孟加拉某大型污水处理厂进场道路深层干喷水泥搅拌桩配合比试验研究

2019-09-24鞠其凤刘巧林

水电站设计 2019年3期

吴政，鞠其凤，刘巧林，李科

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

孟加拉达舍尔甘地污水处理厂位于孟加拉国首都达卡市郊区，地处恒河左岸冲积平原上，地势平坦、开阔，海拔较低，平均海拔约2～8 m。区域地形以低洼泛滥平原为特征，覆盖层深厚，厚度达2 km以上，污水日处理规模为50万m3。项目包含污水提升泵站、污水输送干管、污水处理厂及污泥焚烧系统。

从提升泵站到厂区设计有4.8 km长污水输送管线，该管线穿越459 m在水泽之上修建的进场道路。进场道路下部土质为中、高液限黏土和砂性土。在进场道路下部设计有2个直径为2.2 m的GRP污水输送管道。为避免日后下埋管道沉降过大，设计采用水泥搅拌桩干喷法施工对软基进行深层处理。设计桩径为0.5 m，桩长为7 m，桩间距为1 m，最大单桩承载力设计为98 kN，组合地基承载力设计为120 kPa，水泥土90 d龄期的抗压强度设计为2 MPa，总桩数为2 594根。在正常荷载作用下污水输水主干管的允许沉降为20 mm。本文对进场道路两种不同的地基土开展了水泥搅拌桩配合比试验研究，并对厂区遇到的高液限软弱土和吹填砂土也开展了相关的试验研究，对所施工的搅拌桩开展了桩基承载力试验和复合地基承载力试验。

1 当地软弱地基土的物理力学特性

进场道路主要由C1-2和C2-1这两层土组成。因污水处理厂的厂区是由130万m3吹填砂(SF)吹填而成，厂区最软弱的土层为高液限黏性土(C1-1)，故对这两种土也开展了现场水泥土的试验研究。进场道路和污水处理厂厂区地基土以及吹填砂的物理力学特性见表1。

2 水泥土的配合比设计

2.1 试验规程

水泥搅拌桩配合比试验按《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T233-2011)执行。

表1 进场道路和厂区地基土物理力学特性

2.2 试验材料

水泥采用当地生产的符合ASTM标准的I型水泥，水泥标号为42.5；拌合水为地下水；地基土取自厂区桩基施工预钻孔取出的地基土。

2.3 设计水灰比

所有的样品均采用0.60的水灰比进行试验。

2.4 水泥掺量

因规范规定水泥掺量不小于12%，故试验采用了10%和15%两种水泥掺量进行试验。

2.5 试验土样制备

试验土样是从厂区桩基施工预钻孔取出的土样，将其烘干，一次性加入形成固定水灰比所需的水和达到天然含水率水量时土样所需的水；机械拌合后，采用水泥试件的试验模和7 cm立方体试模以及Φ10 cm×15 cm的圆柱体试模成型，制备成型7 d、28 d和90 d的试件。

2.6 试验设备

采用DKZ-5000型电动抗折试验机对水泥土试件进行抗折试验、采用YAW-300C全自动压力试验机对4 cm的试件进行抗压强度试验；采用液压式压力机YE-2000C对7 cm以上的立方体试件进行抗压强度试验。试验设备使用前均进行了率定。

2.7 室内配合比试验结果

室内水泥土配合比试验结果汇总见表2。

表2水泥搅拌桩配合比试验结果汇总

注：(1)水泥搅拌桩标准抗压强度试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；(2)根据国标GJ79 (3.0.3)， 90 d龄期与28 d龄期抗压强度试验关系为R90 d= (1.43-1.80)R28 d；(3)按设计28 d抗压强度必须达到2.0/1.43=1.40 MPa。

3 试验成果分析

从表2中可以看出，在水泥掺量相同的情况下，2-1(细沙、中密)水泥土标准试件(7 cm立方体)的抗压强度高于1-2(中高液限土)的抗压强度，而1-2(中高液限土)的抗压强度高于1-1(高液限土)的抗压强度；圆柱体试件也有类似的结论。

各龄期吹填砂土的强度最低，这是因为吹填砂土无黏性，试件不易成型，或即使成型后也会由于微小的振动导致损坏。

3.1 水泥土抗压强度与龄期的关系

不同试件水泥土抗压强度与龄期的关系见表3。结果表明，28 d龄期水泥土的抗压强度是7 d龄期抗压强度的1.47～1.83倍；90 d龄期抗压强度是7 d龄期抗压强度的2.15～2.24倍；而90 d龄期抗压强度是28 d龄期抗压强度的1.22～1.46倍。

以上结果与粉体喷搅法加固软弱土层技术规范(TB10113-96)和建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2012)中的关系基本相符。

抗弯强度增长率较小，28 d龄期的抗弯强度是7 d的1.0～1.13倍，90 d龄期的抗弯强度是28 d的1.12倍左右。由表3显示，水泥土的抗压强度随龄期的增幅大于抗弯强度的增幅。

3.2 弹性模量与不同试件尺寸抗压强度的比值关系

弹性模量和不同试件尺寸抗压强度的比值关系见表4。表4显示：水泥土28 d龄期弹性模量与抗压强度的比值与采用的试件有关，与地基土的特性有关，与水泥掺量有关，水泥掺量大比值小，反之比值大。当水泥掺量在10%～15%时，28 d龄期水泥土弹性模量与7 cm立方体试件抗压强度的比值在35～76之间，平均值为58.6；与4 cm立方体试件抗压强度的比值在25～56之间，平均值为41.4；与Φ10 cm×15 cm圆柱体试件抗压强度的比值在54～90之间，平均值为70.9。

3.3 不同试件之间抗压强度尺寸效应

不同试件尺寸抗压强度之间的关系见表5。

试验结果表明：4 cm立方体试件的抗压强度高于7 cm立方体试件的抗压强度，其比值在1.3～1.4之间；而Φ10 cm×15 cm 圆柱体试件的抗压强度小于7 cm立方体试件的抗压强度，其平均比值在0.80左右。

表3强度与龄期的关系

表4 弹性模量与不同试件尺寸抗压强度的比值

表5 不同试件尺寸抗压强度之间的关系

3.4 水泥土弹性模量与原状土压缩模量的比值

水泥土弹性模量与其原状土压缩模量的比值k列入表6。表6显示原状土的压缩模量越低，其k值越大；水泥掺量越高，其k值也越大。也就是说，原状土的力学性能越小，水泥土的改善效果越明显。

表6水泥土弹性模量与原状土压缩模量的比值

3.5 水泥土抗弯与抗压强度的比值

水泥土抗弯和抗压强度的比值列入表7。

从表7中看出，早龄期抗弯和抗压强度比值大于晚龄期的比值；黏性土的抗弯和抗压的比值大于砂性土，但小于吹填砂相应的比值。

各类土7 d和28 d龄期抗弯和抗压强度的比值分别为0.38和0.26。

4 桩基承载力试验

根据配合设计成果，进场道路采用了12%的水泥掺量进行施工，对桩基参照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)进行了桩基承载力试验和复合地基试验，试验结果见表8和图1。

表7水泥土抗弯与抗压强度的比值

表8 水泥搅拌桩干喷法施工单桩承载力和复合地基承载力试验结果

桩基承载力试验结果表明：28 d龄期单桩承载力在2倍设计荷载作用下，其最大沉降小于22 mm，而组合地基在2倍工作荷载作用下的沉降小于15 mm，施工质量满足设计要求。

图1表明，沉降值在12 mm时，复合地基对应的试验荷载为240 kN，而单桩承载力对应的试验荷载为110 kN，两者的比值为2.18。复合地基承载力施加的荷载大于单桩承载力施加的荷载，前者的沉降小于后者，也就是说复合地基拥有更大的承载能力，考虑复合地基的设计会有更好的经济效益。

5 问题讨论

根据现场水泥土的试验研究发现，室内试验对黏性土的效果比较理想，而对吹填砂这种非黏性土的效果并不理想。这是因为非黏性土室内成型困难，无法开展正常的试验。按常规，非黏性土的力学性能和抗变形能力要优于黏性土。若需对大面积吹填砂之类的地基进行水泥搅拌桩处理的话，需做现场足尺试验，即直接按不同的掺配比例试桩并测定其承载能力和抗变形能力。