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，各類市政管線累計(jì)總長(zhǎng)度已達(dá)數(shù)十公里(見圖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)間開口變形的限制，鋼筋混凝土管道對(duì)沉降較敏感，見圖2。

圖2 鋼筋混凝土管道變形開裂風(fēng)險(xiǎn)示意

本工程較先開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挖影響，基坑開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)于管道溝槽開挖，根據(jù)埋深常采用放坡大開挖、鋼板樁圍護(hù)、拉森鋼板樁圍護(hù)開挖等幾種形式，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?。?/p>

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牧希竟こ滩捎弥写稚?，管頂?00 mm以上為正常回填場(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(見式(4))；λ2、V2分別為沉降發(fā)生后填料密實(shí)度和體積(見式(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)系見圖7?？梢姰?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。