PVC 管樁在既有地下管線保護中的應用

王賢

中鐵建設集團中南建設有限公司，湖北 武漢 430080

1 引言

工程建設中的施工作業活動對地面產生荷載作用，會造成地基的沉降。地基土體的沉降作用使既有地下管線承受附加應力和推力，從而造成管線的變形和位移，進而引發管線的錯位甚至破裂［1］。這將導致管線無法發揮正常使用功能，嚴重影響相關設施的運行。此外，地下管線的修復困難，在修復過程中可能導致嚴重的交通堵塞問題，進一步造成社會經濟損失。因此，對該問題的解決方案進行研究至關重要。

采取措施對地基進行加固處理，可以很大程度提高地基的整體剛度，從而減弱地面荷載對既有地下管線的影響，起到對管線的保護作用。目前比較常見的是將混凝土樁沉入地基中，以達到加固地基的目的，因此近年來許多學者從事混凝土樁復合地基的研究。于偉剛等根據實際工程案例詳細闡述了CFG 樁復合地基的設計、施工和應用效果［2］。馬秉務及戚英杰等采用有限元方法分析了CFG 樁復合地基的力學性狀［3-4］。張振等對勁芯水泥土樁承載路堤的樁體破壞形式進行了試驗和數值模擬分析［5］。鄭剛等采用現場單樁靜載試驗方法研究了超長水泥攪拌樁復合地基的承載力影響因素［6］。馮震等對軸向荷載作用下CFG 樁的水平位移和附加彎矩進行了試驗研究［7］。葉觀寶等針對加芯水泥土樁復合地基提出了一種樁土應力比的實用計算方法［8］。

然而臨時性的地基加固若采用CFG 樁，成本較高，施工工期比較長。文章提出了一種使用PVC管作為樁體對地基進行加固的方案。PVC 管價格便宜，施工快捷，應用于臨時性地基加固中可以產生很好的經濟效益。此外，采用數值模擬方法對PVC管樁復合地基進行計算分析，并通過與天然地基的計算結果對比，驗證了該方案的有效性。

2 工程概況

以江西南城工業園區污水處理廠出水提標技術改造項目中污泥脫水間脫水機吊裝為例，由于場地狹小，而且場地地下布滿了進出水管道，其吊裝不得不占用道路邊的綠化地。綠化地由于管道的安裝，多為未經處理的松軟回填土，吊裝過程中極易出現吊車傾斜和因為重載影響地下管道的情況。傳統的地基處理方法工期長、費用高，為解決實際工程的需求，本文提出了采用塑料管樁進行地基處理的思路。如圖1 所示，由于工程建設，起重機需在預埋有地下管線的回填土地基上進行作業。起重機作業時產生的荷載作用使回填土地基產生沉降，可能導致埋置于其中的既有地下管線發生變形甚至破裂。為了保護既有地下管線，該回填土地基需要進行有效的加固處理。該工程地基上層土為普通回填土，厚度為3 m，下層土為砂質粉土。

圖1 工程案例情況

考慮到經濟效益，擬采用PVC 管代替傳統的混凝土樁來對地基進行加固處理，采用正方形布樁模式，樁徑0.6 m，樁間距2.4 m，樁長10 m。為了方便起重機作業，使樁體共同受力，樁頂部放置承壓鋼板。該地基加固方案是否對既有地下管線起到有效的保護作用需要進一步計算分析。

3 數值模擬

為了分析PVC 管樁加固地基的效果，采用了ABAQUS 有限元商業軟件，這個軟件具有豐富的材料本構模型和單元模型，計算效率高，計算能力強大，能夠很好地適應一般非線性問題的求解。其包含許多功能模塊，在求解巖土工程相關問題上表現出優異的能力，被廣泛地用于各種實際巖土工程的分析。

3.1 模型建立

如圖2 所示，承壓鋼板厚度為0.04 m，水平寬度均為14.4 m。為了減小邊界條件對計算結果的影響，模型側面邊界取承壓鋼板外12.8 m，大于20 倍樁徑，深度取2 倍樁長。故整個模型的水平寬度均為40 m，深度為20 m。地下圓形管線直徑為0.6 m，中心位于地面以下4.2 m 處。

圖2 模型

外部荷載主要由起重機作業產生，起重機自重和最大起重分別為31.5 t 和30 t，起重機占地面積為4.55×4.85 m2。根據實際工程情況，同時考慮最不利荷載，該模型中部豎向均布荷載取30 kPa，作用面積取4.8×4.8 m2。此外模型還考慮了PVC 管樁、承壓鋼板、土體和管線的重力作用。該模型約束了四側面的法向位移，并在底面采用全約束，同時考慮樁體和土體的相互接觸。

該模型的樁、土和線均采用八節點實體單元，承壓板采用四節點殼單元。由于管內土體存在，根據剛度等效，PVC 空心管樁被等效為各向均勻的實心圓樁，此外管線也被簡化建模為與空心水管等剛度的實心圓管。PVC 管樁、承壓鋼板和管線采用線彈性本構模型，土體假定為理想的彈塑性體，采用Mohr-Coulomb 模型進行模擬，模型各部分材料參數如表1 所示。

表1 模型各部分材料參數

3.2 計算結果與分析

在外部荷載作用下，既有地下管線由于地基的沉降和水平擠壓會產生變形，過大的變形會造成管線的接頭拉開、管道開裂等。地面過大的沉降會影響吊車的正常工作甚至造成事故。因此本文的模擬主要計算外載作用下PVC 管樁復合地基的整體沉降和既有地下管線的位移與應力，同時對相同荷載條件下天然地基模型進行計算分析，以探究PVC管樁在加固地基和保護地下管線中的作用。為了便于比較，本文對有樁和無樁兩種情況下的地基表面中線路徑和地下管線表面軸向路徑上的結果進行對比分析。

3.2.1 地基整體沉降對比分析

天然地基和加固后地基這兩種情況下的地基表面沉降對比如圖3 所示。從圖中可以看出：在兩種情況下，荷載作用中心均發生最大沉降，這符合外部荷載作用在地基中部的實際情況；使用PVC管對地基進行加固處理情況下的地基沉降均小于天然地基情況下的地基沉降，在出現最大沉降的地基中心處減小了42.83%，說明使用PVC 管樁同樣能夠有效提高地基的整體剛度，達到加固地基的效果。PVC 管樁的剛度沒有混凝土樁的剛度大，地基變形的改善達不到混凝土樁的效果，但能夠滿足現場吊裝的要求。

圖3 兩種情況下的地基整體沉降對比

3.2.2 既有地下管線的變形對比分析

兩種情況下的既有地下管線各方向上的位移對比如圖4 和圖5 所示，由于沿著x軸方向（沿著管線軸線方向）的水平位移幾乎為零，故在此不再討論。從圖4 可以看出：兩種情況下的既有地下管線沿著y軸方向（垂直于管線軸線方向）的水平位移呈現反對稱分布，說明管線并未發生明顯的水平剛體位移；與未加固地基情況下的計算結果相比，使用PVC 管對地基進行加固有效減小了既有地下管線的水平變形，最大水平變形減小了29.48%。管道的水平位移不會影響管道的正常工作。從圖5 可以看出：在兩種情況下，既有管線的豎向位移在中部均出現最大值；使用PVC 管對地基進行加固處理情況下的既有地下管線豎向位移均小于未加固地基情況下的既有地下管線豎向位移，在出現最大豎向位移的管線中部減小了19.43%。結果表明，以PVC 管作為樁體對地基進行加固處理能夠有效減小既有地下管線的變形，保證管道的正常使用，對既有地下管線起到很好的保護作用。

圖4 地下管線沿y 軸方向的水平位移對比

圖5 地下管線的豎向位移對比

3.2.3 地下管線的應力對比分析

兩種情況下既有地下管線的各個方向應力對比如圖6、 圖7 和圖8 所示。從圖中可以看出：x軸方向上的應力相較于其他兩個方向上的應力很小；在兩種情況下，既有地下管線的y軸方向上和z軸方向上的應力分布均呈現對稱分布，這與其變形特征相對應；使用PVC 管對地基進行加固處理情況下的既有地下管線沿著y軸和z軸方向的應力結果均小于未加固地基情況下的應力結果，兩個方向上的最大應力值分別減小了10.51%和7.11%。結果表明，使用PVC管作為樁體對地基進行加固處理的手段有效減小了既有地下管線的應力，對管線起到保護作用。

圖6 地下管線在x 軸方向上的應力對比

圖7 地下管線在y 軸方向上的應力對比

圖8 地下管線在z 軸方向上的應力對比

4 結語

根據實際工程設備吊裝的需要，為保護預埋于回填土地基中的地下管線，提出了一種采用PVC管作為樁體對地基進行加固的處理方案，采用數值模擬的方法分析了荷載作用下PVC 管樁復合地基的整體沉降和既有管線的位移與應力狀態，并與相同條件下天然地基模型的計算結果進行比較，得到如下結論。

（1）相同荷載條件下，PVC 管樁復合地基的地面沉降較天然地基小得多，因此該地基加固處理方案能夠有效提高地基的整體剛度，使吊裝過程不會受地基沉降的影響。

（2）與天然地基相比，PVC 管樁復合地基的既有地下管線的變形明顯減小，從而使管線不會出現變形過大造成的破壞，對地下管線起到很好的保護效果。

（3）與天然地基相比，PVC 管樁復合地基的既有地下管線的應力在管道軸向方向略有增加，而在其他方向有所減小，但是總的應力值不大。因此該地基加固方案能夠有效減弱管線受到的各個方向的附加應力，可以起到保護地下管線的效果。

（4）文章提出的PVC 管樁地基加固方案能夠有效地解決回填土地基中既有地下管線保護的實際工程問題，相較于采用傳統的復合地基，經濟效應明顯，在今后臨時性地基加固工程中具有一定的參考價值。