水泥土搅拌桩在大型畜禽粪污沼气发电工程中的应用
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一、前言
纵观人类能源利用发展史，能源形态逐步从固态（煤炭）向液态（石油）再向气态（甲烷、氢气等）。沼气是从生物质转化中得到的燃气，是重要的气态能源。沼气的高效制备和综合利用是一种双向清洁的过程，一方面开发了清洁的可再生能源，另一方面治理了有机废弃物的污染，减少温室气体排放，发酵后的残余物用于优质有机肥料，发展生态农业和循环经济，实现了废弃物的零排放和甲烷的零逸散。养殖业畜牧粪污资源相对集中，易收集，产气率高，是我国大型沼气工程的重要原料。目前国内养殖业畜牧粪沼气工程及城市垃圾沼气工程，产气关键节点多采用CSTR发酵工艺，即全混厌氧反应器。此反应器多采用钢板焊接罐体，纵观发展趋势，反应器罐体自重包括料重呈上升趋势，由此对区域地质承载力提出了更高的要求，有些项目拟建地土质软弱，因此必须对此类场地进行人工加固，此过程称为地基处理。
本文结合上海牛奶集团大丰海丰奶牛场大型沼气发电并网工程厌氧罐体地基加固处理的设计和施工，浅谈水泥土搅拌桩加固软土地基在大中型沼气项目中应用的心得体会。
二、地质水文情况
杭州能源环境工程有限公司承建的上海牛奶集团大丰海丰奶牛场大型沼气发电并网工程地处江苏大丰上海农场东大滩境内。拟建场地为冲积平原及滨海平原，地下水埋藏浅，地质勘探表明土层分布为：表层土，粉土，淤泥质粉质粘土，砂质粉土，砂质粉土夹粉砂，粉质粘土，工程地质条件较差。
软土地基分布路段表层为杂填土，灰黄色，很湿，结构稍密，夹有植物根茎，主要成分为粉土，层厚1.00～1.40m。其下为粉土：灰黄色，很湿～饱和，稍密状，层底渐软，摇振反应中等，局部稍有光泽，干强度中等，韧性低，土质欠均匀；层底标高0.90～-0.40m，层厚1.00～1.70m。淤泥质粉质粘土：黄灰～浅灰色，饱和，软流塑状，夹有铁锰结核，局部夹有浅灰色粉土微薄层，无遥震反应，干强度中等偏低，韧性低，土质欠均匀；层底标高-1.26～-5.65m，层厚1.90～6.30m。砂质粉土：灰色，饱和，稍密状，局部中密状，含云母、贝壳碎片，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，平均粘粒含量为7.4%，土质不均匀；层底标高-6.88～-7.52m，层厚1.70～6.00m。再下为砂质粉土夹粉砂：深灰～青灰色，很湿，中密状，局部密实状，云母、贝壳碎片，中下部偶夹密实状青灰色粉砂薄层，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度低，韧性低，平均粘粒含量为4.4%，土质欠均匀；层底标高-16.38～-16.92m，层厚9.200～9.60m。 再下层为粉质粘土：浅灰～褐灰色，湿，可塑，局部硬可塑，层理明显，无摇振反应，切面光滑，干强度高，韧性高，土质较为均匀；层底标高-15.29～-22.30m，层厚4.80～5.50m。接下层为粉土夹粉质粘土：浅灰色，饱和，稍密状，中部夹有可塑褐灰色粉质粘土，摇振反应中等，稍有光泽，干强度中等，韧性低，土质不均匀；层底标高-26.20～-26.72m，层厚4.70～5.10m。再下层为粉质粘土：褐灰色，湿，可塑，层理明显，无摇振反应，切面光滑，干强度高，韧性高，土质较均匀；层底标高-32.00m，层厚5.80m。由于上述土层形成时代较新，压缩性高、强度较低，基础工程进行稳定性检算和沉降检算后均需采取相应的处理措施。
三、软土地基处理方法选择及地基加固设计
软土地基处理方法选择：地基处理有很多种方法，如水泥土搅拌桩法、换填法、预压法、强夯法、振冲法、挤密桩法、砂石桩法等等。水泥土搅拌桩法具有施工工期短、加固深度大、处理效果好等特点，能有效的解决地基差异沉降，并且对周围环境影响不大。又因搅拌桩是由已在地面充分搅拌好的水泥浆喷入或搅拌入土层中而后固化成型，所需水分不依赖于土中的含水量，质量易于保证。水泥土搅拌桩加固技术目前在全国很多地区得到了广泛的应用。
深层搅拌法处理深度一般要超过5m，一些资料显示最大加固深度可达60m。根据相关工程地基处理经验，深层搅拌桩处理深度一般不超过15～18m。深层搅拌法采用的固化剂一般分水泥类、石灰类、沥青类和化学材料类。目前最常用的固化剂就是水泥类固化剂，其次是石灰类固化剂。用水泥类固化剂的搅拌桩又分为“湿法”和“干法”两种工艺，水泥土搅拌桩就是典型的“湿法”，“干法”工艺的代表就是粉体喷射法，一般称粉喷桩。本文主要谈“湿法”。海丰大型沼气发电并网工程基础处理采用水泥作固化剂，一般称作水泥土搅拌桩。
软土地基加固设计：在海丰大型沼气发电并网工程厌氧罐底板设计中，对于地基处理选择深层水泥土搅拌法处理地基。设计有限桩长8.5m，掺灰量18%，水灰比选0.5，选用合格325#水泥。单块底板地基处理桩数为569根，处理后复合地基承载力Fak≥150kPa。
四、水泥土搅拌桩施工工艺
1、施工现场应予平整，清除地上地下一切障碍物。需回填土的低洼场地应抽水清淤后，分层回填粘性土填料，并予以适当压密，不得回填杂填土。
2、搅拌桩施工前应对搅拌机械的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机输浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数进行标定。并根据设计要求通过成桩试验，确定搅拌桩的配比和施工工艺。水泥浆液的配制要严格控制水灰比，一般为0.45～0.5。使用的水泥和外加剂通过室内加固土试验确定。
3、水泥搅拌桩主要按下列步骤进行：搅拌机械就位、调平；预搅下沉，下沉时可采用喷浆工艺；喷浆搅拌提升至设计停浆标高；重复搅拌下沉；重复喷浆、搅拌至设计停浆标高后，再提升到孔口；测量料罐剩余量，对不满足设计要求的桩位应立即补搅。单桩施工完毕关闭机械，桩机移至下一机位。
4、水泥搅拌桩质量检验的项目及抽检数量，按国家和江苏省有关规范、规定办理。
五、讨论水泥土搅拌桩适应性几个问题
应用于滨海地区的软土地基加固时，应注意以下几个问题：
1、加固深度：虽然水泥土搅拌桩加固深度曾有过60m甚至更长的记录，但根据使用目的的不同，其加固深度应有所限制。柔性桩和半刚性桩的单桩有效长度虽然随桩身强度的提高而增大，但基本就在10m以内。对群桩作用的复合地基有效桩长目前虽不是十分明确，但由于水泥土搅拌桩复合地基的分层沉降和水平收敛深度在15m左右，所以在作为承载作用下，水泥土搅拌桩加固深度还是以不超过15～18m为宜。当软土层埋深较深，需加固长度较大时，应考虑采用水泥土搅拌桩加固的可行性。
2、软土层性质及水质情况：有机质含量是影响水泥土搅拌桩加固效果的一个主要因素，对软土地基、特别是滨海地区的软土地基采用该类型桩基加固设计时，应进行有机质含量、可溶盐含量及总烧失量分析，特殊地区还应对软土进行矿物成分分析，确定水泥的适用性。地下水酸碱度、硫酸盐含量也是选择水泥种类考虑的关键因素。对于滨海地区，这几项工作尤其应当引起足够重视。本项目场地地下水水质的含盐量较高，与地表水水质类型（CL-Na•Mg型）比较接近。据勘察报告结果表明：场地地下水对混凝土结构无腐蚀性。可以采用水泥土搅拌桩进行加固处理。
3、软土层含水量情况：由于软土的含水量大小对水泥土强度影响较大，所以，当软土呈流塑状态，含水量较高（w>80%～90%）、液性指数（IL>1.2～1.5）时，由于在自然状态下的强度增长与实验室养护条件下差别较大，应考虑在自然状态下，水泥土强度的增长随深度、土层、含水量、温度的不同，存在差异的情况。因此，在软土层较深（>10m）、含水量较大时，应注意水泥土强度增长的差异。
4、龄期及强度问题：理论上普遍把3个月龄期的强度作为水泥土检验的标准强度，这是根据水泥在混凝土工程中的表现来确定的。虽然水泥土的强度增长与混凝土有共性之处，但在实际工作中，在自然环境下，特别是在桩身较深的软土层，抽芯试验常产生偏差，有些甚至难以取芯。造成这些情况的原因何在？笔者认为，施工时的各种技术参数（包括提升、搅拌速度、浆液流量等）基本一致的情况下，仍会产生上下段不一致、甚至相差较大的情况。应当说，自然环境条件的不同（土层、埋深、含水量、地温等因素）对水泥土达到同等强度的时间有较大的影响，也可以说，龄期强度此时难以真正描述整根桩水泥强度的增长情况。
5、其他：虽然水泥土搅拌桩加固法受很多因素的制约，但只要应用得当、考虑周密，其使用前景依然广阔。此外，有时水泥配比试验结果波动很大，确定合理的强度参数对水泥土搅拌桩的设计意义重大，需要反复衡量，必要时要增加验证工作；设计时，对桩间土的承载力取值也值得考虑，加固后的桩间土的承载力直接使用天然土（有时是软土）的承载力是否保守，还需要根据具体情况确定。