黄土地区垃圾焚烧电厂灰土挤密桩优化设计★

孔 禹

(中国电建集团江西省电力建设有限公司,江西 南昌 330000)

1 项目概况

兴平市生活垃圾焚烧项目一期设计垃圾处理量500 t/d，在原垃圾填埋场区域内拟建1×500 t/d焚烧炉+1×9 MW汽轮机，预留二期扩建场地。位于原兴平市生活垃圾填埋场内的西北角，场地东西长约330 m，南北宽约135 m。基本成梯形，北高南低，高程介于486.00 m～502.00 m之间。场地北侧及西侧为一边坡，边坡高度约10.0 m。场地地貌单元为黄土台塬边缘地带。场址大部分位于Ⅲ/严重和Ⅳ/很严重的自陷性黄土区域内，需要进行灰土挤密桩结合灰土褥垫层处理的地基面积约为13 000 m2，基本涵盖所有建构筑物，因此，本项目对灰土挤密桩施工工艺参数中的桩间距和灰土比例进行方案优选具有非常重要的经济价值。

2 灰土挤密黄土地基机理分析[1]

石灰桩是生石灰与黄土混合组成的复合建筑材料，生石灰之所以在建筑中广泛应用，主要是由于生石灰与黄土混合后，遇到土中水分使生石灰发生化学变化，产生放热、吸水、膨胀、凝固等有利于提高灰土的整体性、结构强度和防渗能力等作用[2-3]。

1)放热：生石灰遇水生成氢氧化钙，1 mol氧化钙产生热量65.24 kJ，换算后1 kg的氧化钙产生热量1 065 kJ，产生的热量促进地基土水分蒸发及土体固化，提高其强度。2)吸水：1个CaO分子和1个H2O生成 1个Ca(OH)2分子，利用生石灰的吸水能力，在含水量较大的黄土地基中采用灰土挤密桩，可以降低地基土含水量，加速土体固化。3)膨胀：生石灰遇水变为Ca(OH)2，其体积膨胀近2倍，因此在大厚度湿陷性黄土地基处理中常常采用灰土挤密桩，在石灰的膨胀作用下，将松散地基土挤密，提高地基土的承载力。4)凝固：由于Ca(OH)2与地基土中其他阳离子发生交换，相互吸附，有利于土体的固化；同时土和石灰中的SiO2和Al2O3等反应生成水化物使土体产生化学性固结；Ca(OH)2与空隙中的二氧化碳反应生成CaCO3，其具有较高的强度，有利于地基土力学性能的改善。

3 理论计算

本项目灰土挤密桩处理地基为整片处理，处理深度和处理宽度依据详勘数据和规范要求进行选取，不作为本文的阐述重点。主要针对桩心距和灰土比例2个变量进行理论计算和现场原位试验作为方案比选优化的参数。

GB 50025—2018湿陷性黄土地区建筑标准、JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范和DL/T 5024—2005电力工程地基处理技术规程等3本规范[4-5]中均有桩心距的计算公式且基本一致，如下式所示。

成桩直径根据西安当地柴油锤等施工机械的规格型号，选定为0.4 m；桩间土挤密平均系数根据上述3本规范偏保守考虑综合选定为0.93；采用正三角形布置，形状系数偏保守考虑选定为0.95；挤密前平均干密度和最大干密度通过分析详勘数据进行选取。

详勘共采集了591个土样进行土工试验，试验样本覆盖了场址不同位置和深度，试验数据具有一定的离散型和规律性，需要进行一定程度的数据分析，才能选定平均干密度和最大干密度等相关设计参数。干密度和含水率的概率密度分布图如图1所示。

从图1中可以看出，干密度分布范围介于1.17 g/cm3～1.70 g/cm3之间，基本符合均值为1.38 标准差为0.1的正态分布；水的质量分数分布范围介于10.9%～29.9%之间，基本符合均值为19.98 标准差为3.18的正态分布，与现场不同位置不同深度的实际情况基本契合；因此挤密前平均干密度选定为1.38 g/cm3。

在小于最优含水率时，干密度随着含水率的增大而增大，在大于最优含水率时，干密度随着含水率的增大而减小，所以最优含水率对应最大干密度，如图2所示。

从图2中可以看出在水的质量分数约小于20%时，随着含水率的增大，干密度增大，在水的质量分数约大于20%时，随着含水率的增大，干密度减小；在干密度1.6 g/cm3～1.7 g/cm3范围内的11组数据中，对应水的质量分数均分布在15%～25%的区间范围内，均值为20.7%，与水的质量分数均值19.98%接近，可以作统计意义上的最优含水率；则最大干密度取上述11组数据的平均值为1.63 g/cm3。根据确定的设计参数，计算桩心距，如下所示。

考虑土质的不均匀、含水率的离散型和施工夯填施工的冗余度，取综合安全系数1.5，则现场试验桩心距取1.27 m/1.5=0.85 m为基准，共进行3种桩型的现场试验，如表1所示。

表1 灰土挤密桩试桩设计参数及要求表

4 现场试桩及原位试验

根据表1中3种桩型的设计参数进行现场试桩工作，现场灰土挤密桩试桩采用柴油锤挤密结合旋挖钻孔DDC施工工艺，原位试验包括探井试验结合室内土工试验和单桩复合地基静压承载力试验等，根据现场11个探井和9处单桩复合地基承载力试验得出试桩数据见表2。

表2 灰土挤密桩试桩试验结果表

从表2中可以看出，Ⅰ型试桩桩间土湿陷性未消除以及桩间土挤密效果未达设计要求，桩身夯填质量和承载力均满足设计要求；Ⅱ型和Ⅲ型试桩桩间土湿陷性消除、桩间土挤密效果、桩身夯填质量和承载力均满足设计要求；其中Ⅱ型试桩采用质量比为3∶7的灰土回填，Ⅲ型试桩采用质量比为2∶8的灰土回填，鉴于经济性分析后综合考虑选取Ⅲ型试桩为工程桩。

5 结语

采用柴油锤挤密成孔结合长螺旋出土成孔现场施工工艺施工的灰土挤密桩的土工性能与理论计算结果基本相符。试桩区域的干密度和最大干密度在试桩前会进行实测，现场实测最大干密度约为1.71 g/cm3～1.72 g/cm3，最优含水率(质量分数)为19.8%～20.5%；理论计算时采取数理统计方法进行取值为1.63 g/cm3，最优含水率取均值约为19.98%，桩心距理论计算结果偏大，取1.5的安全系数后则与试桩结果较为吻合。

灰土挤密桩设计优化以桩心距和灰土比例为优化参数，通过理论计算和现场试桩，最后得出工程桩的施工参数和施工工艺，保证了项目整体稳步推进，节约了施工费用，取得了良好效果。