土工合成材料在市政管道工程中的應用

2010-07-25 06:11:18浮霄菊史志利

天津建設科技 2010年5期

□文/高艷浮霄菊史志利

近年來，市政管道工程，特別是軟土、流砂地質地區修建的市政管道工程，經常出現管口脫開漏水、路面塌陷、盲溝管淤堵等問題，維修工作耗費大量的人力、物力和財力。究其原因，軟土地區的管道出現問題大多是由于采用砂石基礎的柔性接口管道在相對較差的地基條件下，后期不均勻沉降導致管道接口破壞漏水；流砂地質條件下管道的問題大多是由于施工期間降水措施不當對地基土的擾動而引起的。天津地區配合修路，管槽大多回填碎石料，級配不良時，隨地下水位變動周圍土體顆粒充填碎石孔隙進而擾動地基，嚴重的會引起路面塌陷。土工合成材料是以人工合成的聚合物（如塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成的產品，置于土體內部、表面或各種土體之間，能發揮加強土體、排水、防滲、反濾、隔離和保護土體等作用。土工合成材料的迅速發展和廣泛的工程應用為解決市政管道工程的常見問題提供了新的途徑。

基礎加筋解決軟土區管道地基的承載力和不均勻沉降

管道加筋墊層的做法

濱海地區軟土地基分布廣泛，地基承載力低（一般均＜100 kPa），后期沉降量大且不均勻，沉降持續時間較長，特別是在一些新近吹填的近海區域進行市政基礎設施建設時這一問題尤其突出。目前在軟土地區修建市政管道，地基承載力很低時（＜70 kPa）多采用鋼筋混凝土基礎，地基承載力相對較低時（70 kPa≤f＜100 kPa），采用砂石基礎，其下超挖一定厚度的軟土，采用換填墊層法處理。而超挖地基對于開槽本來就困難的濱海地區，更是增加了難度且采用常規的換填墊層處理后，對控制管道的不均勻沉降效果并不明顯。

采用土工合成材料對軟土地基進行加筋處理，不僅可以減小超挖換填的厚度，而且在提高地基承載力的同時，對控制管道的不均勻沉降有明顯效果。其基本做法是在軟弱基土頂面鋪設200mm厚的中粗砂，其上鋪設土工織物，見圖1；然后再施做砂石基礎，鋪設管道。用于強化地基的土工合成材料可以選用土工格柵、土工網、土工筋帶、高強土工布等。

圖1 管道基礎加筋

加筋墊層對地基承載力的作用

加筋墊層可以提高地基承載力，其機理是荷載作用下墊層土料與筋材之間產生相對位移，界面上的剪應力使得土工合成材料中產生拉力，從而增加對土橫向變形的限制，同時處于受拉狀態的土工合成材料，起到張力膜的作用，可以大幅度提高了墊層的抗剪強度，從而提高地基承載力。

通常情況下，由于鋪設筋材而提高的地基承載力可以按下式計算

式中：△f——地基承載力，kN/m；

α——筋材拉力與水平面夾角，（°），取α=45°+φ/2，即筋材變形后沿朗肯主動滑動面方向，φ為墊層的內摩擦角；

N——筋材層數；

Tα——筋材的抗拉強度，kN/m；

θ——應力擴散角，（°）；

zn——最下一層筋材的深度，m；

Fs——地基承載力安全系數，一般可取2.5～3.0；

Du——滑動面的最大深度,一般Du不超過2倍基礎寬度，m。

加筋墊層對控制不均勻沉降的作用

當管道上部受荷不均勻或基底軟土分布不均勻，管道本身有發生不均勻變形的趨勢時，加筋墊層可以均化地基附加應力的分布，同時整體鋪設的筋材在限制土體橫向變形的同時受拉，起到張力膜的作用，從而減小管道結構的不均勻沉降。加筋墊層對不均勻沉降控制的定量計算，取決于所選用土工合成材料本身的抗拉強度、變形模量和延伸率。原則上，用于增加管道基礎地基承載力和減小不均勻沉降的墊層加筋材料，應選用拉伸強度高、模量大、延伸率小、蠕變性能低的土工合成材料。

溝槽鋪設土工合成材料防治流砂區管道病害

流砂土質區常見管道病害原因

流砂是一種地基發生滲透破壞的不良工程地質現象，是地下水滲流產生的滲流力對土體作用的結果。流砂現象發生、發展過程與土體自身組織結構條件、水力條件、滲流通道等因素有關。易產生流砂的土層一般需滿足如下條件：

（1）土的顆粒組成中，粘粒含量＜10%，粉粒含量＞75%；

（2）土的不均勻系數＜5；

（3）土的孔隙比＞0.75或孔隙率＞43%；

（4）處于飽和狀態，含水量＞30%；

（5）地層中粉土層或粉細砂層厚度＞25 cm。

一般來講，飽和、松散的砂土、粉土、粉砂地質易產生流砂現象。在砂性土層中，流砂是一個土體顆粒由細到粗、由少到多的漸進過程；而在粉砂、粉土層內，由于其滲透系數較小，往往表現為突然產生的流砂或塑性泥流。

在流砂土質區，特別是地下水位較高的情況下，明開槽鋪設市政管道時，其病害主要表現在2個方面。

（1）施工開槽期間，基坑支護和施工降排水的控制非常關鍵。基坑支護和降水措施不當，基槽底部、側壁滲漏處可能出現土體的跑冒流失，在降水井處，土中的粉粒、粉砂甚至細砂粒會隨地下水抽走。隨著土體顆粒的流失，管槽周邊的土體受到擾動，為將來地面的沉降留下隱患，更嚴重的情況會至使基坑工程施工條件惡化，邊坡塌方，附近已建成的工程會出現開裂、下沉。

（2）管道運行期間。天津地區為配合當年修路，溝槽的回填大多采用碎石料，如果管道砂石基礎及周邊回填的碎石料級配不良而導致孔隙率較大，在流砂地質條件下，施工結束后地下水位回升或其他原因導致的地下水位變動都會使周圍的土體顆粒隨滲透水流充填入管周碎石的孔隙內，擾動原狀的地基土。當管道出現脫口、局部破裂時，土體顆粒會沿縫隙進入管道，隨管道內的水流不斷流失，掏空管周土體，導致地面沉陷甚至影響周邊建筑物。

應用土工合成材料解決溝槽回填病害的做法

易發生流砂的土質一般為粉土、粉砂土層，其地基承載力一般＞100 kPa，可以按照04S516《混凝土排水管道基礎及接口》選用砂石基礎。當場區地下水位較高、管上地面回填碎石料時，可以選用以下做法：沿槽底和側壁鋪設土工合成材料，其上施作砂石基礎，管側及管頂以上≮40 cm的范圍內回填級配良好的碎石料，密實度≮90%，土工合成材料應在回填的碎石料頂面搭接封閉，見圖2，其上按道路要求回填。此處土工合成材料主要起反濾、保土作用，一般可以選擇有紡或無紡土工織物，土工織物的質量宜為300～500 g/m2。

圖2 管道溝槽回填

土工合成材料的選擇

用于反濾、保土的土工合成材料應具有以下功能：保土性，防止被保護土土粒隨水流流失；透水性，保證滲流水通暢排走；防堵性，防止材料被細土粒堵塞失效。用于流砂地質區包覆溝槽回填的土工織物，保土性和防堵性是關鍵的控制指標。

為滿足保土性要求，所選用土工織物應符合

式中：O95——所選土工織物的等效孔徑，mm；

d85——場地土的特征粒徑，mm，按土中小于該粒徑的土粒質量占總土粒質量的85%確定；

B——按工程經驗確定的系數，宜按1～2采用，土中細粒含量高時取小值。

為滿足透水性要求，所選用土工織物應符合

式中：kg——所選土工織物的垂直滲透系數，cm/s；

ks——場地土的垂直滲透系數，cm/s；

A——按工程經驗確定的系數，不宜＜10。

為滿足防堵性要求，所選用土工織物應符合

式中：GR——所選土工織物與現場土料制成試樣進行淤堵試驗所得的梯度比，當細粒土中粉粒含量不是很大時，針刺土工織物和扁絲機織物一般均可滿足此項要求。

土工合成材料用于盲溝排水

在地道、擋土墻、填埋場庫區、明開槽施工降水等工程中，經常會遇到盲溝排水。傳統的盲溝排水做法是在濾水管的周圍回填級配良好的砂石料作為反濾層。實踐表明，由于盲溝管斷面較小，施工期間反濾料的級配很難控制，很多工程運行時間不長盲溝管就出現堵塞。天津地區濾水管大多采用水泥礫石管，該管材本身強度較低，管道鋪設和上部土層碾壓期間容易破損；此外級配不良的反濾層起不到反濾效果，大量土體顆粒隨地下水的流動充填濾料和濾水管的孔隙，這些情況都容易導致盲溝排水失效。

應用土工合成材料的排水盲溝基本做法

近些年，隨著土工合成材料的迅速發展，新產品不斷出現，目前組合使用塑料盲溝管材和土工織物用于盲溝排水在工程中已有應用，塑料排水盲溝管孔隙率最大可達90%，抗壓能力和適應不均勻變形能力強，結合土工布良好的反濾功能，一種比較可靠的做法是沿槽底和側壁鋪設土工合成材料，其上鋪設10 cm級配砂石料，鋪設塑料盲溝管材，回填級配砂石料至管頂以上15 cm，土工合成材料在回填的級配砂石料頂面搭接封閉，見圖3，其上按工程要求回填。此處土工合成材料主要起反濾、保土作用且應具有良好的排水能力。當工程要求比較高時，建議在排水管的外側再包覆一層土工織物，目前也有土工布與塑料盲溝管復合的成品管材。