大面積堆載對(duì)管線的沉降影響及保護(hù)途徑

鄒 燕，李永生

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 工程概況

本次所研究的工程位于長(zhǎng)江三角洲，因?yàn)榻ㄔO(shè)需求，需要沿著長(zhǎng)江大堤建設(shè)一座堤內(nèi)水庫(kù)，該水庫(kù)的面積為2 211 km2，外側(cè)的堤壩長(zhǎng)度是2 129 m。其中的一部分堤壩需要在本市正在運(yùn)營(yíng)的六條取水管線之中橫跨，所以壩體和管線之間就形成了十字交匯形式。具體情況如圖1所示。

圖1 壩體和管線交匯平面圖

在與該壩體交匯的六根管線之中，有CN1600管線2組，每組2根，管中心的標(biāo)高是-5.50，中心間距是18.8 m，DN1800管線兩根，管中心的標(biāo)高是-6.20，中心間距是19.2 m。在交匯區(qū)域之內(nèi)，堤壩的斷面屬于對(duì)稱性的三級(jí)邊坡，堤壩頂部的高程是7.3 m，堤壩寬度是8 m。在堤壩的內(nèi)外都進(jìn)行了三級(jí)邊坡以及二級(jí)平臺(tái)的設(shè)置。堤壩內(nèi)外坡以及平臺(tái)高程都是2 m，寬度都是10 m，二級(jí)平臺(tái)高程都是4.5 m，寬度都是5 m，內(nèi)外坡的坡度都是1∶3，壩基高程是0，具體情況如圖2所示。

圖2 堤壩斷面圖

2 大面積管線堆載對(duì)管線沉降的影響

在堤壩壩體和管線之間交匯的區(qū)域之內(nèi)，淤泥質(zhì)重粉質(zhì)土的分布十分廣泛，且這種土質(zhì)有著較大的壓縮性，因?yàn)榇颂幵瓉?lái)已經(jīng)進(jìn)行了飲水管線的建設(shè)，并正處于正常的運(yùn)行之中，所以在該堤壩的施工過(guò)程中，就應(yīng)該按照非跨管段的施工方式進(jìn)行地基處理，通過(guò)塑料排水板加堆載預(yù)壓的方法進(jìn)行處理。在壩體的堆載作用之下，為保障管線的正常運(yùn)行，施工單位應(yīng)該對(duì)管線變形加以合理控制，并通過(guò)科學(xué)的方式來(lái)計(jì)算其變形量。

在具體的計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)三級(jí)邊坡，可以將堤壩看作是三級(jí)邊坡的對(duì)稱形式，其高程分別是7.3、4.5、2 m。壩基下面管道的附加應(yīng)力分別是180、120、70 kN/m2。在進(jìn)行壩基總沉降量的計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)該采用分層總和的方法，其公式為：

式中，第i層土厚度用hi來(lái)表示，m；最終的沉降量用S來(lái)表示，m；地基的沉降修正系數(shù)用m來(lái)表示；地基壓縮層計(jì)算范圍之中的土分層數(shù)用n來(lái)表示，基礎(chǔ)底面之下第i層土在其自身重力作用下的壓縮曲線孔隙比用e1i來(lái)表示；基礎(chǔ)底面之下第i層土在其自身重力以及負(fù)荷應(yīng)力之下壓縮曲線最終孔隙比用e2i來(lái)表示[1]。將各個(gè)管線附近的勘測(cè)點(diǎn)作為計(jì)算點(diǎn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)果如表1所示。

表1 沉降量計(jì)算結(jié)果 單位：mm

通過(guò)表1可以看出，管線所在的區(qū)域之中，壩體最大的沉降量是910 mm，其與之對(duì)應(yīng)的原管線沉降量是600 mm，這與實(shí)際的安全運(yùn)營(yíng)需求不符合，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，原來(lái)管線的安全變形值不應(yīng)該超過(guò)100 mm?；谶@一情況，在具體施工之中，就一定要對(duì)跨堤管線所在的范圍做好保護(hù)，在本次工程之中，每一根管線與堤壩的交匯段長(zhǎng)度都大約在110 m左右[2]。

3 結(jié)構(gòu)加固處理方案

為了有效降低大面積管線堆載對(duì)管線受力情況的影響，避免管線變形，相關(guān)單位在施工之中就應(yīng)該將管線的沉降量控制在100 mm以內(nèi)。為達(dá)到這一目標(biāo)，本文主要對(duì)三種加固處理的方案進(jìn)行對(duì)比：

1)預(yù)制樁、承臺(tái)和預(yù)制蓋板的加固處理方案。將鋼筋混凝土承臺(tái)修建在堤壩下的管道上方，通過(guò)混凝土預(yù)制樁對(duì)承臺(tái)進(jìn)行支撐，并對(duì)來(lái)自于管道上方的主要荷載進(jìn)行承擔(dān)。具體施工過(guò)程中，可以沿著管線的縱向，在管線兩側(cè)各打一排預(yù)制樁，預(yù)制樁直徑為1 000 mm。這種方案的施工方法比較簡(jiǎn)單，工期比較短，施工速度快，但是在施工過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致管道兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力突變情況，進(jìn)而引起管道的徑向變形。且因?yàn)楣芫€處在預(yù)制樁的中上部，預(yù)制樁需要沿著管線的方向進(jìn)行施工，所以為了對(duì)沉樁造成的周圍土體應(yīng)力變形影響作出準(zhǔn)確計(jì)算，可以采用圓柱形孔的擴(kuò)張理論對(duì)預(yù)制樁施工和原來(lái)管線之間的安全距離進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 圓柱形孔的擴(kuò)張理論模型圖

在對(duì)塑性區(qū)域半徑進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，可以應(yīng)用以下的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，土模量用E來(lái)表示;樁半徑用r來(lái)表示;土泊桑比用μ來(lái)表示;樁周圍飽和圖不排水抗剪強(qiáng)度用Cu來(lái)表示[3]。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，塑型區(qū)的半徑應(yīng)該在7.2 m左右。要想滿足施工過(guò)程中預(yù)制樁和管線之間的安全距離，上部的承臺(tái)和預(yù)制板就應(yīng)該和大地之間建立起比較大的剛度構(gòu)件，預(yù)制樁的長(zhǎng)度也會(huì)很長(zhǎng)，這樣的情況就會(huì)進(jìn)一步加大預(yù)制樁施工過(guò)程中的偏斜風(fēng)險(xiǎn)。

2)灌注樁和承臺(tái)加預(yù)制板的加固處理方案。將鋼筋混凝土承臺(tái)修建在堤壩下的管道上方，通過(guò)混凝土灌注樁對(duì)承臺(tái)進(jìn)行支撐，并對(duì)來(lái)自于管道上方的主要荷載進(jìn)行承擔(dān)。具體施工過(guò)程中，可以沿著管線的縱向，在管線兩側(cè)各打一排預(yù)制樁，預(yù)制樁直徑為600 mm。因?yàn)檫@種方案所應(yīng)用的是灌注樁，而不是擠土樁。所以通過(guò)這一方案的應(yīng)用，可以有效解決上述方案施工過(guò)程中對(duì)原來(lái)管線的不利影響，施工過(guò)程中，灌注樁和管線之間的距離只有2.5 m，這就在很大程度上縮短了承臺(tái)和預(yù)制板的跨度，并保障了樁長(zhǎng)徑比的合理性，可有效控制專輯施工過(guò)程中對(duì)管線所代帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，且實(shí)現(xiàn)工程造價(jià)的進(jìn)一步節(jié)約。但是在該方法的應(yīng)用過(guò)程中，灌注樁的成樁時(shí)間比較長(zhǎng)，且需要很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行水下養(yǎng)護(hù)。

3)復(fù)合地基的加固處理方案。在原有管道兩側(cè)20 m范圍之內(nèi)，通過(guò)高壓旋噴樁和水泥土攪拌樁來(lái)進(jìn)行壩基土地的加固處理，這樣就可以在此范圍之內(nèi)構(gòu)建起一個(gè)矩形的復(fù)合地基。在圍堤、平臺(tái)以上以及管道的兩側(cè)矩形投影范圍之內(nèi)，可以通過(guò)高壓旋噴樁來(lái)進(jìn)行加固處理，將其布置成正方形，樁與樁之間的距離是2 m，樁徑是600 mm，樁長(zhǎng)度是20 m，在剩余的范圍之內(nèi)，可以通過(guò)水泥土攪拌樁來(lái)進(jìn)行加固處理，將其布置成梅花形，樁與樁之間的距離是2 m，樁直徑是600 mm，樁長(zhǎng)度是20 m。這種方案的施工十分簡(jiǎn)單，但是在施工過(guò)程中，為了讓土體所受到的負(fù)荷得到合理控制，就需要對(duì)壓縮模量做出較大的處理，保障其沿線的埋設(shè)深度一致。但是因?yàn)楸敬喂こ痰乃畮?kù)壩體屬于階梯狀壩體，所以就有著比較大的附加應(yīng)力，這樣的情況就很容易導(dǎo)致理論沉降計(jì)算和實(shí)際沉降都存在誤差。

通過(guò)對(duì)以上三種加固處理方案的對(duì)比分析，并結(jié)合本次工程的實(shí)際情況，施工單位最終確定用第二種方案進(jìn)行本次工程的加固處理。因?yàn)樵摲桨傅娘L(fēng)險(xiǎn)性最低，且經(jīng)過(guò)沉降監(jiān)測(cè)和管線變形監(jiān)測(cè)可知，通過(guò)該方案進(jìn)行加固處理，壩體的實(shí)際變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值十分接近。由此可見(jiàn)，該方案在本次工程之中十分適用。

4 加固處理方案的優(yōu)化措施

1)優(yōu)化方案一。為實(shí)現(xiàn)工程造價(jià)的合理控制，在具體方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到平臺(tái)標(biāo)高不同所施加到管線上的附加應(yīng)力也有所不同，所以在樁長(zhǎng)的選擇上也應(yīng)該有所不同，并注意布設(shè)的合理性，進(jìn)而讓管線的縱向理論變形值和相關(guān)規(guī)程的允許曲率盡量接近，允許曲率半徑是3 000D以上[4]。具體情況如圖4所示。

圖4 布樁斷面圖

同時(shí)，在施工過(guò)程中，也需要在承臺(tái)板之下的左右兩側(cè)各預(yù)留出大約20 cm的預(yù)沉降層，這樣就可以對(duì)堤壩下沉帶給原來(lái)管線的影響起到一個(gè)抵消作用，并將堤壩原來(lái)的計(jì)算沉降量放寬，使其從原來(lái)的10 cm放大到25 cm，通過(guò)沉降層來(lái)抵消增量，這樣就可以將管線的最大變形值控制在100 mm以下。

2)優(yōu)化方案二。因?yàn)閴误w的施工以及管線的保護(hù)都需要在臨時(shí)性的圍堰之內(nèi)進(jìn)行，所以在具體的施工過(guò)程中，為保障圍堰高度和長(zhǎng)江低潮水位要求相符，一次來(lái)實(shí)現(xiàn)施工成本的最大化節(jié)約，施工單位可以分別按照Φ600和Φ800這兩種樁徑進(jìn)行布樁，以此來(lái)對(duì)管線進(jìn)行保護(hù)，并合理比較工程的綜合費(fèi)用。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工分析發(fā)現(xiàn)，雖然應(yīng)用直徑為Φ600的灌注樁會(huì)比應(yīng)用直徑為Φ800的灌注樁節(jié)約很多的費(fèi)用，但是因?yàn)棣?00的基樁數(shù)量比較少，且施工工期比較短，可以在長(zhǎng)江低水位的季節(jié)之內(nèi)完成施工，這樣就可以節(jié)約更多的費(fèi)用。

因此，通過(guò)綜合考慮，在本次工程之中，應(yīng)用直徑為Φ800的灌注樁進(jìn)行加固處理，壩體的高程分別是7.3、4.5、2 m，其平臺(tái)所對(duì)應(yīng)的灌注樁長(zhǎng)度分別是38、28、18 m，樁基的承臺(tái)梁在樁頂縱向設(shè)置，其跨度是1 m，高度是0.8 m。根據(jù)堤壩的分級(jí)將其劃分成六段，將旋噴止水的間距預(yù)留在承臺(tái)中心，并將單向的現(xiàn)澆筑平臺(tái)板設(shè)置在承臺(tái)梁上，厚度是1 m，高度是0。在承臺(tái)下部的左右兩側(cè)各預(yù)留出大約200 mm的沉降層，樁基中心的最大沉降值是255 mm。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本次以某實(shí)際工程為例，分析了大面積堆載管線對(duì)沉降的影響，并通過(guò)不同方案的比對(duì)來(lái)確定了合理的保護(hù)措施，同時(shí)也對(duì)該保護(hù)措施的優(yōu)化方案進(jìn)行了分析。該工程已經(jīng)完成了近兩年時(shí)間，通過(guò)每個(gè)月的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，管線位置的沉降量與相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)完全相符，管線運(yùn)行一切正常。希望本次的分析可以為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供出一定的幫助。

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