地面沉降對(duì)給排水管道變形的影響

周 超， 嚴(yán)天宇， 王永泉， 趙 雨

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京210000)

給排水系統(tǒng)是城市中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與城市雨水排放、污水處理等密切相關(guān)[1-3]。受地質(zhì)條件影響，城市部分地面會(huì)發(fā)生沉降現(xiàn)象，由于給排水管道位于地表以下，地面沉降易對(duì)其穩(wěn)定性造成危害，如何避免沉降對(duì)給排水系統(tǒng)造成影響成為給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問題[4-6]。本文對(duì)某工程區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)與沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，以此為基礎(chǔ)建立工程區(qū)土層的數(shù)值模型，對(duì)土層種類、厚度與沉降量的關(guān)系進(jìn)行模擬分析。通過層次分析法確定給排水系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)各影響因素的權(quán)重，計(jì)算出工程區(qū)內(nèi)適宜設(shè)置給排水管道的區(qū)域，為工程區(qū)給排水系統(tǒng)規(guī)劃提供參考。

1 工程區(qū)地層特征

某工程位于河流周邊地區(qū)，工程開發(fā)地區(qū)根據(jù)街道劃分，每個(gè)劃分區(qū)域面積在0.6～2.6 hm2內(nèi)，開發(fā)地區(qū)總量為47個(gè)。本研究將開發(fā)中的影響因素列出，詳細(xì)分析其重要性，對(duì)開發(fā)區(qū)域進(jìn)行全面規(guī)劃。

對(duì)工程區(qū)的勘測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，據(jù)此建立數(shù)值模型。根據(jù)58個(gè)勘測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)勘測(cè)點(diǎn)地層的相關(guān)地質(zhì)條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為數(shù)值模擬提供了詳盡的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。分析地質(zhì)數(shù)據(jù)得出，工程區(qū)地層呈二元特性，地層10 m內(nèi)的軟土層厚度差異較大，在2～9 m內(nèi)變化，分布較為廣泛。黏土層一般在9～26 m內(nèi)分布，26 m以下為砂土層，厚度較大，可為樁基提供適宜的承載環(huán)境。由于工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境多樣，土層分布不均勻，該地區(qū)地面沉降情況較為復(fù)雜。根據(jù)往年沉降量數(shù)據(jù)，該地區(qū)差異沉降量為27 mm。

2 地面沉降與管道變形的數(shù)值模擬

2.1 模型建立

分析工程區(qū)勘查資料可得，土層從上至下依次為素土—粉質(zhì)黏土—淤泥質(zhì)黏土—粉質(zhì)黏土—砂土，土壤種類與物理性質(zhì)如表1所示。

表1 工程區(qū)土類的物理性能Tab.1 Physical properties of soil in engineering area

根據(jù)真實(shí)土層順序建立2D有限元模型，模型包括5類土層，深50 m，長(zhǎng)600 m。利用直徑1 m的鋼管模擬給排水管道，將其作為多段簡(jiǎn)支梁設(shè)置，彈性模量賦值209 GPa，模型底面邊界設(shè)置豎直與水平約束，橫向邊界設(shè)置水平約束。

2.2 數(shù)值模擬

取數(shù)值模擬中模型自西向東的6個(gè)特征點(diǎn)作為分析對(duì)象，特征點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示，特征點(diǎn)位置與沉降量、土層厚度的關(guān)系如圖1所示。

綜合分析圖1與表2，模型的沉降量在0.34～0.39 m內(nèi)，特征點(diǎn)0處豎向位移最大，為0.39 m，說明此處沉降量最大。由西向東，沉降量大致呈降低趨勢(shì)，同時(shí)西側(cè)的沉降量總體大于東側(cè)。這與往年的沉降量勘查數(shù)據(jù)相符合，由于西側(cè)土層結(jié)構(gòu)分布較為復(fù)雜，尤其是砂土層厚度較大，土壤黏聚力較小，砂土層下的地下水過量抽取會(huì)對(duì)地面沉降造成較大影響。

將工程區(qū)的土層特點(diǎn)與表2中數(shù)據(jù)結(jié)合，可對(duì)土層與沉降量關(guān)系進(jìn)行分析。特征點(diǎn)0處砂土層厚度較大，此處沉降量為最大值；特征點(diǎn)390處沉降量發(fā)生了突變，這是由于此處軟土層厚度過大，其滲透性差、強(qiáng)度較低且壓縮量大，導(dǎo)致地面沉降量不穩(wěn)定。對(duì)于二元分布特性的土層，砂土與軟土自身特性對(duì)地面沉降會(huì)造成較大影響，在設(shè)計(jì)給排水管道時(shí)是需要重點(diǎn)關(guān)注的因素。

數(shù)值模擬中給排水管道為剛性材料，其并未隨土層沉降而發(fā)生較大變形，在實(shí)際條件下當(dāng)土層發(fā)生較大沉降時(shí)，管道往往會(huì)因此發(fā)生脆性破壞。

表2 特征點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果Tab.2 Numerical simulation results of feature points

圖1 不同位置的沉降量和土層厚度Fig.1 Settlement amount and soil thickness at different sites

2.3 給排水管道受沉降影響的破壞機(jī)理分析

本模型中，給排水管道設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的剛性管道，其一端與給排水設(shè)施相連，設(shè)置于半無限的二元土層表面。土層產(chǎn)生的沉降會(huì)引起管道的沉降。管道上方會(huì)受到車輛、行人等垂直荷載，下方由土層提供豎向支撐。當(dāng)土層發(fā)生沉降時(shí)，管道受支撐力減小，當(dāng)沉降量達(dá)到一定程度時(shí)，管道遠(yuǎn)離連接點(diǎn)的一端會(huì)產(chǎn)生較大位移，從而使連接端產(chǎn)生較大應(yīng)力，導(dǎo)致管道破壞。

3 工程區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)方案

工程區(qū)地下土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響給排水管道運(yùn)行質(zhì)量的因素較多，在進(jìn)行管道規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)因素?；趯哟畏治龇ǎ瑢?duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行加權(quán)處理，綜合考慮各項(xiàng)因素的影響，為工程區(qū)給排水管道設(shè)計(jì)提供參考。

層次分析法是將影響事件的相關(guān)因素從方案、準(zhǔn)則、目標(biāo)等方面進(jìn)行分解，并對(duì)其進(jìn)行定量和定性分析的決策方法。將工程區(qū)中給排水管道設(shè)計(jì)因素進(jìn)行分解：方案層面為鉆孔土壤性質(zhì)資料，準(zhǔn)則層面為開挖穩(wěn)定性以及管道運(yùn)行安全性，目標(biāo)層面為管道設(shè)計(jì)方案。將各因素的重要性進(jìn)行比較，建立對(duì)比矩陣，通過計(jì)算確定最佳權(quán)重。

考慮管道鋪設(shè)時(shí)基坑開挖中的影響因素，基坑側(cè)壁與底坑均需要一定的穩(wěn)定性，故二者的權(quán)重相當(dāng)，對(duì)其賦予相同權(quán)重值?；娱_挖過程中，軟土層對(duì)基坑側(cè)壁的影響較大，軟土層厚度與側(cè)壁穩(wěn)定性有較大的相關(guān)性。對(duì)于基坑底部，頂板埋深會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性造成較大影響，故其與軟土層厚度取相同權(quán)重。

在給排水管道運(yùn)行過程中，沉降、地下水與振動(dòng)均會(huì)對(duì)管道穩(wěn)定性造成影響。沉降在工程區(qū)屬于常見地質(zhì)危害，會(huì)對(duì)管道穩(wěn)定性造成很大影響；地下水對(duì)管道有一定的腐蝕作用，但影響較??；振動(dòng)會(huì)對(duì)地質(zhì)穩(wěn)定性造成一定危害，對(duì)管道運(yùn)行穩(wěn)定性有較大影響。綜上，給排水管道設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的評(píng)價(jià)因素包括軟土層厚度、粉土層厚度、軟土頂板埋深、填土底板埋深與地下水腐蝕作用。

根據(jù)層次分析法將評(píng)價(jià)因素進(jìn)行賦值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 層次分析法評(píng)價(jià)要素權(quán)重Tab.3 Evaluation factor weight based on analytic hierarchy process

根據(jù)表3中的評(píng)價(jià)因素權(quán)重值，通過計(jì)算得出給排水系統(tǒng)鉆孔的綜合評(píng)價(jià)值：

式中，Ui為第i個(gè)鉆孔給排水評(píng)價(jià)值；Rij為第i個(gè)鉆孔第j個(gè)因素權(quán)重；rij為第i個(gè)鉆孔第j個(gè)因素分項(xiàng)值。

綜合評(píng)價(jià)值可對(duì)工程區(qū)給排水管道規(guī)劃提供參考，對(duì)鉆孔位置的運(yùn)行安全與穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)，計(jì)算出的綜合評(píng)價(jià)值越大說明位置越適宜。據(jù)此，可對(duì)工程區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)分區(qū)。

Ⅰ區(qū)：該區(qū)域非常適宜作為給排水管道設(shè)置區(qū)。該區(qū)域在基坑開挖時(shí)可保證坑底與側(cè)壁的穩(wěn)定性，同時(shí)在給排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)安全性較高。

Ⅱ區(qū)：該區(qū)域較為適宜作為給排水管道設(shè)置區(qū)。該區(qū)域在基坑開挖時(shí)可能出現(xiàn)少量穩(wěn)定性問題，管道運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生少量地質(zhì)問題。

Ⅲ區(qū)：該區(qū)域不適合作為給排水管道設(shè)置區(qū)。該區(qū)域在基坑開挖時(shí)需要較多支護(hù)，同時(shí)在給排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生較多沉降、振動(dòng)等問題。

綜合分析認(rèn)為，對(duì)于工程區(qū)，Ⅰ區(qū)為最優(yōu)先考慮的給排水系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域，其次為Ⅱ區(qū)，一般不考慮將Ⅲ區(qū)作為給排水系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域。

4 結(jié)論

① 根據(jù)工程區(qū)實(shí)際勘查數(shù)據(jù)，對(duì)不同鉆孔的沉降量與土層數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并據(jù)此建立了數(shù)值模型，對(duì)工程區(qū)沉降量與區(qū)域的關(guān)系進(jìn)行模擬研究。

② 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)土層厚度與沉降量關(guān)系進(jìn)行分析，確定了不同土層類型和厚度對(duì)地面沉降的影響。

③ 對(duì)給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過層次分析法確定了5個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，并根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算公式將工程區(qū)劃分了三個(gè)層次的給排水系統(tǒng)規(guī)劃區(qū)域。