山區(qū)輸配水管道柔性接口鎮(zhèn)墩形式優(yōu)化的探討

趙 娟

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 前言

目前我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水點(diǎn)比較分散，輸配水管道的工程投資及工程量也相對較大，特別是在山區(qū)，由于坡高路險(xiǎn)、地形起伏較大，修建輸配水管道時(shí)轉(zhuǎn)角較多，鎮(zhèn)墩數(shù)量也比較多，給鎮(zhèn)墩和管道的設(shè)計(jì)與施工帶來不少困難，施工過程中的建筑材料運(yùn)輸也十分不便，加大了設(shè)計(jì)與施工的難度，因此優(yōu)化鎮(zhèn)墩形式，減少建筑材料用量，提高混凝土利用率，對降低施工難度和工程造價(jià)都十分必要。

2 鎮(zhèn)墩和地基的穩(wěn)定性及強(qiáng)度驗(yàn)算

2.1 鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性及強(qiáng)度驗(yàn)算

鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性驗(yàn)算包括抗傾覆驗(yàn)算和抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。穩(wěn)定分析時(shí)，如全部作用力合力的作用點(diǎn)都不超出鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)以外，就不會傾覆。一般情況下為了使地基受力均勻，都要求合力R的作用點(diǎn)在基礎(chǔ)底面的中三分點(diǎn)以內(nèi)，故不必進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算只驗(yàn)算抗滑穩(wěn)定即可。

鎮(zhèn)墩強(qiáng)度驗(yàn)算的方法主要有圖解法和數(shù)解法，可按照材料力學(xué)方法計(jì)算截面應(yīng)力校核鎮(zhèn)墩強(qiáng)度，對于重力式鎮(zhèn)墩，主要是校核抗拉強(qiáng)度是否滿足要求。

2.2 地基穩(wěn)定性及強(qiáng)度驗(yàn)算

鎮(zhèn)墩建立在坡體上時(shí)，應(yīng)按照土力學(xué)理論驗(yàn)算坡體是否穩(wěn)定。如果應(yīng)用滑弧理論將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題進(jìn)行演算，是比較保守的。

在鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)過程中一般都會要求合力R對基礎(chǔ)底面形心的偏心距e≤L/6，因此地基的穩(wěn)定性可以保證。地基強(qiáng)度驗(yàn)算一般需驗(yàn)算最大壓應(yīng)力是否在地基允許承載能力范圍內(nèi)。

與鎮(zhèn)墩密切相關(guān)的山區(qū)工程地質(zhì)條件主要可分為兩類：一類是松散地層段，此段落內(nèi)松散堆積層厚度較大，鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)條件較差；另一類是基巖出露段或者基巖埋深較淺段，在此段落內(nèi)鎮(zhèn)墩可直接修筑于基巖上或者清表后修建于基巖之上。以下分別就這兩類地質(zhì)條件下的鎮(zhèn)墩形式優(yōu)化進(jìn)行了探討。

3 松散地層地基鎮(zhèn)墩形式的優(yōu)化

能夠適用于松散地層地基的鎮(zhèn)墩形式較多，不過歸納起來都可總結(jié)為圖1的樣式，這種結(jié)構(gòu)形式簡單，易于施工，在平原區(qū)應(yīng)用較多，但地基應(yīng)力及地基應(yīng)力不均勻系數(shù)較大，且抗滑抗傾覆性能較差，混凝土利用率比較低，不能適應(yīng)山區(qū)建筑材料運(yùn)輸十分困難的環(huán)境，因此在山區(qū)修建鎮(zhèn)墩時(shí)需要對現(xiàn)有的鎮(zhèn)墩形式進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化目的

提高混凝土利用率，降低建筑材料用量的同時(shí)保證鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性。

3.2 優(yōu)化方法

為使鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)更好的適應(yīng)山區(qū)的建設(shè)環(huán)境，經(jīng)過多方面的比較和探索，我們總結(jié)出一種新型的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

3.3 優(yōu)化措施分析

（1）增加鎮(zhèn)墩底板。鎮(zhèn)墩抗滑阻力的主要因素之一是鎮(zhèn)墩與地基之間的摩阻力，增大鎮(zhèn)墩底板面積，鎮(zhèn)墩與地基之間的摩阻力可隨之增大。底板面積增大，同時(shí)可減小鎮(zhèn)墩的基底應(yīng)力及其不均勻系數(shù)。

（2）擴(kuò)展側(cè)墻面積。鎮(zhèn)墩抗滑阻力的另一主要因素是被動土壓力，擴(kuò)展側(cè)墻面積，可以顯著增大鎮(zhèn)墩的抗滑阻力。設(shè)置合理的側(cè)墻高度不僅可以促使鎮(zhèn)墩保持平衡而且可以顯著地提高鎮(zhèn)墩的抗傾覆能力。

（3）新型鎮(zhèn)墩由主墩體、側(cè)墻和底板構(gòu)成，應(yīng)根據(jù)受力情況進(jìn)行強(qiáng)度校核，若局部強(qiáng)度不夠，須配筋補(bǔ)強(qiáng)。

3.4 新型鎮(zhèn)墩安全穩(wěn)定性分析

3.4.1 受力分析

柔性鎮(zhèn)墩在工作狀態(tài)下承受的荷載一般有：彎管外推力R、地基摩阻力F、被動土壓力E1、主動土壓力E2、垂直方向的總重力GZ（包括鎮(zhèn)墩自重、管重、水重、覆土重，地下水位高時(shí)應(yīng)考慮浮力），以及地基反力Q，如圖3所示。

（1）彎管外推力分析。彎管外推力實(shí)際應(yīng)由內(nèi)水壓力、水流離心力、水流與管壁的摩擦力、溫度應(yīng)力、承插口摩擦力等多種因素綜合產(chǎn)生。但對于管徑較大、內(nèi)水壓力較大的地下埋管，溫度應(yīng)力、水流與管壁的摩擦力、承插口摩擦力均較小，可忽略不計(jì)，此時(shí)管道的外推力R完全由內(nèi)水壓力產(chǎn)生，并由鎮(zhèn)墩承受。角度為α的彎管外推力計(jì)算公式：

Po——最不利工況下的最大內(nèi)水壓力；

D——管道內(nèi)徑；

α——為彎管角度。

（2）鎮(zhèn)墩底面與地基的摩阻力F=μGZ，式中，μ為鎮(zhèn)墩與地基的摩擦系數(shù)。

（3）支墩一般會借助土體自身產(chǎn)生的抗力采用被動土壓力的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，土壓力產(chǎn)生的抗滑阻力：T=E1-E2；

被動土壓力：

主動土壓力：

式中，h1——設(shè)計(jì)地面線距鎮(zhèn)墩頂面的高度；

h2——設(shè)計(jì)地面線距鎮(zhèn)墩底面的高度；

L——在垂直于外推力方向上鎮(zhèn)墩的投影長度；

φ——土壤的內(nèi)摩擦角；

γ——土壤重力密度。

鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)過程中一般不考慮被動土壓力，其抗滑阻力計(jì)算原則為：參考被動土壓力原理的土抗力的計(jì)算方法。

計(jì)算公式為：T=Hbσ。

式中，b——作用力在鎮(zhèn)墩上的寬度；

H=h2－h(huán)1為土抗力在鎮(zhèn)墩上的高度；

據(jù)陜西多個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，一般情況，當(dāng)H≤5m時(shí)，σ抗≈30kN/m2，當(dāng)5m＜H≤10m時(shí)，σ抗≈30kN/m2～45kN/m2[5]。

由第2節(jié)的分析可知鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算主要需校核鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定性。

如果抗滑穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求則：

其中k為抗滑安全系數(shù)。由分析過程可以證明側(cè)墻面積和底面積增大均能提高鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)，反之可證明若安全系數(shù)要求相同，則可以降低鎮(zhèn)墩自重，減少材料用量，提高利用效率。

3.4.3 強(qiáng)度分析

由第2節(jié)的分析可知，地基強(qiáng)度計(jì)算主要驗(yàn)算最大壓應(yīng)力是否在地基允許承載能力范圍內(nèi)。地基邊緣最大應(yīng)力，最小應(yīng)力若η，則滿足設(shè)計(jì)要求。其中A為鎮(zhèn)墩底板面積；M為各作用力對鎮(zhèn)墩底面形心的總彎矩；W為鎮(zhèn)墩底面的抗彎模量；[R]為地基最大容許應(yīng)力；η為地基容許不均勻系數(shù)。

由分析過程可以證明底板面積增大能減小鎮(zhèn)墩地基的最大應(yīng)力，降低不均勻系數(shù)，反之可證明若地基容許應(yīng)力和不均勻系數(shù)要求不變，則可以降低鎮(zhèn)墩自重，減少材料用量，提高利用效率。

4 基巖地基鎮(zhèn)墩形式的優(yōu)化

圖1 鎮(zhèn)墩樣式

圖2 鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)鎮(zhèn)墩修建于基巖之上時(shí)，合理的使用錨桿，利用錨桿抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度高的特點(diǎn)，將鎮(zhèn)墩形式優(yōu)化為加錨桿鎮(zhèn)墩（如圖4），可以有效的提高材料利用效率，減少材料用量，降低施工難度。加錨桿鎮(zhèn)墩使用的首要條件是基巖出露好，巖石強(qiáng)度高。

圖3 柔性鎮(zhèn)墩工作狀態(tài)下承受的荷載

圖4 加錨桿鎮(zhèn)墩

加錨桿鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)一般分為以下三個(gè)步驟：①按構(gòu)造要求擬定鎮(zhèn)墩幾何尺寸。②校核鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性。③若鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性滿足要求，則進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)；若鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性不滿足，加上錨桿重新設(shè)計(jì)，通過計(jì)算確定錨桿的長度和根數(shù)。若錨桿間距過小，可適當(dāng)調(diào)整鎮(zhèn)墩尺寸。

由圖2可以看出，MoO3原料的費(fèi)氏粒度相對普遍較大。結(jié)合圖1掃描電鏡照片看，MoO3原料粒度大是一種“假象” ，是由大量非常細(xì)小的(1 μm及以下)MoO3晶體顆粒聚集組成的團(tuán)聚“假顆?！?。MoO2及Mo粉的顆粒又相對較小，且基本遵循MoO2粒度大、鉬粉粒度大的遺傳特性。工藝②所出鉬粉整體平均費(fèi)氏粒度較工藝①小。

加錨桿鎮(zhèn)墩中，確定錨桿布置方式和用量非常重要，現(xiàn)介紹如下。

4.1 錨桿布置方式的確定

當(dāng)鎮(zhèn)墩主要承受水平力時(shí)，錨桿的作用體現(xiàn)在以抗剪方式維持鎮(zhèn)墩穩(wěn)定，錨桿宜沿垂直受力方向布置，如圖4中錨桿的布置形式。當(dāng)鎮(zhèn)墩主要承受向上的合力時(shí)，錨桿的作用體現(xiàn)在以抗拉的形式保持鎮(zhèn)墩穩(wěn)定，宜沿鎮(zhèn)墩所受合力的方向布置。

無論是抗剪或抗拉錨桿，均應(yīng)根據(jù)鎮(zhèn)墩的受力方向和地形地質(zhì)條件沿管道兩側(cè)對稱布置，確保鎮(zhèn)墩平衡受力。

4.2 錨桿用量的確定

根據(jù)鎮(zhèn)墩受力的大小、錨桿直徑、型號和巖石的堅(jiān)硬程度確定錨桿長度和根數(shù)。計(jì)算公式如下：

（1）抗剪錨桿：n=4KFx/(πd2[τ])式中，n——錨桿根數(shù)；

K——鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

Fx——鎮(zhèn)墩所受合力在水平方向的分力；

[τ]——錨桿允許抗剪強(qiáng)度；d為錨桿直徑。

（2）抗拉錨桿：n=KFy/N

其中Fy為鎮(zhèn)墩所受合力在垂直方向分力；N為單根受拉錨桿的錨固力，錨桿錨固力的確定需對以下三種力進(jìn)行對比、取最小值：

①錨桿與砂漿的粘結(jié)力：N≤πdhτa

②基巖錨孔與砂漿的粘結(jié)力：N≤πdhτc

③錨桿的拉力：N≤A[σP]

式中，τa——錨桿與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，一般取值為 0.20MPa～0.40MPa；

τc——基巖與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度；

σP——錨桿容許抗拉強(qiáng)度；

d——錨桿直徑；

h——錨固深度；

D——錨孔孔徑；

A——錨桿截面面積。

5 工程實(shí)例應(yīng)用分析

5.1 松散地層地基鎮(zhèn)墩實(shí)例分析

某供水工程鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)基本條件為：鎮(zhèn)墩平面夾角90°、管段中心線與水平面夾角4°、管徑400mm、內(nèi)水壓力1.0MPa、管頂覆土1.8m、覆土容重16.1kN/m3、土壤內(nèi)摩擦角25°、鎮(zhèn)墩底與基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)0.35、地基承載力為100kPa。

在同等計(jì)算條件下按照圖1的傳統(tǒng)鎮(zhèn)墩形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，需要混凝土13.2m3，鋼筋184.8kg；按照圖2優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，需要混凝土11.7m3，鋼筋175.56kg。經(jīng)對比分析，優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩形式可以節(jié)省混凝土用量11.3%，節(jié)省鋼筋用量5%。

5.2 基巖地層地基鎮(zhèn)墩實(shí)例分析

某供水工程鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)基本條件為：鎮(zhèn)墩平面夾角60°、管徑400mm、內(nèi)水壓力1.0MPa、管頂覆土 1.5 m、覆土容重 20kN/m3、鎮(zhèn)墩底與基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)0.6、地基承載力為150kPa。

在同等計(jì)算條件下按照傳統(tǒng)鎮(zhèn)墩形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，需要混凝土4.5m3，鋼筋63kg；按照優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加φ16錨桿6根（L=1.5m），需要混凝土 3.53m3，鋼筋 63.61kg。經(jīng)對比分析，優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩形式雖然鋼筋用量增加了0.97%，但可節(jié)省混凝土用量21.6%。

6 結(jié)論

通過對山區(qū)兩類常見地質(zhì)條件下鎮(zhèn)墩形式優(yōu)化進(jìn)行探討，經(jīng)工程實(shí)例分析，優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩形式能提高材料利用率，較好的適應(yīng)山區(qū)的建設(shè)環(huán)境，緩解山區(qū)輸配水管道建設(shè)過程中建筑材料運(yùn)輸困難的問題，可以有效的縮短施工工期，同時(shí)還可降低工程造價(jià)。陜西水利

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