沿海灘涂地區(qū)供水管道軟基處理方法

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(1.日照市供水工程管理處， 山東日照 276800; 2.山東建筑大學(xué)， 濟(jì)南 250012；3.日照市三聯(lián)調(diào)水有限公司， 山東日照 276800)

沿海灘涂地區(qū)供水管道軟基處理方法

梁其東1,2，韓淑婷3，張鑫3

(1.日照市供水工程管理處， 山東日照 276800; 2.山東建筑大學(xué)， 濟(jì)南 250012；3.日照市三聯(lián)調(diào)水有限公司， 山東日照 276800)

針對沿海灘涂地區(qū)土質(zhì)松軟、土壤含水量大、流動性強、滲透性差、地基承載力低的特點,結(jié)合濱州北部沿海地區(qū)供水工程輸水管線工程實際,介紹了灰土墊層法、換填墊層法、“土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)”處理法、拋石擠淤法和槽鋼鋼板樁支護(hù)法等灘涂地區(qū)軟弱管基處理方法，對類似地區(qū)軟基處理有很好的借鑒作用。

灘涂； 供水管道； 軟基處理； 方法探討

在給排水管道安裝中，通常采用直埋的方式，而直埋管道往往遇到軟弱地基問題。特別是在沿海灘涂地區(qū)，基礎(chǔ)土質(zhì)大多屬于軟弱的黏性土或淤泥質(zhì)黏性土,也就是工程上所謂的“軟土”、“ 翻漿土”、“彈簧土”，其設(shè)計、施工、維護(hù)等有其特殊性。為更好解決不良土質(zhì)條件下管道基礎(chǔ)的設(shè)計與施工問題，選用設(shè)計科學(xué)的方案與良好的施工措施都非常重要。筆者針對濱州北部沿海灘涂地區(qū)供水工程的設(shè)計、施工，提出了軟土地區(qū)管道基礎(chǔ)的處理與施工的方法。

1 工程概況

濱州市位于黃河下游、魯北平原，地處黃河三角洲尾閭，是黃河泛沖積平原區(qū)域。該區(qū)域松散層厚達(dá)3000m，多為砂土、亞砂土，地下水位高，該類土質(zhì)一般含水量均在30%～70%，在地震波作用下容易液化，使管道基礎(chǔ)減載、失載，普遍存在地基承載力不足和不均勻沉陷問題。濱州沿海灘涂地區(qū)軟基管線基礎(chǔ)占到總管道的80%以上，研究解決此類地區(qū)軟基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)，對于做好供水工程建設(shè)、節(jié)約建設(shè)投資、保障工程安全運行具有重要意義。

工程位于濱州市北海新區(qū)內(nèi),為城市主干供水管道，長79km，為生活、工業(yè)雙管線。工業(yè)管道采用DN1000離心球墨鑄鐵管和DN800PE管，生活管道采用DN800離心球墨鑄鐵管和DN600PE管。路寬40m,設(shè)計行車速度40km/h。其所在場地的原始地貌為海積階地,下臥有較厚的軟弱淤泥層,含水量高達(dá)95%,空隙比平均為1.8,飽和度為99%。該淤泥層在填土和路面荷載的作用下會有較大的沉降變形。

2 軟土基礎(chǔ)的特點

軟土通常是指在靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積的、天然含水量大、可壓縮性高、承載力低、透水性較差的一種軟態(tài)到流塑狀態(tài)的飽和黏性土。這種軟土層廣泛分布于我國沿海和內(nèi)陸地區(qū) ,一般沿河地帶軟土層厚 10m ,濱海地帶軟土層厚 30m。軟土是指天然孔隙比不小于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等；具有高壓縮性、低強度、高靈敏度和低透水性等特點。褐黃～灰褐色，可塑～硬塑，干強度高，韌性低，切面光滑，土質(zhì)較均勻，滲透系數(shù)K=0.8×10-5cm/s。該層層厚1.6～2.7m，平均層厚為2.1m,層頂標(biāo)高-0.5～-0.2m。管道基礎(chǔ)位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土透水性好，軟土地基的承載力較低，承受荷載后沉降變形較大，以軟土作為地基持力層或下臥層的給排水管道，如果地基處理不當(dāng)，很容易由于過度沉降或局部不均勻沉降而導(dǎo)致管道及接口處因變形過大引起滲漏。由于軟土層的以上特性,在軟土地基上敷設(shè)管道時,必須重視地基的變形和穩(wěn)定性問題。

3 軟土基礎(chǔ)對給水管道的影響

如果軟基礎(chǔ)處理不當(dāng)，安裝完畢的PCCP管、PCP管等管材在土壓力和外部荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉陷，極易造成管道接口脫開；SP管通過焊接連接，屬于剛性接口，如果軟基礎(chǔ)處理不當(dāng)，也很容易在外部荷載和土壓力作用下脫開致使管道失穩(wěn)，在最薄弱處產(chǎn)生破裂而漏水。在給水管道工程實踐中，軟基對其產(chǎn)生的損壞主要有:

a.在采用橡膠圈密封的承插口處，往往是橡膠圈被擠出；在采用打口方式的承插口處，接口易松脫發(fā)生漏水事故。

b.鋼管在焊接口處斷裂，裂縫一般為環(huán)向，呈中間大兩邊小的形狀。

c.管道伸縮節(jié)的接頭易被拉裂。

d.閥門的法蘭被拉裂或皮墊被損壞而造成漏水。

e.在局部有管渠交叉處，普通鑄鐵管或UPVC管易斷裂。

下表是濱州市2008～2011年因軟土地區(qū)管道地基下沉、土體側(cè)移或不均勻沉降而引起給水管道漏水事故情況的統(tǒng)計，其他軟土地區(qū)采用鋼管的區(qū)域也因軟基問題存在斷裂問題，說明軟基是造成管道漏水事故的主要原因之一。

給水管道漏水事故情況統(tǒng)計表

4 影響管道地基的因素

4.1 地基土強度及穩(wěn)定性

當(dāng)?shù)鼗恋目辜魪姸容^低、不足以支撐上部結(jié)構(gòu)自重和附加荷載時，地基就會產(chǎn)生局部或整體剪切破壞。

4.2 壓縮變形及不均勻沉降

當(dāng)?shù)鼗捎谏喜拷Y(jié)構(gòu)自重和附加荷載作用而產(chǎn)生過大的壓縮變形時，會引起管道整體或局部過量下沉，導(dǎo)致接口開裂，影響管道的正常使用。

4.3 地震或外力影響

4.4 流砂

當(dāng)管道的基礎(chǔ)持力層為粉土或粉砂時，由于管道周邊地下水降水不當(dāng)或管道本身產(chǎn)生滲漏，會引起管道周邊地下水壓力產(chǎn)生較大變化，當(dāng)管道滲漏量或地下水水力坡降超過容許值時，可能會導(dǎo)致地基土失穩(wěn)而對管道造成破壞。

5 軟基基礎(chǔ)的處理方法

5.1 灰土墊層法

灰土墊屋常被用于軟基基礎(chǔ)給水管道基礎(chǔ)的處理。一般適用于處理1～4m厚的軟弱土層。管道的基礎(chǔ)是條形基礎(chǔ)，作用于地基上的力也比其他建筑物小，而且是基槽開挖后埋入地下，表面的軟弱土部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)墊層來處理濕陷性地區(qū)的管道基礎(chǔ)，以提高承載力，減少沉降力?；彝翂|層是將基礎(chǔ)下面一定范圍內(nèi)的弱土層挖去，用一定體積比配合的灰土在最優(yōu)含水量情況下分層回填夯實(壓實)。

5.1.1 承載力的確定

經(jīng)過人工壓實(夯實)的3∶7灰土墊層，當(dāng)壓實系數(shù)控制在0.97及干土重度不小于14.5～15.0kN/m3時，其容許承載力可達(dá)300kPa以上。對于2∶8灰土，當(dāng)壓實系數(shù)控制在0.97及干土重度不小于14.8～15.5kN/m3時，其容許承載力可達(dá)300kPa。

5.1.2 灰土墊層材料配比

灰土中石灰用量在一定范圍內(nèi)，其強度隨灰土用量的增加而提高，但當(dāng)超過一定限值后，強度則增加很小，并且有逐漸減小的趨勢。1∶9灰土只能改善土的壓實性能，2∶8和3∶7灰土一般作為最優(yōu)含灰率，但與石灰的等級有關(guān)，通常應(yīng)以所含CaO+MgO總量達(dá)到8%左右為最佳?；彝林型敛粌H作填料用，而且參與化學(xué)作用，尤其是土中的黏?；蚰z粒具有一定活性和膠結(jié)性。含量越多，灰土強度越高，土粒粒徑不得大于15mm?；彝翂|層的施工，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)程進(jìn)行。

5.1.3 灰土的質(zhì)量檢驗

美國的基礎(chǔ)研究投入量居世界第一，從基礎(chǔ)研究體系構(gòu)成來看，美國的大學(xué)和聯(lián)邦實驗室為主要的研究主體，其次為產(chǎn)業(yè)和非營利機(jī)構(gòu)。從經(jīng)費的投入角度來看，2017財年，聯(lián)邦R&D經(jīng)費投入增至1 183億美元，較2016財年的1 150億美元增長了2.8%；其中基礎(chǔ)研究經(jīng)費保持穩(wěn)定，為323億美元，應(yīng)用研究經(jīng)費下降至342億美元，降幅為0.8%[14]。據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2017》顯示，在我國2016年的R&D投入中，基礎(chǔ)研究為822.9億元，應(yīng)用研究為1 610.5億元。總體來看，與美國相比，我國在基礎(chǔ)研發(fā)經(jīng)費的投入占比上有較大差距。

一般采用環(huán)刀取樣，測定其干土重度。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可按壓實系數(shù)確定，一般為0.93～0.95。管道基礎(chǔ)壓實系數(shù)一般采用0.95，不得小于0.90。

5.1.4 灰土墊層的厚度與濕陷變形的關(guān)系

墊層具有一定的厚度才能使?jié)裣萘孔畲筇幧喜客翆拥臐裣菪韵?，并由墊層擴(kuò)散到天然黃土層的附加力減少到某種程度，使浸入后的濕陷量減少。墊層的寬度則以溝槽寬度為依據(jù)，對于孔洞、溝澗、墓穴及其他回填土、淤土地區(qū)，墊層處理范圍要擴(kuò)大。

5.2 換填墊層法

換填墊層法是先挖去基坑下的部分或全部軟弱土，然后以砂石、素土、灰土和礦渣等強度較高的材料回填，置換基礎(chǔ)表層軟弱土，提高持力層的承載力、擴(kuò)散應(yīng)力，減少沉降量的處理方法。該方法適用于沿海灘涂淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基及暗溝、暗塘等的處理。對于處理Ⅰ級非自重濕陷性黃土，管徑不大的管道基礎(chǔ)可采用素土墊層。素土墊層是先挖去基坑下的部分或全部軟弱土，然后回填素土分層夯實，素土墊層的土料一般以黏性土為宜，填土必須在無水的管溝(基坑)中進(jìn)行。夯(壓)實施工時，應(yīng)使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(壓)實應(yīng)分層進(jìn)行，多層虛鋪的厚度可參照灰土墊層的虛鋪厚度。

5.3 “土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)”處理法

綜合分析稻湖區(qū)軟基礎(chǔ)狀況后，考慮其地下水位較高，溝槽開挖后涌水量大，根據(jù)工程特點和造價要求，無法采用井點降水方案，溝槽內(nèi)的涌水只能采用明排方式。因此，溝槽基礎(chǔ)處理要考慮材料的透水性，保證溝槽四周涌水及時排出，還要保證泥砂不隨涌水流走。石子具有很好的透水性和強度，但對淤泥流沙不具有反濾作用，而土工布具有良好的透水性和反濾作用，通過土工布能使石子形成一個整體。因此，利用土工布配合石子、中砂換填處理管道基礎(chǔ)，即采用“土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)”處理法。土工布是由聚丙烯、滌淪等材料制成的無紡布，常用于濕軟、沼澤地等基礎(chǔ)處理，其特點是機(jī)械性能好(如：抗拉強度不小于30MPa，抗彎強度不小于40MPa)、耐疲勞、彎曲性好。由于該工程地下水中往往滲有海水，可利用土工布電絕緣性能好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐腐蝕的特點，在管道槽底整平后先鋪設(shè)一道土工布，再將碎石倒入，可防止碎石陷入淤泥，使得下一道工序倒制混凝土基礎(chǔ)時，能形成一條完好的碎石墊層，確保了管道基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。

利用土工布的反濾功能，使溝槽底部的涌水順暢通過，阻止砂土顆粒隨水流流失，同時有利于溝槽涌水的排出。

“土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)” 處理法(見圖1、圖2)就是在溝槽開挖深度達(dá)到換填高程后，將土工布沿溝槽方向鋪設(shè)，垂直溝槽方向上土工布沿溝槽斜坡方向上長度要大于換填高度0.5m左右，縱向搭接長度不小于0.5m，鋪設(shè)后要及時在土工布上回填2～4mm石子，這樣保證了石子墊層的穩(wěn)定性，土工布的反濾效果也保證了溝槽底部涌水的及時排出?；靥畹氖拥焦艿装惭b高程-0.3m時用現(xiàn)場反鏟挖掘機(jī)壓實后回填中砂墊層，經(jīng)現(xiàn)場挖掘機(jī)壓實后達(dá)到設(shè)計管底高程，處理后的基礎(chǔ)承載力經(jīng)測算應(yīng)在200kPa以上，既保證了管道基礎(chǔ)均勻，也防止由于管道直接鋪在石子上產(chǎn)生的應(yīng)力對管材造成損傷。

圖1 “土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)”布置

圖2 “土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)”應(yīng)用

“土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)” 處理法綜合利用了換填法和拋石擠淤法，具有施工便捷和施工成本低等優(yōu)點，對于灘涂軟弱基礎(chǔ)、低洼淤泥流沙地區(qū)具有很好的借鑒作用。

濱州北海主干供水管道工程采用“土工—砂石復(fù)合基礎(chǔ)”處理法，順利完成了灘涂軟弱基礎(chǔ)、低洼淤泥流沙地帶軟基礎(chǔ)工程的管道安裝。

5.4 拋石擠淤法

拋石擠淤法是在有軟土或彈簧土以及有積水的路段填石頭，通過向流塑狀的高靈敏的淤泥表面大量集中拋填土石填料，依靠填筑體的自重，擠開淤泥，強制置換飽和軟土地基的地基處理方法(見圖3)。填石的高度以露出要處理的路段原有土層(或積水)高度為宜。在填石的過程中注意一定要用推土機(jī)把石塊壓實，不能出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象。

圖3 木樁與拋石擠淤法

對于軟基比較深的區(qū)域，通過現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在有淤泥流沙的情況下采用槐樹樁、砂袋和竹排支護(hù)方案，在木樁及拋石施工過程中，隨著壓樁與拋石壓實結(jié)合的不斷深入，可形成較好的擠密層，增大應(yīng)力擴(kuò)散角。

5.5 槽鋼鋼板樁支護(hù)法

鋼板樁圍護(hù)墻由槽鋼正反扣搭接或并排組成。槽鋼長6～8m,型號由計算確定。其特點是:?具有良好的耐久性,基坑施工完畢后可將槽鋼拔出回收再次使用；?施工方便，工期短；?在地下水位高的地區(qū)需采取隔水或降水措施；?濱州沿海灘涂地區(qū)流沙基礎(chǔ)管道工程，地下水豐富，淤泥流沙在溝槽內(nèi)成糊狀，具有沼澤地狀態(tài)，特別是在閥門井等構(gòu)筑物工程中采用這種方式更具有優(yōu)勢。見圖4。

圖4 槽鋼鋼板樁基坑支護(hù)

6 結(jié) 語

通過對濱州北部沿海灘涂地區(qū)軟弱管基處理技術(shù)的探索與實踐,提出的“土工—沙石復(fù)合基礎(chǔ)處理法”、“鋼板樁支護(hù)法”等處理方法施工便捷、成本低、質(zhì)量優(yōu)，在項目區(qū)取得了良好的效果，在確保了工程質(zhì)量的同時保證了工程安全運行。對于類似地區(qū)軟基處理也有較好的借鑒作用。★

[1] 陳擁軍.不良地質(zhì)條件下管道基礎(chǔ)處理與施工[J].廣東科技，2006(03).

[2] 胡天啟，李永華，劉芳.議幾種特殊地基的處理[J].科技信息，2008(29).

[3] 陳禮明，吳濤，盧秀華.不良地質(zhì)條件下管道地基的處理[J].中國給水排水，2004(04).

[4] 任鋒.不良地質(zhì)條件下給水管道基礎(chǔ)處理與施工[J].廣東建材，2005(12).

TreatmentMethodofWaterSupplyPipelineSoftGroundFoundationinCoastalBeachArea

LIANG Qi-dong1,2, HAN Shu-ting3, ZHANG Xin3

(1. Rizhao Water Supply Project Management Office, Rizhao 276800, China; 2. Shandong Jianzhu University,Jinan 250012, China; 3. Rizhao Sanlian Water Transfer Co., Ltd., Rizhao 276800, China)

Coastal beach area is characterized by soft soil, high soil water content, strong liquidity, poor permeability and low bearing capacity. Practical conditions of water transfer pipeline in coastal area water supply project in the north of Binzhou are used to introduce lime cushioning method, replacement cushioning method, ‘geotextile-gravel compound base’ treatment method, rock rip-rap displacement method, channel steel plate pile supporting method and other weak pipe foundation treatment methods in beach area aiming at the above features, thereby providing reference for soft foundation treatment in similar areas.

beach; water supply pipeline; soft foundation treatment; method exploration

TU521

A

1005-4774(2014)09-0011-04