軟土區域排水管道基礎換填方案確定探討

張軍，楊杰 （安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

軟土是指天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高的細粒土，包括淡泥、泥質土、泥炭、泥炭質土等，一般采用天然孔隙比和天然含水量作為基礎判斷指標。在軟土地基上建造工程一般會有兩個方面的問題，一是由于軟土地基的剪切強度過低以至于不能夠承受上部建筑物施加的荷載時發生地基的整體或者局部的剪切破壞，造成地基的塌陷、失穩進而影響上部建筑物的安全穩定；另一方面由于軟土本身的高含水率，大孔隙比的特征，在承受來自上部建筑物的荷載時，一般會產生較大的沉降變形，尤其是與相鄰構筑物之間產生過大的差異沉降時，對建筑物的安全穩定造成非常大的安全隱患[1-4]。

排水管道設計中，對管道基礎底部承載力一般有較為嚴格的要求，尤其當管道穿越軟土地基區域時，軟弱土層的天然承載力遠不能滿足管道設計要求，因此必須對基底軟弱土層進行處理，結合施工技術、經濟、工期等因素，淺層換填處理管道基礎軟弱地基的方案在該類工程運用廣泛，而結合計算合理確定換填深度就成為設計方案中的重點[5-6]。

一般工程設計中對換填厚度的計算主要有路基荷載工作區算法、地基承載法、HPDS 程序計算法，結合工程經驗，本次分析研究采用地基承載法進行計算[7-11]。《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》（下文簡稱《細則》）5.26 條規定了小型構造物處的淺層處理法換填墊層厚度的計算要求[12]，通過應力擴散原理計算換填墊層底的附加應力與自重應力之和與經深度修正后地基承載力特征值進行比較，從而換填方案提供依據。

本文結合某排水管道穿越軟土地基的工程實例，對基底墊層的換填厚度進行分析計算，對墊層底應力及承載力變化趨勢進行整理分析，為一般工程中換填厚度確定提供一些參考。

1 工程概況

1.1 道路概況

該建設工程為某道路改建工程，同時對道路兩側的管道進行新增、改造設計。雨水管道采用單側布管，K0+000～K1+300 為新建雨水管道段；K1+300～K1+627.5 為保留利用現狀雨水管道段，現狀破損和堵塞的雨水口及雨水口連接管需進行更換和清淤。

1.2 地形地貌

軟土分布區地貌單元為江淮波狀平原區，微地貌為河漫灘，地勢平坦，地面標高一般在17.10m～22.30m之間。

1.3 水文地質

本次勘察地下水，屬于上層滯水，埋深較淺，區內地下水埋深約1.4m。根據區域地質資料，地表水對混凝土結構和鋼筋混凝土中的鋼筋均具有微腐蝕性。

1.4 地質構造

軟土分布區及其附近無活動斷裂經過。場地穩定性較好。

1.5 地震

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），本場地的地震動峰值加速度為0.05g。

2 軟土分布及巖土參數

場地類軟土發育于波狀平原區，分布 于 K0+130～K1+044 段，總 長914.0m，均兩端尖滅，②層軟土層厚0.5m～7.6m，下臥層為③層粉質粘土。

區內分布的軟土主要由淤泥質粉質粘土和粉質粘土組成。②層軟土的壓縮模量Es0.1-0.2=3.68MPa，比貫入阻力ps=0.67MPa；③層軟弱土的壓縮模量Es0.1-0.2=4.27MPa，比 貫 入 阻 力ps=1.02MPa；下臥層④層粉質粘土的壓縮模量Es0.1-0.2=6.17MPa，比貫入阻力ps=1.46MPa。

本路段均為填方路基。由于軟土沉積時間短，固結性差，具有含水量大、壓縮性高、承載力低、滲透系數小、易變形等特點，工程性質差。由于軟土層的容許承載力低，易引起路堤失穩或沉降過大，不能滿足公路工程建設的需求。易造成構筑物開裂、路基變形、路堤滑移等危害，破壞工程的整體性。應對相間分布工程地質性質差的軟弱土層等進行處理，確保工程安全。

根據勘察結果，推薦地基處理設計參數詳見表1。

軟土地基設計參數推薦表 表1

3 換填厚度計算過程分析

3.1 工程設計方案

選取K0+230 至K0+830 段特殊路基處理段落作為研究對象，地勘資料揭示，該段軟土層最厚達3m～10m，連續分布，②層軟土承載力60kPa～80kPa。

雨水管道采用單側布管，管道敷設在南側行車道下，一般段距道路中線5.0m。K0+000～K1+300 為新建雨水管道段，K1+300～K1+627.5 為保留利用現狀雨水管道段，現狀破損和堵塞的雨水口及雨水口連接管需進行更換和清淤。

排水管道采用Ⅱ級鋼筋混凝土承插口管，管材應符合《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB/T11836-2009）要求。管道接口采用橡膠圈接口，參見《市政排水管道工程及附屬設施》（06MS201-1，P23）。管道基礎采用180°砂石基礎，參見《市政排水管道工程及附屬設施》（06MS201-1，P11）。

管道設計對管道基礎承載力有具體要求，一般要求原狀土地基到管道基礎支撐強度要求，如不滿足則應經處理后回填密實的地基，本段管道對基礎地基的要求為地基承載力特征值不小于100kPa，且一般經驗要求在管頂覆土不大于5m 時，管道溝槽地基承載力不小于110kPa，在管頂覆土大于5m時，管道溝槽地基承載力不小于125kPa，軟土地基的承載力明顯不能滿足設計要求，因此需要對基底不滿足設計要求的地段應進行換填處理。

3.2 換填方案計算原理

3.2.1換填厚度計算

設置小型構造物，淺層處理法換填墊層的厚度宜根據構造物的要求確定，并符合式（5.2.6-1）～式（5.2.6-3）的要求。

pz：相應于荷載效應標準組合時,墊層底面處的附加應力(kPa)；

Pcz：墊層底面土的自重應力(kPa)；

fak：墊層底面經深度修正后的地基承載力特征值(kPa)；

b：矩形基礎或條形基礎底面的寬度(m)；

l：矩形基礎或條形基礎底面的長度(m)；

Pk：相應于荷載效應標準組合時,基礎底面的平均應力(kPa)；

Pc：基礎底面土的自重應力(kPa)；

z：基礎底面下墊層的厚度(m)；

θ：一墊層的應力擴散角(°)，宜通過試驗確定，無試驗資料時，可按表2 取用。

應力擴散角θ(°) 表2

3.2.2換填寬度計算

5.2.77 墊層底面的寬度b 應滿足基礎底面應力擴散的要求，可按式(5.2.7)確定。

b'=b+2ztan0(5.2.7)

式中:0——應力擴散角，可按表5.2.6取用；

當z/b＜0.25 時，仍 按/b=0.25 取z值。

3.3 管線基底承載力計算

管道基礎為條形基礎，管道內徑60cm，管壁厚6cm，基礎底寬172cm，管底至基礎底距離C1 為10cm，管頂覆土4.6m，覆土容重19.1kN/m3，作用在基礎上的荷載為87.86kN/m2。

基礎及基礎上土的平均重度20kN/m3，取換填碎石厚度為1.5m，其干密度1.62kg/cm3。

基礎底面處基底平均應力為：

3.4 承載力修正

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）要求，當基礎寬度大于3m 或埋置深度大于0.5m 時，從載荷試驗或其他原位測試、經驗值等方法確定的地基承載力特征值，尚應進行修正。

γ——基礎底面以下土的重度(kN/m)，地下水位以下取浮重度；

b——基礎底面寬度(m)，當基礎底面寬度小于3m 時按3m 取值，大于6m時按6m取值；

mγ——基礎底面以上土的加權平均重度(kN/m2)，位于地下水位以下的土層取有效重度；

d——基礎埋置深度(m)；

考慮到兩點原因：管線基礎為典型的條形基礎；基礎埋置土層為淤泥質土，根據承載力修正系數參考表，當土層為淤泥及淤泥質土時，基礎寬度地基承載力修正系數取0。因此管道基礎的地基承載力修正只進行深度修正[13]。

將dη=1及各參數代入公式：

基礎底的修正后的承載力特征值為：

計算結果明顯可見如果管道基底不進行處理采用原狀土地基，原狀軟弱土層的承載力遠不能滿足管道基礎對于基底承載力要求。

3.5 換填計算

假定換填墊層厚度為1.5m，結合上述公式1進行計算，

墊層底面處附加壓力：

計算顯示，當換填深度為1.5m 時，深度修正后墊層底的承載力特征值能夠滿足基礎底附加應力及自重應力的要求，但并不能滿足設計文件中且在管頂覆土不大于5m 時，管道溝槽地基承載力不小于110kPa的要求。

繼續對換填深度為3.0m進行計算

墊層底面處附加壓力：

pz=1.72×（101.86-13.37）/（1.72+2×3×tan30°）=29.36（kPa）

墊層底面處自重應力：

pcz=0.7×20+3×16.2=62.6(kPa)

pz+pcz=16.95+68.45=91.96(kPa)

進行深度修正后的墊層底面的承載力特征值：

計算顯示，當換填深度為3m 時，深度修正后墊層底的承載力特征值能夠滿足基礎底附加應力及自重應力的要求，并能滿足設計文件中且在管頂覆土不大于5m 時，管道溝槽地基承載力不小于110kPa的要求。

經過進一步計算當換填深度為2.3m 時深度修正后墊層底的承載力特征值能夠滿足110kPa的承載力要求，同時滿足基礎底附加應力及自重應力的要求。

結合計算結果，考慮一定程度的設計富余，建議換填厚度不小于2.5m。

4 換填厚度計算過程分析

對不同換填深度時，墊層底的附加應力及自重應力與墊層底的承載力進行計算，對變化趨勢進行分析。

相應制作變化圖表如圖2、圖3 所示。

圖2 墊層底應力與修正的承載力特征值隨換填厚度變化趨勢圖

圖3 應力與修正的承載力特征值比值隨換填厚度變化趨勢圖

由圖1、圖3 分析可見，隨著換填厚度增加，附加應力及自重應力之和以及深度修正的承載力特征值整體上呈正相關性。

圖1 管道基礎結構圖

附加應力與自重應力之和隨著厚度增加呈現先降低后增加的變化趨勢。分析認為，換填厚度增加前階段，附加應力擴散的趨勢大于換填墊層本身的自重應力增加，隨著墊層厚度增加，附加應力進一步擴散，合力變化主要來自墊層厚度增加而增加的自重應力。

根據二者比值隨厚度變化的圖表分析可見，隨著墊層厚度增加，在換填厚度達到2.0m 時，二者比值趨于穩定在78%左右，即繼續增加換填厚度，并不會提供更高的承載力富余。在達到平穩后，如果對于承載力有特殊要求，則可主要根據深度修正后的承載力特征值與要求的承載力進行比較來確定需要換填深度。

舉例本次分析中，管線基礎在換填深度為1.0m 時，深度修正后的承載力特征值，已經能夠滿足附加應力及自重應力的要求，且隨換填深度增加，在堤岸層厚度達到2.0m 后，二者比值趨于穩定，但設計時依據經驗要求，要求管線基地承載力不小于110kPa，則繼續根據深度修正進行承載力修正，換填深度在2.5m左右時，才能滿足承載力值大于110kPa的要求。

5 結論

①為保障管道的安全穩定，穿越軟土地基段落的管道應結合計算來確定基礎換填厚度，基本控制原則為換填墊層底的附加應力與自重應力之和應小于墊層底經過修正的承載力特征值。

不同換填厚度的計算結果 表3

②隨著換填厚度增加，附加應力及自重應力之和以及深度修正的承載力特征值整體上呈正相關性。附加應力與自重應力之和隨著厚度增加呈現先降低后增加的變化趨勢。

③隨著墊層厚度增加，在換填厚度達到某一厚度后，附加應力與自重應力之和與修正后的承載力特征值的比值趨于固定的百分比，繼續增加換填厚度，并不會提供更高的承載力富余。

④當對基礎底承載力有額外要求，計算厚度已大于③中的厚度時，可采用修正后的承載力特征值與要求的承載力值計算進行厚度控制。