軟土地基市政排水管道沉降原因分析及對(duì)策

楊濱

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

軟土地基市政排水管道沉降原因分析及對(duì)策

楊濱

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

以工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，從管道鋪設(shè)開(kāi)挖溝槽卸土回彈后在回填土體自重壓力下的再壓縮，圍護(hù)樁體打、拔擾動(dòng)造成的管道周邊及基礎(chǔ)土體損失，管道上部回填料松散引起的自密實(shí)壓縮變形等幾方面原因，對(duì)軟土地基場(chǎng)地條件下鋪設(shè)的市政排水管道工后沉降原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了減少排水管道工后沉降的相應(yīng)對(duì)策。

排水管道；軟土地基；沉降

1 概述

在我國(guó)江浙滬地區(qū)廣泛分布有軟土地基場(chǎng)地，為解決附加荷載較大的構(gòu)建筑物工后沉降明顯問(wèn)題，工程設(shè)計(jì)人員多采用深基礎(chǔ)或地基處理等方式。對(duì)于市政排水管道工程來(lái)說(shuō)，理論上對(duì)于鋪設(shè)場(chǎng)地幾乎沒(méi)有附加荷載，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的沉降。另外對(duì)于管道工程，實(shí)踐中也較少采用相對(duì)代價(jià)較高的大范圍地基處理或深基礎(chǔ)形式。

2 工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料

那工程實(shí)踐中，市政排水管道發(fā)生沉降的實(shí)際情況如何呢?本文將分析某大型主題公園工程園區(qū)內(nèi)市政排水管道施工及工后全過(guò)程的沉降情況。該工程位于上海市浦東新區(qū)某地，占地面積約4 km2，各類(lèi)市政管線累計(jì)總長(zhǎng)度已達(dá)數(shù)十公里(見(jiàn)圖1)。其中根據(jù)排水工藝布置要求，排水系統(tǒng)包括雨、污水管道，管徑φ100～φ2 500 mm不等，采用塑料及鋼筋混凝土成品管材，管道設(shè)計(jì)埋深1.5～7.5 m不等。

圖1 工程整體布置概況

本工程場(chǎng)地地質(zhì)情況屬于典型濱海平原(長(zhǎng)江三角洲沖擊平原)地貌。淺部土層組厚度約9 m，至上而下分別為①層填土、②層粉質(zhì)粘土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。中部土層厚度約16 m，至上而下分別為④層淤泥質(zhì)粘土、⑤1層粘土、⑤3層粉質(zhì)粘土等。其中③、④層厚度較大，較為軟弱，是管道坐落的主要土層，屬典型軟土地基。

本工程場(chǎng)地淺部地基土采用了真空預(yù)壓+PVD塑料排水板方法進(jìn)行場(chǎng)地整體地基處理。地基處理后，淺部各土層物理指標(biāo)較處理前有一定改善，但變化幅度不大，力學(xué)性指標(biāo)(壓縮性指標(biāo)和強(qiáng)度指標(biāo))在第③、④層中均較處理前有較明顯的提高；靜力qc值在淺部土層中提高約20%～50%，下部土層影響不明顯。處理后，第③層土從正常固結(jié)土變?yōu)槌探Y(jié)土，應(yīng)力歷史發(fā)生明顯變化。而④、⑤1層固結(jié)程度略有提高，但基本上仍屬正常固結(jié)土。

在市政排水管道工程中大量使用塑料管及鋼筋混凝土管，其中塑料管屬柔性材料，變形協(xié)調(diào)性能好，能消化吸收大部分管道整體及差異沉降，工程性質(zhì)可靠。但當(dāng)工藝設(shè)計(jì)對(duì)管徑要求較大時(shí)，由于塑料管材料的強(qiáng)度局限，工程上多使用預(yù)制成品鋼筋混凝土管道，采用承插連接。由于管節(jié)間開(kāi)口變形的限制，鋼筋混凝土管道對(duì)沉降較敏感，見(jiàn)圖2。

圖2 鋼筋混凝土管道變形開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)示意

本工程較先開(kāi)展某段鋼筋混凝土雨水支管施工完成驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)多處發(fā)生管道與檢查井接口開(kāi)裂。為查明原因，現(xiàn)場(chǎng)選取某段管線(兩座雨水檢查井DMH#J22～ DMH#J23之間)，采集沉降數(shù)據(jù)。該段鋼筋混凝土管管徑1 200 mm，埋深約5.2 m。管道敷設(shè)采用傳統(tǒng)鋼板樁圍護(hù)開(kāi)挖溝槽，施工過(guò)程中輔以輕型井點(diǎn)降水措施，管道基礎(chǔ)依據(jù)《上海市排水管道通用圖》［4］，采用混凝土平板及管枕基礎(chǔ)。

沉降結(jié)果顯示，檢查井J22處累計(jì)沉降71 mm，檢查井J23處累計(jì)沉降118 mm，管道中部某點(diǎn)累計(jì)沉降125 mm，最大差異沉降達(dá)到47 mm，管道與檢查井接口部位，差異沉降明顯，見(jiàn)圖3。

圖3 管道沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3 管道沉降原因分析

如本文前述，管道鋪設(shè)對(duì)于場(chǎng)地幾乎沒(méi)有附加荷載，若理論上假設(shè)場(chǎng)地工程性狀沒(méi)有明顯改變，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的沉降。但事實(shí)上管道沉降確實(shí)出現(xiàn)，且數(shù)量明顯，絕非施工、測(cè)量誤差可以解釋。據(jù)此推論假設(shè)不能成立，即管道鋪設(shè)施工對(duì)場(chǎng)地土體工程性狀有較明顯的改變。

3.1 溝槽卸土后底部回彈在回填壓重下壓縮變形

本工程溝槽(基坑)開(kāi)挖面基本處于第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層中，該層土為第四紀(jì)Q42、濱?！珳\海相沉積物，呈飽和、流塑狀，高等壓縮性，其中5～8 m深度段分布有第③夾層灰色粘質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，相關(guān)土層經(jīng)地基處理后的工程物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］5.3.10～5.3.11條規(guī)定要求，由于回彈模量Eci與回彈再壓縮模量E′ci取值不同，基坑的回彈再壓縮變形量S′c與回彈

表1 地基處理后土層工程物理性質(zhì)表

(3)地基土回彈模量Eci及回彈再壓縮模量E′ci可取同一數(shù)值，一般可取土層壓縮模量的2～3倍［5］，若按此經(jīng)驗(yàn)變形量Sc計(jì)算結(jié)果較大；

(4)假定式(2)成立，可根據(jù)地質(zhì)勘查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算回彈模量Eci。

按溝槽寬度3.5 m(即管道外壁兩側(cè)各1 m的肥槽寬度)，長(zhǎng)度30 m計(jì)，累計(jì)地基回彈再壓縮變形量S′c約為20.10 mm，見(jiàn)表2。變形量Sc在理論概念上不同。但因?yàn)楣こ虒?shí)際最終關(guān)心的是地基再壓縮變形的量值S′c，同時(shí)考慮到地基變形的復(fù)雜性及計(jì)算準(zhǔn)確性，本工程分析計(jì)算可假定：

(1)基坑回彈僅限基坑范圍，基坑回彈量與自重應(yīng)力呈線性關(guān)系，基坑邊緣不受基坑開(kāi)挖影響，基坑開(kāi)挖完畢即基坑回彈全部完成［5］；

(2)基坑回彈再壓縮量S′c在回彈量值范圍內(nèi)，采用式(1)［2］計(jì)算，用回彈再壓縮模量E′ci代替式中回彈模量

表2 地基回彈再壓縮變形量計(jì)算值

3.2 溝槽圍護(hù)樁打、拔擾動(dòng)土體損失引起變形

在本工程地區(qū)，對(duì)于管道溝槽開(kāi)挖，根據(jù)埋深常采用放坡大開(kāi)挖、鋼板樁圍護(hù)、拉森鋼板樁圍護(hù)開(kāi)挖等幾種形式，并輔以必要的降、排水措施。另外管道塢浜依據(jù)《上海市排水管道通用圖》［4］，一般采用中粗砂回填密實(shí)，見(jiàn)圖4。

圖4 管道構(gòu)槽圍護(hù)及管道塢浜示意圖(單位：cm)

為了將普通或拉森鋼板樁順利插入或拔出含水量較高的飽和軟土中，施工中往往會(huì)采用振動(dòng)打拔。該方法不可避免造成土體擾動(dòng)，最終引起土體重新固結(jié)沉降。同時(shí)，鋼板樁有一定體積，將其插入土中，會(huì)引起土體塑性變形，形成孔隙，如不處理，會(huì)造成管道周邊松散的回填料填充補(bǔ)償此類(lèi)孔隙，最終導(dǎo)致管道周邊土體損失、松散，引起壓縮變形。另外，如果發(fā)生鋼板樁拔出時(shí)，大量土體附著在樁身上，造成的土體損失將更加明顯。

以上分析中，擾動(dòng)后土體固結(jié)導(dǎo)致的壓縮變形量計(jì)算較為困難。但對(duì)于鋼板樁體積擠占，導(dǎo)致土體塑性變形，形成孔隙，以及土體附著樁身拔樁引起的土體壓縮變形，可嘗試有限元法分析計(jì)算。

以本工程實(shí)際使用的9～12 m Ⅳ型拉森鋼板樁(400 mm×170 mm×15.5 mm)為條件，簡(jiǎn)化模型，假定如下：

(1)管道溝槽相對(duì)橫斷面，縱向尺寸較大，按平面有限元假定，不考慮管道的影響；

(2)回填密實(shí)，拔出鋼板樁后，強(qiáng)制接觸面(溝槽內(nèi)、外兩側(cè))土體向拔樁后擠壓或帶土損失形成的孔隙變形，最終導(dǎo)致管道沉降位移，不同假設(shè)計(jì)算條件下的等效變形量按表3選取；

表3 假定土體等效變形量表

(3)計(jì)算模型中假定彈性模量E取3倍的壓縮模量Es0.1～0.2；

(4)簡(jiǎn)化取管道溝槽底豎向位移即為管道沉降量。

平面有限元分析由土體損失導(dǎo)致的土體變形趨勢(shì)見(jiàn)圖5，整體特征是上部土體變形完全表現(xiàn)為沉降，從地表向下隨深度增加逐漸減小。溝槽底部越靠近鋼板樁處土體越變形越明顯，表現(xiàn)為水平及豎向變形相結(jié)合。遠(yuǎn)離鋼板樁的管道位置處土體變形基本體現(xiàn)為沉降，相對(duì)數(shù)值最小。

圖5 土體損失導(dǎo)致管道沉降有限元分析云圖

管道沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，如果鋼板樁拔出時(shí)發(fā)生大量土體明顯附著在樁身上，導(dǎo)致土體損失，將最終造成明顯的管道沉降，其理論數(shù)值將是不帶土拔出情況的5～10倍。

表4 土體損失導(dǎo)致管道沉降量計(jì)算結(jié)果

3.3 管道上部回填料松散引起的自密實(shí)壓縮變形

管道上部回填材料主要為管道周邊及管頂?shù)乃缮⒉牧?，本工程采用中粗砂，管頂?00 mm以上為正?；靥顖?chǎng)地原土。按設(shè)計(jì)要求，平均密實(shí)度為0.93。

地表沉降曲線可簡(jiǎn)化為拋物線(見(jiàn)圖6)，h即為地表最大沉降值，L為管道溝槽寬度，H為管道以上部分回填料厚度。

填料變形密實(shí)后質(zhì)量保持不變，體積與密度成反比，密度和密實(shí)度成正比，所以體積V與密實(shí)度λ成反比，即式(3)成立∶

式中：λ1、V1分別為沉降發(fā)生前填料密實(shí)度和體積(見(jiàn)式(4))；λ2、V2分別為沉降發(fā)生后填料密實(shí)度和體積(見(jiàn)式(5))。假設(shè)當(dāng)填料密實(shí)度λ2=0.93時(shí)，不再發(fā)生后續(xù)自密實(shí)。

可由上式推導(dǎo)得地表最大沉降值h，見(jiàn)式(6)。

本工程中取值溝槽寬度L=3.50 m，管道埋深5.2 m，管道以上回填料厚度H=3.8 m，回填料密實(shí)度λ和地表最大沉降值h對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)當(dāng)回填料密實(shí)度為0.85～0.86時(shí)，地表最大值可達(dá)到400 mm以上。需要指出的是，雖然變形沉降量較大，但不會(huì)發(fā)展到管道位置，主要表現(xiàn)為地表土體沉降。

4 減少管道沉降相應(yīng)對(duì)策

圖7 回填料密實(shí)度λ和地表最大沉降值h對(duì)應(yīng)關(guān)系

造成本工程管道沉降的原因可大致分為溝槽開(kāi)挖卸土后底部土體回彈變形，振動(dòng)拔樁造成的土體損失及擾動(dòng)，土體擾動(dòng)后重新固結(jié)沉降長(zhǎng)期作用等幾方面。采取適當(dāng)措施可將其控制在一定范圍內(nèi)，具體措施如下：

(1)考慮到管道溝槽底部回彈變形，應(yīng)盡量減少溝槽開(kāi)放暴露時(shí)間，減少對(duì)土體的擾動(dòng)，可根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)在排管過(guò)程中“預(yù)拋高”處理。

(2)拔樁過(guò)程中可采用跟蹤注砂漿的方式補(bǔ)償拔樁造成的土體損失。也應(yīng)盡可能采用靜力拔樁的方式拔除，避免振動(dòng)擾動(dòng)造成土體損失。

(3)管道溝槽設(shè)計(jì)方面可適當(dāng)增大溝槽寬度，避免鋼板樁距離過(guò)近造成擾動(dòng)增強(qiáng)，鋼板樁入土深度不宜過(guò)深。

5 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐中市政排水管道施工過(guò)程中土體沉降客觀存在。發(fā)生沉降因素涉及方方面面，主要和管道鋪設(shè)施工過(guò)程有關(guān)，總結(jié)起來(lái)主要以下幾點(diǎn)：

(1)溝槽卸土后底部土體回彈因回填料壓重引起壓縮變形引起管道沉降；

(2)溝槽開(kāi)挖圍護(hù)樁打、拔擾動(dòng)及土體損失引起變形。

只要根據(jù)這些主要問(wèn)題采取了合理的應(yīng)對(duì)措施，相信在市政排水管道工程中管道工后沉降可以得到有效控制，滿(mǎn)足其使用功能要求。

［1］ GB50332-2002,給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

［4］ 上海市排水管道通用圖PSAR-D-01-92［Z］.上?！蒙虾Ｊ谐鞘薪ㄔO(shè)設(shè)計(jì)院,1992.

［5］ 朱炳寅,婁宇,楊琦.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法及實(shí)例分析(第二版)［M］.北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2013.

TU992.2

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1009-7716(2015)08-0090-04

2015-06-01

楊濱(1982-)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事市政給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。