淺談南疆地區液化場地污水管道的結構設計

邊燕紅，趙 磊

（甘肅恒石公路檢測科技有限公司 試驗中心，甘肅 蘭州 730050）

隨著國民經濟的快速發展，我國城鎮化建設已經全面實行。新建或改造埋地供排水管道做為城鎮化建設的重要組成部分，受到人們的廣泛關注。歷次震害發現，砂土液化是埋地管道破壞的主要因素。在液化場地埋設管道，若地基未作處理，地震波對管道會產生縱橫兩方向破壞[1]。在地基土完全液化前，管線出現隆起；完全液化后土沉陷壓密，管線出現沉降[2]。南疆地區近年地震發生頻率比較高，氣候干燥，晝夜溫差大，文章以在建的“庫車經濟技術開發區工業污水處理廠工程”為例，闡述液化場地埋設污水管道、管道地基處理及基礎設計需要注意的問題。

1 項目背景

污水管道主要埋設在廠區內，主要連接各個污水處理構筑物。由地質勘察報告可知，（1）該場地土層主要由三層組成，分別為：①層素填土，②層粉土，③層細砂，三層細砂存在液化，液化等級為輕微～中等；（2）地下水位平均在自然地面以下1m；（3）場地最大凍深1.2m。

2 砂土液化管道地基處理的方法

對于埋地管道，當液化等級為輕微～中等時，主要通過增強管材剛度，減小不均勻沉陷，提高結構對不均勻沉陷的適應能力，例如對輸水、氣、熱力管道，采用鋼管或設置變形縫或采用柔性接口來減小液化沉陷對管道的影響；當液化等級為嚴重時，對液化土采用換填法或振沖法或沉管碎石樁法進行處理，處理后地基液化指數不小于4（處理深度為15m時）或5（處理深度為20m時）[3]。對于一般管網，當液化等級為輕微時，地基可以不用處理。

3 抗液化管道埋地方案

一般管道工程，埋地管線須鋪設在管頂距離凍土線一下0.15～0.3m，防止管道由于受到土壤凍結過程中土壤體積增大，產生凍結力和凍脹力以及土壤融化過程中土體壓縮系數變化的影響而遭受凍害[3]。但是，本工程地下水位在凍土層以上，管道設計需要考慮兩方面的因素。首先，地下水的存在加大當地的土壤凍深，管道在未采取任何防凍措施的前提下淺埋定會遭受凍害；其次，地下水位比較高，液化場地管道敷設需考慮管道的上浮反應，一般管道埋設的越深，上浮位移越大，但是埋深過小，容易引起管道上浮出地面，從而使管道破壞[4]。

實際工程中，為了防止管道在液化土中上浮，對管道外裹玻璃棉，采取淺埋的方法，將其埋設在凍土線以上，防止管道破壞，同時，對液化區管道設置混凝土支墩來減小在地震作用下的上浮反應。管道不能敷設在液化區和非液化區的交界處附近，大量實驗研究發現，該區域應力變化比較大，容易產生管道的變形及破壞。

管道埋置深度除了考慮凍土線和地下水位外，還需考慮以下因素：（a）管徑管材，例如，腐蝕性環境地區采用抗硫酸鹽混凝土管，液化場地在同等條件下盡量使用小管徑的管子；（b）地面荷載，例如行車道下的過街管線覆土深度不宜小于0.70m；（c）回填材料及壓實系數，例如行車道下的過街管線可用中粗砂回填，且壓實系數須滿足圖1要求；否則，在地震作用下，土骨架會因振動的影響而受到一定的慣性力和干擾力,由于各個土顆粒的質量不同、排列無序以及初始應力和傳遞的動強度不同,在土顆粒的接觸點容易引起新的應力[5]。當這種應力超過骨架強度時,就會破壞土顆粒之間原來的連接強度和結構狀態,使土顆粒之間脫離接觸,從而產生體積變形,骨架結構發生破壞,應力重分配。此時,原先由砂粒通過它的接觸點所傳遞的壓力就會傳遞給孔隙水來承擔,引起孔隙水壓力的驟然上升，使得砂土側流，不再具有約束管線的能力從而管線上浮[6]。（d）工藝專業水頭差、流速等的計算，保證管道內污水在重力作用下能排出去。

圖1 K為上的壓實系數dn為管道公稱直徑

國內外學者對液化區管道埋深進行數值模擬發現，當管道埋深在1.5～2.0m時，管道變形較小，管道抗沉陷能力最好，管道接口安全性能明顯提高[7]。本工程結合場地地質條件，確定廠區內污水管道覆土深度為1.5m，管徑經過工藝專業水頭差及流速計算，確定DN600混凝土Ⅱ級管滿足設計要求。管道基礎采用120o混凝土基礎，地基處理結合廠區構筑物采用換填法處理，因廠區地形為坡形地面，故換填厚度為2～4m。

4 液化場地埋地管線內力計算方法

目前，計算在地震波作用下埋設管道內力的方法主要有兩種，一種是假定管道與周圍土體共同變形，這種情況下不需要考慮管道與接觸土體之間的相對運動，埋地管道沿軸線方向的應變等于周圍土體沿管道軸線方向的正應變[8]。另一種是假定埋地管道與包裹其的土體之間有分布彈簧，管道與土體之間可以產生相對位移。主要是由于管道和其周圍土體之間本構性質不同，使得管體與周圍土體之間存在著相對位移，相對位移使得周圍土的位移大于管道位移[9-10]。第一種方法是擬靜力法，該法在動態情況下考慮了管體和水的慣性作用力后的計算結果與靜態作用下的結果非常接近，由于管道自身的慣性影響很小。故忽略動力影響，直接考慮靜力作用下的管道受力。此時假定忽略土體的塑性變形，視土體為彈性材料，所以，一般管道結構設計，在經濟條件允許的前提下考慮管道覆土、內水壓力及地面荷載進行管道基礎設計即可，不需要進行埋地管道的動力響應分析計算。

對混凝土管道，管自重受力如圖2所示，其產生的彎矩和軸力用下式計算:

圖2 管自重受力

當計算管頂覆土時，一般對圓管上半部兩側胸腔回填土忽略不計（如圖3所示），但是，當管徑較大且覆土較淺時，應考慮這部分土重Gb對管子的影響，即 Gb=0.10758SD02。

圖3 圓管上半部兩側胸腔回填土

其中，D0為管外徑；γs為土容重（kg/m3）

當管道受到兩側水平土壓力作用 （如圖4所示），其產生的彎矩M及軸力N可采用下列公式計算：

圖4 管道兩側水平大壓力

其中，GX為水平壓力的合力；

當管道滿水，管道受到內水壓力作用時，管截面內產生軸力可按下列公式計算：

各種不同支承角（2α）混凝土管座基礎形式下，管道的軸力和彎矩系數見《給水排水工程埋地預制混凝土圓形管管道結構設計規程》（CECS143-2002）附錄D表D.0.2圓形剛性管的內力系數。

對混凝土管道或鋼管，管座支承角（2α）須滿足下列構造要求：（1）管道覆土在0.8～2.5m之間時，采用90o混凝土管座；（2）管道覆土在2.6～4.5m之間，且管徑小于600mm時，采用120o混凝土管座；（2）管道覆土在4.5～6m之間，且管徑大于700mm時，采用180o混凝土管座。

5 結論

南疆地區埋地管道設計需考慮一下幾個方面：

1）南疆地區晝夜溫差大，地表溫度變化較大，管道覆土厚度設計需考慮溫度變化對管道的影響，一般管道埋置在凍土線以下0.15～0.30m，地下水較淺時另行考慮；

2）液化場地埋地管道設計需考慮上浮反應，地下水對管道埋深的影響，液化場地管道埋深在1.5～2.0m時受力及變形最??；

3）管道不應埋在液化土層和非液化土層交界的區域，該區域應力變化大，容易出現管道變形和沉陷；

4）管道基礎設計既要考慮外部荷載作用，又要滿足構造要求。