吳 政，鞠其鳳，劉巧林，李 科

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

孟加拉達(dá)舍爾甘地污水處理廠位于孟加拉國(guó)首都達(dá)卡市郊區(qū)，地處恒河左岸沖積平原上，地勢(shì)平坦、開(kāi)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(dá)2 km以上，污水日處理規(guī)模為50萬(wàn)m3。項(xiàng)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(jì)有4.8 km長(zhǎng)污水輸送管線，該管線穿越459 m在水澤之上修建的進(jìn)場(chǎng)道路。進(jìn)場(chǎng)道路下部土質(zhì)為中、高液限黏土和砂性土。在進(jìn)場(chǎng)道路下部設(shè)計(jì)有2個(gè)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(guò)大，設(shè)計(jì)采用水泥攪拌樁干噴法施工對(duì)軟基進(jìn)行深層處理。設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，樁長(zhǎng)為7 m，樁間距為1 m，最大單樁承載力設(shè)計(jì)為98 kN，組合地基承載力設(shè)計(jì)為120 kPa，水泥土90 d齡期的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(duì)進(jìn)場(chǎng)道路兩種不同的地基土開(kāi)展了水泥攪拌樁配合比試驗(yàn)研究，并對(duì)廠區(qū)遇到的高液限軟弱土和吹填砂土也開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究，對(duì)所施工的攪拌樁開(kāi)展了樁基承載力試驗(yàn)和復(fù)合地基承載力試驗(yàn)。

1 當(dāng)?shù)剀浫醯鼗恋奈锢砹W(xué)特性

進(jìn)場(chǎng)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(wàn)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(duì)這兩種土也開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)水泥土的試驗(yàn)研究。進(jìn)場(chǎng)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(jiàn)表1。

2 水泥土的配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)規(guī)程

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

表1 進(jìn)場(chǎng)道路和廠區(qū)地基土物理力學(xué)特性

2.2 試驗(yàn)材料

水泥采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的I型水泥，水泥標(biāo)號(hào)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(jì)水灰比

所有的樣品均采用0.60的水灰比進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4 水泥摻量

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

2.5 試驗(yàn)土樣制備

試驗(yàn)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(dá)到天然含水率水量時(shí)土樣所需的水；機(jī)械拌合后，采用水泥試件的試驗(yàn)?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(yàn)設(shè)備

采用DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)對(duì)水泥土試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)、采用YAW-300C全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)4 cm的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；采用液壓式壓力機(jī)YE-2000C對(duì)7 cm以上的立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備使用前均進(jìn)行了率定。

2.7 室內(nèi)配合比試驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)水泥土配合比試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2水泥攪拌樁配合比試驗(yàn)結(jié)果匯總

注：(1)水泥攪拌樁標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；(2)根據(jù)國(guó)標(biāo)GJ79 (3.0.3)， 90 d齡期與28 d齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)關(guān)系為R90 d= (1.43-1.80)R28 d；(3)按設(shè)計(jì)28 d抗壓強(qiáng)度必須達(dá)到2.0/1.43=1.40 MPa。

3 試驗(yàn)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(xì)沙、中密)水泥土標(biāo)準(zhǔn)試件(7 cm立方體)的抗壓強(qiáng)度高于1-2(中高液限土)的抗壓強(qiáng)度，而1-2(中高液限土)的抗壓強(qiáng)度高于1-1(高液限土)的抗壓強(qiáng)度；圓柱體試件也有類似的結(jié)論。

各齡期吹填砂土的強(qiáng)度最低，這是因?yàn)榇堤钌巴翢o(wú)黏性，試件不易成型，或即使成型后也會(huì)由于微小的振動(dòng)導(dǎo)致?lián)p壞。

3.1 水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

不同試件水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系見(jiàn)表3。結(jié)果表明，28 d齡期水泥土的抗壓強(qiáng)度是7 d齡期抗壓強(qiáng)度的1.47～1.83倍；90 d齡期抗壓強(qiáng)度是7 d齡期抗壓強(qiáng)度的2.15～2.24倍；而90 d齡期抗壓強(qiáng)度是28 d齡期抗壓強(qiáng)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(qiáng)度增長(zhǎng)率較小，28 d齡期的抗彎強(qiáng)度是7 d的1.0～1.13倍，90 d齡期的抗彎強(qiáng)度是28 d的1.12倍左右。由表3顯示，水泥土的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增幅大于抗彎強(qiáng)度的增幅。

3.2 彈性模量與不同試件尺寸抗壓強(qiáng)度的比值關(guān)系

彈性模量和不同試件尺寸抗壓強(qiáng)度的比值關(guān)系見(jiàn)表4。表4顯示：水泥土28 d齡期彈性模量與抗壓強(qiáng)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(shí)，28 d齡期水泥土彈性模量與7 cm立方體試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度尺寸效應(yīng)

不同試件尺寸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系見(jiàn)表5。

試驗(yàn)結(jié)果表明：4 cm立方體試件的抗壓強(qiáng)度高于7 cm立方體試件的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度小于7 cm立方體試件的抗壓強(qiáng)度，其平均比值在0.80左右。

表3強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

表4 彈性模量與不同試件尺寸抗壓強(qiáng)度的比值

表5 不同試件尺寸抗壓強(qiáng)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(shuō)，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(qiáng)度的比值

水泥土抗彎和抗壓強(qiáng)度的比值列入表7。

從表7中看出，早齡期抗彎和抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的比值分別為0.38和0.26。

4 樁基承載力試驗(yàn)

根據(jù)配合設(shè)計(jì)成果，進(jìn)場(chǎng)道路采用了12%的水泥摻量進(jìn)行施工，對(duì)樁基參照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)進(jìn)行了樁基承載力試驗(yàn)和復(fù)合地基試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8和圖1。

表7水泥土抗彎與抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

樁基承載力試驗(yàn)結(jié)果表明：28 d齡期單樁承載力在2倍設(shè)計(jì)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(jì)要求。

圖1表明，沉降值在12 mm時(shí)，復(fù)合地基對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)荷載為240 kN，而單樁承載力對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)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(shuō)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(jì)會(huì)有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 問(wèn)題討論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水泥土的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)黏性土的效果比較理想，而對(duì)吹填砂這種非黏性土的效果并不理想。這是因?yàn)榉丘ば酝潦覂?nèi)成型困難，無(wú)法開(kāi)展正常的試驗(yàn)。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(duì)大面積吹填砂之類的地基進(jìn)行水泥攪拌樁處理的話，需做現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，即直接按不同的摻配比例試樁并測(cè)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(yàn)結(jié)果

以往的水泥攪拌樁配合比試驗(yàn)是采用不同的水灰比開(kāi)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(shuō)室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果并不一定與室外完全吻合。因而，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)樁基的承載力的試驗(yàn)是最終和最有效的驗(yàn)證手段。

若試件不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，水泥的水化作用將會(huì)終止，其試件90 d齡期的抗壓強(qiáng)度無(wú)增長(zhǎng)。

目前，檢驗(yàn)水泥攪拌樁設(shè)計(jì)是否合理尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，建議對(duì)比分析單樁和復(fù)合地基承載力試驗(yàn)的沉降值。如兩者接近說(shuō)明設(shè)計(jì)較優(yōu)，若兩者差異較大，說(shuō)明設(shè)計(jì)仍有調(diào)整的空間。

水泥攪拌樁采用90 d齡期設(shè)計(jì)，為加快施工速度，同時(shí)保證工程質(zhì)量，對(duì)早齡期和設(shè)計(jì)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(kāi)展的配合比試驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：

(1)28 d齡期水泥土的抗壓強(qiáng)度是7 d齡期抗壓強(qiáng)度的1.47～1.83倍，90 d齡期抗壓強(qiáng)度是7 d齡期抗壓強(qiáng)度的2.15～2.24倍，而90 d齡期抗壓強(qiáng)度是28 d齡期抗壓強(qiáng)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(qiáng)度與后者抗壓強(qiáng)度比值為0.71～0.78；

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

(4)當(dāng)水泥摻量在10%～15%時(shí)，28 d齡期水泥土彈性模量與7 cm立方體試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(chǎng)足尺試驗(yàn)，直接測(cè)定其樁基承載力；

(8)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)施工所用的工藝不同，對(duì)實(shí)際施工工藝效果需開(kāi)展樁基承載力或復(fù)合地基承載力試驗(yàn)驗(yàn)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(shuō)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(jì)比只考慮單樁承載力的樁基設(shè)計(jì)具有更好的經(jīng)濟(jì)效益；

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