就是說復(fù)合地基擁有更大的承載能力和較小的沉降，考慮復(fù)合地基的設(shè)計比只考慮單樁承載力的樁基設(shè)計具有更好的經(jīng)濟效益；

(10)水泥攪拌樁采用90 d齡期設(shè)計，為加快施工速度，同時確保工程質(zhì)量，對早齡期和設(shè)計齡期樁基承載力之間的關(guān)系得深入研究。