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1、第2 5卷第1期20 08年3月特种结构V o l.25N o.Ma rCh Z( X )8流砂地质中钢筋混凝土管道结构设计探讨史志利(天津市市政工程设计研究院3(XX)51 )(T ia n jinMu nieipa lEn g in ee r i蜡De si罗当几小于lo okP a时,在满足管道基础支撑强度大于管道空ECI从亏血七 台U匆 如而. 12以龙的土压力、地 面车辆荷载、管道自重和管内水重等作用在地基上的总荷载时,宜采用砂石(土弧)基础。第3.2规定:当遇有湿陷性黄土、膨胀土、多年冻土、液化土、软土等地基,应根据相关规范另作处理。而流砂地质并未明确是否需要作特殊处理。2流砂产生
2、的机理流砂是一种地基发生渗透破坏的不良工程地质现象,是地下水渗流产生的渗流力对土体作用的结果。渗流力的大小与水力坡度成正 比,即水位差越大,渗透路径越短,则渗流力越大。当渗流力大于土的浮重度时,土体颗粒处于悬浮状态,往往会随渗透水流一起流动,当存在稳定的渗流通道时,土体颗粒在渗流力(动水压力)的作用下会产生流砂现象,即土体颗粒不断地沿着渗流通道跑冒流失。一般来讲,饱和、松散的砂土、粉土、粉砂地质易产生流砂现象。在砂性土层中,流砂是一个土体颗粒由细到粗、由少到多的渐进过程;而在粉砂、粉土层内,由于其渗透系数较小,往往表现为突然产生的流砂或塑性泥流。流砂现象发生、发展过程与土体自身组织结构条件、水
3、力条件、渗流通道等因素有关。2.1土体组织结构条件土体组织结构条件包括土的颗粒组成和土体一65一洲扩特种结构2田8年第l期结构。易产生流砂的土层一般需满足如下条件:(l )土的颗粒组成中,粘粒含量小于r o%,粉粒含量大于7 5%;(2 )土的不均匀系数小于5;( 3 )土的孔隙比大于0.7 5或孔隙率大于4 3%;(4 )处于饱和状态,含水量大于3 0%;( 5 )地层中粉土层或粉细砂层厚度大于25cm。2.2水力条件渗透水流的水力坡降大于土的临界水力坡降是产生渗透破坏的水力条件。水力坡降i二h/L,其中h为水头差,L为渗流路径;对于自下而上的渗透破坏(向上的渗透力需超过土体颗粒自重),临界
4、水力坡降i。二(G一l)/(l+。)=(G一l)(l一 n),其中为土粒比重,。为孔隙比,。为孔隙率。当ii c:时,则产生流砂现象。2.3渗流通道渗流需要有稳定的渗流通道,渗透水流及所携带的土体颗粒要有出路。而且渗透破坏的发生常常是在渗流通道 的出口处率先发生,而后向土体的深层发展。3流砂的危害流砂地质是对于工程基础施工影响很大的一种不良地质。目前针对流砂地质的研究大多是针对施工过程中的基坑支护和降水如何采取防护措施,其危害也主要表现在施工过程中。对基坑工程,基坑底部、基坑坑壁渗漏处都可为渗流提供出路。在降水点处,若滤网孔隙大小或砂滤层颗粒结构选择不当,土中的粉粒、粉砂甚至细砂粒会随水流进人
5、井管,随地下水抽走。随着土体的跑冒流失,地基会逐步丧失承载力,至使基坑工程施工条件恶化,严重时会引起基坑边坡塌方,附近已建成的工程也会因地基被掏空而出现开裂、下沉,致使上部建筑倾斜甚至倒塌。近期对流砂地质地区路面局部不均匀沉陷进行调研发现,流砂地质排水管道工程 的缺陷对上部路面及周边构筑物的影响也不容忽视。作为市政基础设施的排水管道,一般在片区内地块开发之前先行实施,如果管道砂石基础及周边回填料不当或不够密实,施工结束后地下水位回升和变动会带动管周的土体颗粒填充回填料的孔隙,扰动周边原状土地基,当管道施工时接口不严密、管一66一道局部存在裂缝时,土体颗粒会沿缝隙进人管道,随管道内的水流不断流失
6、,掏空管周土体,导致地面沉陷甚至影响周边建筑物,从而导致破坏性的后果。4流砂地质上某管道工程破坏实例4.1破坏特征某片区基础设施建成运行2年后,发现部分路段的道路发生局部不均匀沉陷。从现场情况看,路面陷坑都在长年运行的污水管道上方,局部沉陷最严重处坑深可达4 0cm,并且呈不断发展的趋势,单坑直径一般在5一10m左右,呈典型的漏斗状(见图1),范围较大的地方,路面呈连续起伏。开挖后发现:路面沉陷范围内,下部污水管道在中间部位发生横向断裂,裂缝宽度约3Cm,而管道接口处无漏水现象。4.2地质条件分析该工程场地地质为第四系全新统陆海交互沉积层,由上到下依次为:素填土、粉质粘土、粉土(部分区段粉砂)
7、、粉质粘土。各层均为非液化土层。地下水位在地面以下1.0一2.Om。污水管道位于粉土层内,该层厚度3一6m不等,含水量2 4.2一3 6.8 %,孔隙比e为0.7 7一1.0 1,灰色,含云母、有机质,层状,流塑一软塑状态,中一高压缩性,塑性指数9.1,地基承载力达到lr okP a以上。分析可知,该工程土质具备易发生流砂的土体自身组织结构条件。图2为施工做降水试验时,通过井管随地下水带出地面的土体颗粒。4.3管材的分析该区域污水管道设计为l妈仪一D go o预制承插口钢筋混凝土 1 1级以上管 材,管顶覆土深度5.0一7.0m,施工过程中,采用了预制承插口预应力钢筋混凝土 工级管,管节长度为
8、4m。由于施工过程中采用的管材等级低于设计要求,本文以D咚( X ),Dso o江巧(X)管道为例,按覆土班犯CU山加叨创由和给嘛. l加舰No.120 08史志利:流砂地质中钢筋混凝土管道结构设计探讨婴舜5.Om考虑,将工程实际荷载作用下管道 的内力与管道在试压破坏荷载和裂缝荷载作用下得到的内力进行比较,验算其是否满足承载能力和正常使用的要求。埋地混凝土管道的结构计算一般包括两种工况,一是:管 自重十土压力+管内水重+堆积荷载,二是:管自重+土压力十管内水重+车辆 荷载冈。对本工程而言,前者起控制作用。其中控制性内力(弯矩)的计算结果见表1和表2,弯矩MA,MB,MC对应 的位置见图3。表1
9、承载能力极限状态的内力计算结果(k N而m) 管管材规格格管材材MA A AN N NIB B BN N N Ie e e级级级级级级级级别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别内内径径壁厚厚厚实际际破坏坏实际际破坏坏实际际破坏坏喇喇X) ) )50 0 01 级级2.42 2 21.91 1 12.10 0 01.89 9 9一2.12 2 2一1.10 0 0l l l l l l l l级级2.42 2 22.98 8 82.10 0 02.%一2. 12 2 2一1.7 1 1 15 5 5田田50 0 0工级级3.56 6 63.38 8 83. 0 7 7 73.3
10、5 5 5一3.13 3 3一1.9 5 5 5U U U U U U U级级3.56 6 65.35 5 53.0 7 7 75.32 2 2一3.13 3 3一3.0 8 8 8仪仪幻幻团团工级级5.16 6 64. 伪伪4. 4 4 4 44.0 2 2 2一53 3 3一2.3 4 4 4U U U U U U U级级5.16 6 66. 4 2 2 24.4 4 4 46.38 8 8一53 3 3一3. 的的表2正常使用极限状态的内力计算结果k N而m) 管管材规格格管杜杜M MB B B入入e e e级级级级级级级级别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别内内径径
11、壁厚厚厚实际际裂缝缝实际际裂缝缝实际际裂缝缝粼粼刃刃50 0 0工级级1. 9 4 4 41.2 6 6 61. 砧砧1.2 5 5 5一1.70 0 0一073 3 3l l l l l l l l级级1.9 4 4 41 98 8 8I砧砧1.%一1.70 0 0一l,14 4 45 5 5田田50 0 01级级2.72 2 22.2 7 7 72.33 3 32.23 3 3一2.38 8 8一1.31 1 1l l l l l l l l级级2.72 2 23.58 8 82.33 3 33.55 5 5一2.38 8 8一2.肠肠仪仪幻幻印印工级级3. 9 4 4 42.72 2 2
12、3,37 7 72.68 8 8一3.45 5 5一1.57 7 7l l l l l l l l级级3. 9 4 4 44.30 0 03.37 7 74.26 6 6一3.45 5 5一2. 4 7 7 7图3内力位里示意结果表明,对于 工级管,三种规格的管道按实际计算所得的弯矩均大于所用管材试压破 坏荷载和裂缝荷载作用下 的相应弯矩,这表明本工0 0,十分训斗斜斗哥。碎石225咖兰I二 图4管道基础设计示意程使用工级管,管材本身不满足承载能力和正常使用要求;使用n级以上管材二者 均可满足。4.4管道基础的分析本工程为开槽法施工,管基处地基承载力特征值几、大于lo okP a,且无液化现象
13、,符合国家标准图集以551 6的选用条件。因此,设计采用了柔性接口的承插口钢筋混凝土管道,相应地采用了18 0。砂石基础,为配合当年修路,基槽满槽回填碎SPECU止印服U口田和巧N o.1加诩石料到管顶以上 4 0cm处,密实度不小于 9 0%,其上按道路要求施作,如图4所示,并对管道施工提出了开槽、降水和遇淤泥等软弱地基的特殊处理等相关技术要求,没有专门针对流砂地质采取特殊措施。施工过程中,管道的砂石基础及管槽回填的碎石料无级配,无密实度检验。而实际上,在流砂地质条件下,施工降水停止后地下水位回升,以及周边其它原因导致的地下水位变动都会使周围的土体颗粒随渗透水流充填人管周碎石的孔隙内,扰动原
14、状的地基土。若遇到管道断裂或管道接口不严 出现缝隙,无级配的碎石料为流砂的产生提供了渗流通道。在管内常有流动水体时,土体颗粒会随水位相对较高的地下水,不断地进人管道流失,掏空管周土体,导致地面沉陷。4.5破坏原因以上分析表明,该工程管道所处地层 的地质条件具备易发生流砂 的土体自身组织结构条件;施工结束地下水位回升后,由于区域内稳定的地下水位较高,水力坡降超过了临界水力坡降,具备了渗透破坏的水力条件;管道砂石基础和为配合当年修路而满槽回填的管周碎石料,级配不良,孔隙率较大,工级预应力钢筋混凝土管不能适应本工程管道的覆土深度,管道发生横向断裂,且污水管道常年运行,为流砂 的产生和发展提供了稳定的
15、渗流通道和出路;因此,管道周围的原状土体颗粒,在地下水位稳定的压力水头作用下,随渗透水流,穿过孔隙率较大的碎石层,从管道的断裂部位进人污水管道,随着管道内长年运行的水流逐渐流失,使得管道周围土体被掏空,最终导致管道断裂处上方的路面发生塌陷。4.6工程修复由于本工程污水管道管径较小,且管道本身变形较大,已经不适合采用内衬及套管等修复方法,最终对沉陷范围内的管道全部进行更换和重新敷设,根据管道的覆土深度,选用H级以上承插口钢筋混凝土管。管道基础仍然采用180 0砂石基础,做法是先在原状土层上铺设30 0岁衬的土工布一层,其上施做管道砂石基础,基槽回填及密实度均按国标图集0 45 51 6的要求执行
16、。一67一浮豺特种结构2的8年第1期为防止修复施工时抽降地下水扰动周边已建成的建筑物、道路及其它市政配套管线,修复施工采用钢板桩作围护结构,双排12m长d以犯爪l l n自下而上变掺量设计的水泥搅拌桩止水帷幕。路面恢复时,将桩头剔除至路面以下2.0 m。施工期间采用坑内降水,井管用无纺布做包覆处理,以防止施工降水期间管基下部粉土颗粒通过井点管流失。路面结构层修复时,新旧路面结合处开蹬搭接,并铺设土工格栅。5流砂地质条件下管道设计的思考与建议市政排水管道工程是城市的生命线工程,其安全性和运行效果与人们的生活息息相关。然而在工程建设期间对管道设计和施工的合理性和规范性往往不够重视。近些年来,市政管线破坏而导致路面和周边构筑物损坏的现象时有发生,造成了很大的经济损失。因此,流砂地质条件下管道结构设计中,下面的问题值得引起重视。5.1管材的选用流砂地质条件下,排水管道管材 的选择应予以特别的重视,应严格按照管道覆土深度,确定管材级别和基础形式,并应根据地质条件和荷载情况,对管道结构本身进行验算。如果管材本身的强度不能承受上部覆土荷载而发生破坏,当地下水位高于管道
