不同地基處理方法對市政管線變形的影響分析

陳偉文

(福建省交通規(guī)劃設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加速，城市市政道路的建設日益增多。盡管市政道路一般荷載相對較小，對地基承載力要求較低，但市政道路下埋設的各類管線，例如給水、排水管道等市政管線對路基沉降的要求更為嚴格。因此，在市政道路地基處理中，為防止路基工后沉降差異較大導致管線破裂漏水等問題，一般要求地基處理后，管線地基工后沉降小于10cm，同時基礎承載力不小于100kPa。

縱覽地基處理的目前研究，陳禮明(2004)[1]、梁其東(2014)[2]、周華(2016)[3]，主要分析了軟基沉降對管線造成的影響，闡明了市政道路中地基處理的措施；馬小明(2017)[4]以埋地管道本身為研究對象，對不均勻沉降狀態(tài)下的應力水平和影響因素進行研究，并提出相應的改進措施；黃劍(2018)[5]較為詳細地描述了軟土地基中綜合管廊的沉降控制、監(jiān)測與分析，為類似工程提供參考；朱軍凱，等(2018)[6]以ABQUS軟件建立管道三維模型，分析地基沉降后管道應力分布情況。綜之，目前對于地基處理中，相關市政管線的研究，主要以管線本身的因素及破壞形式為主要研究對象，基于不同地質(zhì)條件下不同地基處理形式的研究較少。在路基變形研究中，趙少偉，等(2008)[7]、黃永強，等(2008)[8]、王子清，等(2013)[9]通過有限元程序PLAXIS對高速公路軟基變形、高填路基、CFG樁處理后的復合地基處理效果進行了數(shù)值分析，得出的PLAXIS數(shù)值模擬軟件能夠較好地反映路基沉降變形。

本文以寧德市蕉城區(qū)某城市主干路為研究對象，擬建道路為沖海積平原地貌與剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，巖土條件復雜程度為二級，場地復雜程度為二級。通過工程地質(zhì)模型化和數(shù)值模擬的形式，考慮車輛荷載、管線剛度、地基處理形式等條件下路基整體變形與管線整體變形，綜合分析不同地基處理方法對市政管線變形的影響，以期為市政道路地基處理設計、監(jiān)測及養(yǎng)護提供技術參考。

1 市政管線軟土路基模型

1.1 模型建立與參數(shù)選取

市政管線軟土路基模型，如圖1所示。模型以擬建道路縱斷面為研究對象，研究在管線縱向上的差異性沉降，該模型長度為170m，模型中的地基土由下至上分別為中風化凝灰熔巖及其風化殘積土和上部厚度不均的淤泥層構成。淤泥深度≥3.0m范圍，采用CFG樁，CFG樁，間距2.0m，正方形布置進行地基處理；淤泥深度<3.0m范圍，采用換填處理；其余范圍不進行地基處理。路基各土層參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，如表1所示。數(shù)值模擬對土體本構模型采用摩爾-庫倫理想塑性彈塑性模型，CFG樁體與管線模型假定為線彈性材料，材料力學參數(shù)如表2所示。

(a)市政管線軟土路基模型(地基處理前)

(b)市政管線軟土路基模型(地基處理后)圖1 市政管線軟土路基模型

土層名稱重度(kN/m3)黏聚力(kPa)摩擦角(°)泊松比彈性模量(MPa)中風化凝灰熔巖25100450.255000碎塊狀凝灰熔巖2250350.28500砂土狀凝灰熔巖20.528280.3100全風化凝灰熔巖2025250.3280殘積砂質(zhì)黏性土19.224.833.90.3525坡積黏性土18.734.218.80.3824粉質(zhì)黏土18.736.611.30.420淤泥15.77.21.60.456素填土17.510150.3812路基填土2020150.3515

表2 材料物理力學參數(shù)

1.2 分析工況

模擬工況分為地基處理前與地基處理后兩種情況，模擬過程分為6步：

①計算模型在未激活路堤單元及市政管線前，通過重力加載方式進行地應力平衡；

②先激活市政管線，后進行路基填土；

③在路堤頂面施加車輛模擬靜力交通荷載，施加交通荷載為城-A級交通荷載對應的均布荷載標準值qk=10.5kPa[10]；

④重新進行地應力平衡后，激活相應的CFG樁及換填部分土體單元；

⑤激活市政管線，并施加路基填土；

⑥施加交通荷載。比較兩種工況情況下的路堤總位移變化情況與市政管線位移變化情況。

2 計算結果與分析

2.1 路堤整體位移分析

圖1、圖2和圖3分別為地基處理前與地基處理后的路堤總位移。

由圖1可知，未進行地基處理的路堤，路堤總位移隨著淤泥厚度增大而增大，總位移最大值點位于模型起始點位置，即淤泥最大厚度處。

由圖2可知，進行相應的地基處理后的路堤總位移，隨著CFG處理深度和地基處理方式產(chǎn)生變化，在CFG樁處理范圍，路堤總位移以CFG樁樁底持力層位于殘積黏性土處為轉(zhuǎn)折點，CFG樁持力層為全風化凝灰?guī)r時，路堤總位移差值較小。地基處理后的路堤總位移最大值為采用換填處理區(qū)域。

圖2 未地基處理路堤(工況1)總位移

圖3 地基處理后路堤(工況2)總位移

由圖3可知，未進行地基處理的路堤總位移最大值為18.2cm，而進行地基處理后路堤總位移最大值為5.3cm。在此路基模型中，兩者路堤總位移依據(jù)相應規(guī)范要求，按照一般路段工后容許值為≤30cm，兩者均能滿足對于軟土地區(qū)路基容許工后沉降值要求。

綜上可知，在不考慮市政管線因素情況下，對于路堤總位移而言，是否進行地基處理，均能滿足道路工后沉降要求。由于管線地基工后沉降要求為<10cm，故對于該工程而言，城市主干路需采用相應的地基處理措施，以避免管線變形破壞。

2.2 市政管線垂直位移分析

根據(jù)有限元網(wǎng)格劃分，選取市政管線位置處，分析不同水平位置處市政管線的垂直位移，整理得出的各工況情況下市政管線位移的最大值與最小值及市政管線的沉降差值，如表3所示(工況1代表未進行地基處理的情況，工況2代表地基處理后的情況)。由表3可知，從市政管線位置處分析，在未進行地基處理的工況1中，最大垂直位移值位于模型起始點位置，最大垂直位移為16.8cm，最小垂直位移值位于淤泥與坡積土交接位置處，最小垂直位移為1.9cm。由此可知，在未進行地基處理的情況下，管線位移最大差值為14.9cm。而對于市政管線而言，未進行地基處理情況下，管線工后偏移值較大，較難滿足管線自身要求，較易造成管線變形破壞。在地基處理后的工況2中，最大垂直位移值位于換填處理范圍起始段，最大位移值為4cm，最小垂直位移值位于CFG樁處理末端，最小位移值為1.4cm。地基處理后，市政管線位移最大差值為2.6cm，能夠滿足管線自身變形要求。故，在軟基路堤情況下，采用適當?shù)牡鼗幚矸绞剑欣跍p少管線變形破壞。

表3 不同工況下市政管線位移比較表

圖4為不同工況情況下市政管線位移比較圖。分析可知，未進行地基處理的工況1中，在水平位置0mm～130m范圍，土層中存在軟土地基，管線位移沉降量隨著淤泥深度增加而增大。當水平位置為130m～170m范圍，管線持力層為坡積土等良好地層時，管線位移沉降較小；而在進行地基處理后的工況2中，位移變化曲線起伏相較工況1相對較小。在水平位置0mm～110m范圍為CFG樁處理范圍，水平位置110mm～130m范圍為換填處理范圍，水平位置130mm～170m范圍未進行地基處理。在水平位置0mm～110m范圍，市政管線的位移與CFG樁的樁端持力層相關。當CFG樁的樁端持力層選用殘積砂質(zhì)黏性土時，管線垂直位移相對較大，而樁端持力層為全風化凝灰?guī)r石，管線垂直位移相對均勻，變化不大；水平位置110mm～130m范圍時，管線位移與換填深度有一定關系，CFG樁與換填范圍交界位置，垂直位移逐漸增大，下降到工況2最大偏移點后，隨著換填深度減少，垂直位移逐漸減少；在水平位置130mm～170m范圍，工況1與工況2相比較，管線位移相對變化不大。

圖4 不同工況下市政管線位移比較圖

結果表明，市政管線沉降與軟土地基具有一定關系，隨著軟土厚度變化，市政管線沉降呈現(xiàn)明顯變化。市政道路施工過程，應充分考慮軟土地基對市政管線的影響，針對不同的地質(zhì)條件選擇合適的地基處理，有利于保證市政管線的穩(wěn)定性及耐久性。

2.3 不同地質(zhì)條件下位移分析

市政管線，由于軟土地基的壓縮沉降和側(cè)向位移，致使管體產(chǎn)生縱向彎曲，甚至失穩(wěn)，在最薄弱處產(chǎn)生破裂而漏水。因此，針對不同地質(zhì)條件下，采用合適的地基處理方法，有利于減少市政工程中地基處理的范圍，減少工程造價。

圖5為水平距離0m～110m范圍市政管線垂直位移變化曲線。該段落工況1情況下，隨著軟土厚度變化，垂直位移呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律：在0m～20m范圍，垂直位移變化相對較小，則在軟土厚度相對均勻的地質(zhì)條件下，市政管線的沉降能滿足變形要求時，即差異沉降較小時，可以考慮不進行地基處理，但市政道路要滿足規(guī)劃與地塊開發(fā)要求。因此，擬建道路若處在地質(zhì)條件較均勻的區(qū)域內(nèi)，應充分考慮路基沉降變形，待路基經(jīng)超載預壓或等載預壓充分穩(wěn)定后，再進行相應的市政管線施工，方能滿足管線變形要求，減少工程造價，但工期較長。

由于實際工程工期要求較短，且整體規(guī)劃存在一定滯后性，因此在實際工作中，為了滿足道路標高需要，對于軟土路基，軟土厚度≤3.0m時，采用換填處理；當軟土厚度在3m～20m范圍時，推薦采用水泥攪拌樁與CFG樁等軟基處理措施；當軟土厚度在20m～30m范圍時，設計中一般采用預制管樁等質(zhì)量較佳且可控的地基處理措施。如圖5所示，由于軟土厚度大于3m，故采用CFG樁進行地基處理，由垂直位移變化曲線可知，CFG樁對于深厚軟土，能夠顯著地提高地基承載力和減少沉降。

圖5 水平距離0m～110m內(nèi)市政管線垂直位移變化曲線(CFG樁處理范圍)

圖6為水平距離110m～130m范圍市政管線垂直位移變化曲線。該段落軟土厚度<3m，由工況1可知，市政管線位移偏值小于10cm，即沉降差異值較小。分析工況2，由于該段落兩側(cè)沉降較小，則在管線位移中，該段出現(xiàn)明顯的沉降差異，即應力集中區(qū)域，但模擬沉降值仍略小于未處理段落。在實際工程中，當滿足場地區(qū)域地質(zhì)較為單一，軟土厚度較薄且填方高度較低時，為減少造價，可以適當減少地基處理范圍，但由于土體的各向異性，對于軟土厚度<3m的區(qū)域內(nèi)，采用換填處理措施，能夠高效、直觀、不留后患，在換填過程應分層置換砂性土等透水材料，并夯實至設計要求。

圖6 水平距離110m～130m內(nèi)市政管線垂直位移變化曲線(換填處理范圍)

實際工程中，地基處理不僅僅要考慮軟土厚度的變化。還需要考慮地下水位的變化，軟土發(fā)育區(qū)域內(nèi)，地下水位隨著季節(jié)變化較大，水量受降雨等影響較大，設計及施工工作中應充分考慮防排水措施，防止路基填土泡水軟化，不利于市政管線施工。

該工程經(jīng)地基處理后滿足管線沉降要求，結合該段落軟土地基路段監(jiān)測數(shù)據(jù)，各監(jiān)測點所反應的變形位移趨勢與數(shù)值模擬趨勢大體相當，最大位移為4.8cm，與模擬值較為吻合，說明Plaxis軟件能較好地反映路基沉降變化。

3 結論

在市政道路中，一般路基段落市政管線對軟土沉降變形的要求高于路基自身的要求。在軟基段落采用地基處理后，市政管線沉降及不均勻沉降情況明顯減少，從而滿足市政管線沉降要求，減少市政管線變形破壞等情況。

針對不同地質(zhì)條件合理選擇不同的地基處理方法及處理范圍，既能符合工程經(jīng)濟性要求，又能充分提高軟土路基的地基承載力并減少沉降變形，以期保證市政道路工程的工程質(zhì)量，降低軟土沉降變形對市政管線的影響。