灘涂區(qū)大口徑柔性管道基礎(chǔ)及回填設(shè)計淺析

徐震 孔維耀

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

引言

為滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及城市建設(shè)中運(yùn)輸、通信及交通等需求，需敷設(shè)地下管道進(jìn)行能源輸送、給水排水、纜線裝納等。地下管道常需穿越沼澤、河塘、出海口附近的軟土地基，而軟土地基條件差，管道的基礎(chǔ)設(shè)計和回填質(zhì)量尤為關(guān)鍵，一旦管道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞［1，2］，不僅影響工程安全運(yùn)行，也會引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害（如爆炸、污染物泄露等），造成城市癱瘓。

本文以某排水管道工程為例，分析闡述了灘涂區(qū)大口徑柔性管道基礎(chǔ)及回填的設(shè)計與應(yīng)用，為類似管道工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

上海市某污水處理廠永久排放管工程，總長度約7.44km，以高位井為界分為陸域部分和水域部分，陸域部分由三段組成，分別為主江堤內(nèi)開挖段、頂管穿主江堤段、主江堤外開挖段。其中，主江堤外開挖段位于新吹填的灘涂區(qū)內(nèi)，總長度為3.25km，見圖1。

圖1 主江堤外開挖段排放管平面布置示意Fig.1 Plane layout of discharge pipe in excavation section outside main river embankment

該段排放管為2根DN2400，采用耐腐蝕性能較好的離心澆筑球墨鑄鐵管，管中心距為4.40m，管道內(nèi)底標(biāo)高為-4.40m～-6.40m，管頂覆土為6.95m～8.95m，管道典型斷面見圖2。

圖2 管道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面Fig.2 Section of pipe foundation structure

本工程所在場地屬潮坪地貌類型，根據(jù)地勘報告，管道開挖深度及影響深度范圍內(nèi)土層的有關(guān)參數(shù)見表1。擬建場地淺部地下水屬潛水類型，年平均地下水水位埋深離地表面0.1m～1.6m。根據(jù)水文地質(zhì)勘查資料及勘察報告，⑦層為承壓含水層。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Computation parameters of soil

2 管道基礎(chǔ)設(shè)計

按照規(guī)劃，該段管道所在的灘涂區(qū)為應(yīng)急渣土消納區(qū)，待排放管施工完成后會不斷進(jìn)行大面積渣土回填，回填的高度近3.0m，DN2400的管道口徑較大，而渣土回填的范圍、時間、高度等因素均不確定，會導(dǎo)致管道完工后發(fā)生較大的不均勻沉降，從而引起管道發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。如考慮管道采用頂管方式施工，則管道至少需埋設(shè)在壓縮模量很大的土層中，否則仍會產(chǎn)生較大的不均勻沉降，從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，頂管方式不適宜本段管道工程。

若采用傳統(tǒng)大開挖埋管方式施工（簡稱“直埋”），雙管共溝槽，人工土弧基礎(chǔ)，溝槽兩側(cè)按照規(guī)范要求進(jìn)行回填，根據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS142：2002）［3］及《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268—2008）［4］，計算結(jié)果見表2。由表2可知，按照規(guī)范［4］進(jìn)行設(shè)計，管道的豎向直徑變形率（＞2%）和管道環(huán)向彎曲拉應(yīng)力（大于抗拉強(qiáng)度）均不能滿足規(guī)范［4］要求。同時，后期的渣土堆載引起管道的沉降量大，且堆載的隨意性勢必造成較大的不均勻沉降，直接影響日后的正常使用。

基于灘涂淤泥軟基和日后堆載的特點，需要對埋管進(jìn)行特殊處理，方能滿足規(guī)范［4］要求的強(qiáng)度、剛度和沉降要求，設(shè)計中采用了管槽基礎(chǔ)＋樁基的結(jié)構(gòu)形式（簡稱“管槽”）。管槽凈寬8.40m，凈高3.70m，壁厚0.50m，底板厚0.60m，內(nèi)部埋設(shè)管道，管道四周回填中粗砂；為了防止管道由于完工后大面積回填土導(dǎo)致不均勻沉降，管槽基礎(chǔ)下設(shè)置樁基，用于承載上部回填渣土的荷載。同樣，按照規(guī)范［3］進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)計算，其中，管側(cè)回填土壓實系數(shù)按95%取用，溝槽兩側(cè)原狀土可以認(rèn)為是管槽基礎(chǔ)，剛度較大。如表2所示，管道豎向直徑變形率為1.30%（＜2.0%）、管道環(huán)向彎曲拉應(yīng)力（小于抗拉強(qiáng)度）均能滿足規(guī)范［4］要求。

表2 管道結(jié)構(gòu)計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of pipeline structure

3 管槽基礎(chǔ)回填設(shè)計

3.1 回填參數(shù)確定

規(guī)范［3］針對球墨鑄鐵管在準(zhǔn)永久組合作用下的最大豎向變形給出了具體算法，管道基礎(chǔ)是人工土弧基礎(chǔ)，表2中管道豎向變形均是基于該前提條件下計算所得，但本段管道采用的是管槽基礎(chǔ)＋樁基的基礎(chǔ)形式，規(guī)范［3］中的算法不能完全匹配該種基礎(chǔ)形式?；炷凉懿鄣膭傂约s束區(qū)別于埋地管的土層約束，管底的回填厚度和槽內(nèi)不同區(qū)域的回填密實度是影響管道受力和變形的控制性指標(biāo)。借助有限元方法，建立數(shù)值模型來模擬柔性管道管槽回填，分析管道的變形和受力特性，確定合適的回填參數(shù)。

管槽回填基底厚度和分區(qū)回填示意如圖3所示。其中，h為管底回填厚度，根據(jù)經(jīng)驗，h不宜小于200mm，A區(qū)為管道基礎(chǔ)范圍，B區(qū)為管道兩側(cè)范圍，C區(qū)為管頂以上500mm管道兩側(cè)范圍，D區(qū)為管頂以上500mm管道上部范圍，均采用中粗砂回填，基礎(chǔ)中心角為120°。方案選取了不同基底厚度和區(qū)域密實度，組成多組對比，見表3。

1.計算模型的建立

本工程采用Plaxis2D軟件進(jìn)行模擬計算，土體采用M-C本構(gòu)模型，總應(yīng)力指標(biāo)、土層信息見表1。管道、管槽和樁基采用線彈性本構(gòu)。荷載采用線性均布荷載。對管道的開挖、埋設(shè)和溝槽回填的施工過程進(jìn)行模擬，共分為4個施工步驟：

（1）建立模型，劃分網(wǎng)格，賦予材料屬性，加入樁基，初始地應(yīng)力平衡；

（2）溝槽開挖，加入管槽基礎(chǔ)和A區(qū)回填土；

（3）加入管道和B、C、D區(qū)回填土，并回填至管頂以上500mm；

（4）加入后期回填渣土（以超載形式），模型計算域為50m×20m，平面應(yīng)變模型，分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側(cè)面采用側(cè)向約束。

2.計算結(jié)果分析

針對表3中的不同回填方案，分別進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，計算模型均一致，僅A～D四個回填區(qū)域的壓實系數(shù)不同，體現(xiàn)為模型參數(shù)壓縮模量不同，其中：壓實系數(shù)95%的壓縮模量為7MPa，壓實系數(shù)90%的壓縮模量為5MPa，壓實系數(shù)85%的壓縮模量為3MPa。各個方案的主要計算結(jié)果見表3，圖5為方案1-1的有限元數(shù)值計算結(jié)果。

圖4 方案1-1有限元計算結(jié)果Fig.4 Scheme1-1finite element calculation results

根據(jù)計算結(jié)果可以得到：

（1）各個方案均能滿足規(guī)范［4］要求，管道豎向直徑變形率有限元計算值約為規(guī)范［3］法計算值的0.4倍，管道豎向直徑變形率與管道四周回填土的壓縮模量有很大關(guān)系，規(guī)范［3］建議值偏保守；

（2）管槽中柔性管道管底回填厚度（h）一般不宜小于200mm，管槽基礎(chǔ)剛度較大，而柔性管道剛度較小，當(dāng)管道與管槽之間回填土變薄時，雖然管道豎向變形極值均有減小，但管道豎向直徑變形率增大，最大彎矩和最大拉應(yīng)力亦增大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致管道破壞；

（3）管槽中柔性管道管底回填厚度可以取管徑的0.2倍，當(dāng)回填厚度大于0.2倍管徑，隨著回填厚度增加，管道豎向變形極值均呈增加趨勢，管道豎向直徑變形率也會增大，最大彎矩和最大拉應(yīng)力亦會增大，同時，管道溝槽的挖深也增大，經(jīng)濟(jì)性也變差了；

（4）管槽中柔性管道基礎(chǔ)、兩側(cè)和管頂以上范圍（圖3中A～D區(qū)）的壓實系數(shù)越高，對管道的變形和受力越有利，但與一般柔性管道溝槽回填不一樣的是，管頂以上500mm管道上部范圍的壓實系數(shù)宜和兩側(cè)保持一致。

3.2 管槽回填方案

根據(jù)計算結(jié)果分析，針對本工程管槽的回填可以按照設(shè)計要求進(jìn)行：1）管道基礎(chǔ)范圍（A區(qū)）采用中粗砂回填，壓實系數(shù)95%，管底回填厚度500mm；2）管道基礎(chǔ)中心角取120°；3）管道兩側(cè)范圍（B區(qū)）采用中粗砂回填，壓實系數(shù)95%，分層回填密實，壓實后每層厚度100mm～200mm；4）管頂以上500mm范圍（C區(qū)和D區(qū)）采用中粗砂回填，最大顆粒徑小于40mm，壓實系數(shù)90%，為保證受力均勻，上覆200mm厚鋼筋混凝土板；5）采用素土回填，壓實系數(shù)不小于90%或按道路要求。

4 結(jié)語

通過分析，提出了一種適用于灘涂區(qū)大口徑柔性管道的管槽基礎(chǔ)，解決軟基后期堆載管道敷設(shè)難題。經(jīng)過多參數(shù)計算分析，并與《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268—2008）進(jìn)行了對比，總結(jié)了管槽基礎(chǔ)各個分區(qū)范圍的回填要求，為類似管道工程提供借鑒和參考。