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9 0 防洪排水 城 市道桥与 防洪 2 0 1 5 年 8 月第 8 期 软土地基市政排水管道沉降原因分析及对策 杨 滨 ( 上海市政工程设计研究总院( 集团) 有限公司， 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 以工程实测数据资料为基础， 从管道铺设开挖沟槽卸土回弹后在回填土体 自重压力下的再压缩， 围护桩体打、 拔扰动造 成 的管 道周边及基 础土体损失 ， 管 道上部 回填料松 散引起 的 自密 实压缩变形 等几方 面原 因 ， 对软 土地基场 地条件下 铺设 的市政 排水 管道工后沉 降原因进行 了详细分 析 ， 并提 出了减少排水 管道工后沉 降的相应对策 。 关键词： 排水管道 ； 软土地基 ； 沉降 中图分类 号 ： T U 9 9 2 ． 2 文献标 志码 ： B 文 章编 号 ： 1 0 0 9 — 7 7 1 6 ( 2 0 1 5) 0 8 — 0 0 9 0 — 0 4 1 概述 在 我 国江 浙沪 地 区广 泛分 布 有 软土 地 基场 地 ，为解决 附加荷载较大的构建 筑物工后沉 降明 显问题 ，工程设计人员多采用深 基础或地基处 理 等方式。 对于市政排水管道工程来说， 理论上对于 铺设场地几乎没有附加荷载 ，不 应出现明显 的沉 降。另外对于管道工程 ， 实践中也较少采用相对代 价较高 的大范围地基处理或深基础形式 。 2 工程实测数据资料 那工程实践中，市政排水管道发生沉降的实 际情况如何呢?本文将分析某大型主题公园工程 园区内市政排水管道施工及工后全过程 的沉降情 况 。该工程位于上海市浦东新区某地 ， 占地面积约 4 k m ， 各类市政管线累计总长度已达数十公里( 见 图 1 1 。其中根据排水工艺布置要求 ， 排水 系统包括 雨 、 污水管道， 管径 1 0 0 ～ 2 5 0 0 m m不等， 采用 塑 料 及 钢 筋 混 凝 土 成 品管 材 ，管 道 设 计 埋 深 1 ． 5 + 7 ． 5 m不等。 图 1 工程整体 布置概况 本工程场地地质情况属于典型滨海平原 ( 长 江三角洲 冲击平原 ) 地貌 。 浅部土层组厚度约 9 m， 至上而下分别为①层填土、 ②层粉质粘土、 ③层淤 泥质粉质粘土 。 中部土层厚度约 1 6 m， 至上而下分 别为④层淤泥质粘土、 ⑤。 层粘土、 ⑤， 层粉质粘土 等。其中③、 ④层厚度较大， 较为软弱， 是管道坐落 的主要土层 ， 属典型软土地基 。 本 工 程 场 地 浅 部 地 基 土 采 用 了 真 空 预 压 + P V D塑料排水板方法进行场地整体地基处理。 地 基处理后，浅部各土层物理指标较处理前有一定 改善 ， 但变化 幅度 不大 ， 力学性 指标 ( 压缩性 指标 和强度指标) 在第③、 ④层中均较处理前有较明显 的提高；静力 q 值在浅部土层中提高约 2 0 ％一 5 0 ％， 下部土层影响不明显。 处理后， 第③层土从正 常固结土变为超固结土， 应力历史发生明显变化。 而④ 、 ⑤。 层固结程度略有提高， 但基本上仍属正 常固结土。 在市政排水管道工程 中大量使用塑料管及 钢 筋混凝土管， 其中塑料管属柔性材料， 变形协调性 能好 ， 能消化吸收大部分管道整体及差异沉降 ， 工 程性质可靠。但当工艺设计对管径要求较大时， 由 于塑料管材料 的强度局限 ，工程上多使用预制成 品钢筋混凝土管道， 采用承插连接。由于管节间开 口变形的限制 ， 钢筋混凝土管道对沉降较敏感 ， 见 图 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 — 0 6 — 0 1 者 简 婆 一 ) ， 男 ， 江 苏 盐 城 人 ， 工 程 师 ， 从 事 市 政 给 排 图2钢 筋 混 凝 土 管 道 变 形 开 裂 风 险 示 意 水 工 程 结 构 设 计 工 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 8 月第 8期 城 市道桥 与防洪 图 3 管道 沉降实测数 据 3 管道沉降原因分析 本 警 ， 管 道 铺 设 对 于 场 地 几 乎 没 有 附 登 ： ．妻 上 假 设 场 地 工 程 性 状 没 砉 量 粤 显 的 沉 降 。 但 事 实 上 管 道 萎 岂 ： 量 明 显 ， 绝 非 施 工 、 测 量 误 差 哥 ： 茔 磐 譬 成 立 ，即管道铺 土体工程性状有较 明显的改变 ⋯ ～ 3 ’ 底部回弹在回填压重下压缩变形 嗣 ’?勾 槽 ( 基 坑 ) 开 挖 面 基 本 处 于 第 ③ 葚 罂 苎 层 中 ，该 层 土 为 第 四 纪 。 l= ： 相 物 ， 呈饱和 、 流塑状 ，高 等 缩 粪 中 妻 ， 分 布 有 第 ③ 夹 层 灰 色 粘 质 美 盛 土 ， 相 关 土 层 经 地 基 吾 主 荔 理 性 质 见 表 I 。 ～ 一 世 堡 《 等 地 基 基 础 设 计 规 范 )) {2】 5 ．3 ．1 0 5 ．3 _ l 1 皂 ． 回 弹 模 量 与 回 弹 再 压 簇 釜 ’ 取 值 不 同 ，基 坑 的 回 弹 再 压 缩 变 形 量 ‘ =．写 —～ 堕 塑 表 1 地基 处理后 土层工程 物理性质表 耋 土 层 名 称 压 缩 紊 委 吾 蘸 虿 1 甬 — i ； _ ( 2 ) 粉质粘土 O ．3 8 5 ． 0 、 8 0 ． 2 8 0 0 ．0 5 6 ⑨淤泥质粉质粘土 O ．5 7 3 ．9 9 0 ．2 7 3 0 ．0 5 I 泥质粉质粘土0 ．2 6 8 ． 6 6 0 ． 1 6 2 O ．0 2 2 淤泥质 粘土0 ．9 2 2 ．7 0 O ．4 4l O．【 】 9 8 粘土0 ．6 4 3 ．4 9 0 , 4 0 3 0 ．09 9 a 粉质粘土 O ．4 2 4 ．9 5 O ．2 9 6 0 ．o 4 8 竺 垦 苎 圭0 ．2 6 6 ．8 1 0 ．2 4 2 0 ．0 5 U 0 。 0 _ _ _ - - _ - - — - — — ——一 ～’ 0 u UJ 理论概念上不 同。但 因为工程实 际最 竺 垄 再 压 缩 变 形 的 量 值 ， 同 善 的 复杂性及计算准确性 ， 本 薪 计 算 可 假 定 ： 一⋯ ．‘ | 1 ) 回 弹 仅 限 基 坑 范 围 ， 基 坑 回 弹 量 与 4 白l-q 譬 兰 譬 关 系 ，基坑边缘不受基坑开挖影响 ， 基坑开挖完毕即基坑 回弹全部完成嘲 ： ～” ’ b 1‘ ? 基 坑 回 弹 再 压 缩 量 S 在 回 弹 量 值 范 围 内 ， 要 ) 脚 计 算 ，用回弹再压缩模量 回弹模量 嘲 ； ⋯ 一 。 ． 土 回弹模量 及 回弹再压缩模量 E t 要 璺 = 数 值 ， 一 般 可 取 土 层 压 缩 模 量 的 ： ； 若 按 此 经 验 变 形量 计算结果较大： 。 一 ’ 押、 J 厩豆 ， 司根据地质勘查实验数 据计算回弹模量 。 ⋯ 一一 姒 ／ E ：( 、 l f 、 ， 、、o ， 警 度 3 ．5 m ( 即 管 道 外 壁 两 侧 各 l m 竺 篓 宽 ： 长 度 3 0 m 计 ， 累 计 地 基 回 香 形 量 S ’ 。 约为 2 0 ． 1 0 m m， 见表 2 。 ” ⋯ ! 地 基 回 弹 再 压 缩 变 形 量 计 算 值 3 2 围护桩打、 拔扰动土体损失 引起变形 套 地 区 ， 对 于 管 道 沟 槽 开 挖 ， 根 据 埋 深 常 采 用 放 坡 大 开 挖 、钢板桩 围护 、 拉森 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 防洪排水 城 市道桥 与防洪 2 0 1 5 年 8 月第 8 期 开挖等几种形式 ， 并辅 以必要 的降 、 排水措施 。另 外管道坞浜依据《 上海市排水管道通用 图》 【 4 ] ， 一般 采用 中粗砂 回填密实 ， 见 图 4 。 ／ 一 ’一 美 d ∞∞ ． 一— ： ： 一 L | 辎 盟 目 粱 管亳 捧 | ．| _ ’ 譬 ◎ 虽 2 0 ． 5 0 0 一 ．b l【D I I b 1 ． 披麴 扳桩 丝 薹 { 疆 挥自 图 4 管 道构槽 围护及 管道坞 浜示意 图( 单位 ： c m ) 为了将普通或拉森钢板桩顺 利插入 或拔 出含水 量较高的饱和软土中，施工中往往会采用振动打 拔。该方法不可避免造成土体扰动， 最终引起土体 重新 固结沉降。同时 ， 钢板桩有一定体积 ， 将其插 入土 中 ， 会 引起 土体塑性变形 ， 形成孔 隙 ， 如不处 理 ，会造成管道周边松散 的回填料填充补偿此类 孔隙 ， 最终导致 管道周边 土体损失 、 松散 ， 引起压 缩变形 。另外 ， 如果发生钢板桩拔出时 ， 大量土体 附着在桩身上， 造成的土体损失将更加明显。 以上分析 中 ，扰动后土体 固结导致 的压缩变 形量计算较为困难。但对于钢板桩体积挤 占， 导致 土体塑性变形， 形成孔隙， 以及土体附着桩身拔桩 引起的土体压缩变形 ， 可尝试有限元法分析计算。 以本工程实 际使用 的 9 ～ 1 2 n l I V型拉 森钢板 桩 ( 4 0 0 mm1 7 0 m m1 5 ． 5 mm ) 为条 件 ， 简 化模 型 ， 假定如下 ： ( 1 ) 管道 沟槽 相对横断 面 ， 纵 向尺寸较大 ， 按 平面有 限元假定 ， 不考虑管道 的影响； ( 2 ) 回填密实 ， 拔 出钢板桩后 ， 强制接触面( 沟 槽内、 外两侧) 土体向拔桩后挤压或带土损失形成 的孔隙变形 ， 最终导致管道沉 降位移 ， 不 同假设计 算条件下 的等效变形量按表 3选取 ； 表 3 假 定土体等 效变形量表 ( 3 ) 计算模型 中假定弹性模量 E取 3倍的压缩 模量 E ； ( 4) 简 化取管道 沟槽底竖 向位移 即为管 道沉 降量 。 平面有 限元分析 由土体损失导致 的土体变形 趋势见图 5 ， 整体特征是上部土体变形完全表现为 沉 降， 从地表向下随深度增加逐渐减小 。沟槽底部 越靠近钢板桩处土体越变形越 明显 ，表现 为水平 及竖向变形相结合 。远离钢板桩 的管 道位置处土 体变形基本体现为沉降， 相对数值最小。 图 5 土体损失导 致管道沉 降有限元分析 云图 管道沉降计算结果见表 4 ， 如果钢板 桩拔 出时 发生大量土体明显附着在桩身上 ， 导致土体损失， 将最终造成 明显 的管道沉 降 ，其理论数值 将是不 带土拔出情况 的 5 ～ 1 0倍 。 表 4 体 损失导致管 道沉降量计算 结果 一 鐾㈡ 貉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 8 月第 8期 城 市道桥 与防 洪 防洪排水9 3 3 ． 3 管道上部回填料松散引起的 自密实压缩变形 管道上部 回填 材料主要为管道周边及管顶 的 松散材 料 ， 本工程采用 中粗砂 ， 管顶上 5 0 0 mr f l 以 上为正常回填场地原土。按设计要求， 平均密实度 为 0 ． 9 3 。 地表沉 降曲线 可简化为抛物线 ( 见 图 6 ) ， h即 为地表 最大沉降值 ， 为管道沟槽 宽度 ， 日为管 道 以上部分 回填料厚度 。 计算模型： ? ： ^ l ， n _ ． j ／ 一 — H L 图 6 土体损 失导致管 道沉降有 限元分析 云图 填料变形密实后质量保持不变 ，体积与密度 成反比， 密度和密实度成正比， 所以体积 与密实 度 A成反 比， 即式( 3 ) 成立： A l ／ A 2 =V 2 ／ 1 ( 3 ) 式 中 ： A 、 V 分别为沉 降发生前填料 密实度 和体 积 ( 见式 ( 4 ) ) ； A 、 分别为沉降发生后填料密实度 和体积( 见式( 5 ) ) 。 假设当填料密实度 A 2 = O ． 9 3 时， 不再发生后续 自密实。 V l = H L ( 4 ) V E = HL一 1 ． 5 ( 5 ) 可由上式推导得地表最大沉降值 ， 见式( 6 ) 。 h = 1 ． 5 H( 1 - A 。 ／ A ) ( 6 ) 本工程 中取值沟槽宽度 L = 3 ． 5 0 i n ，管道埋深 5 ． 2 m， 管道 以上 回填料厚度 H= 3 ． 8 m， 回填料密实 度 A和地表最大沉降值 h对应关系见 图 7 。 可见 当 回填料密实度为 O ． 8 5 ～ 0 ．8 6 时， 地表最大值可达到 4 0 0 m m以上。需 要指出的是 ， 虽 然变形沉降量较 大 ， 但不会发展 到管道位置 ， 主要表现为地表土体 沉降 。 4 减少管道沉降相应对策 造成本工程管道沉降的原因可大致分为沟槽 、 ， ＼ ＼ ‘＼ 、 、 、 ＼ ＼ 8 5 0． 8 6 0 ． 8 7 0 ． 8 8 0． 8 9 0． } 0． 9 1 0 ． 9 2 0 ． 9 3 0 ． 94 0 ． 95 假设沉降前回填料密实度X 图 7 回填料密 实度 ^ 和 地表最大 沉降值 h对应关 系 开挖卸土后底部土体回弹变形 ，振动拔桩造成的 土体损失及扰动 ，土体扰动后重新固结沉降长期 作用等几方面。采取适当措施可将其控制在一定 范围内， 具体措施如下 ： ( 1 ) 考虑到管道沟槽底部 回弹变形 ， 应尽量减 少 沟槽 开放暴露 时间 ， 减少对土体的扰动 ， 可根 据 沉降观测数据在排管过程中“ 预抛高” 处理。 ( 2 ) 拔桩过程 中可采用跟踪注砂浆 的方式补偿 拔桩造成 的土体损失 。也应尽可能采用静力拔桩 的方式拔除， 避免振动扰动造成土体损失。 ( 3 ) 管道沟槽设计方面可适当增大沟槽宽度 ， 避免钢板桩距离过近造成扰动增强 ，钢板桩人土 深度不宜过深 。 5 结语 工程实践中市政排水管道施工过程中土体沉 降客观存在。 发生沉降因素涉及方方面面， 主要和管 道铺设施工过程有关 ， 总结起来主要以下几点 ： ( 1 ) 沟槽卸土后底部土体回弹因回填料压重引 起压缩变形引起管道沉降； ( 2 ) 沟槽开挖围护桩打、 拔扰动及土体损失引 起变形 。 只要根据这些 主要 问题采取 了合 理的应对措 施，相信在市政排水管道工程中管道工后沉降可 以得 到有效控制 ， 满足其使用功能要求。 参 考文献 [ 1 】 GB 5 0 3 3 2 — 2 0 0 2 ， 给 水排水 工程管道结 构设计规 范【 S 】 ． 【 2 】G B 5 0 0 0 7 — 2 0 1 1 ， 建 筑地基基 础设计规 范[ s 】 ． [ 3 ]给水排水工 程结 构设计 手册 编委会 ． 给水排 水工程 结构设 计手 册【 M] ． 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 ] 上 海市 排水 管道 通用 图 P S AR—D — O 1 — 9 2 [ Z ] ． 上 海 ： 上海 市 城市 建设设 计院， 1 9 9 2 ． 【 5 1 朱炳寅， 娄宇， 杨琦． 建筑地基基础设计方法及实例分析( 第二版、 【 M] ． 北 京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 3 ． 伽 蚕 ； 批 咖 猢 m ∞ o 一 目 ／ q 啦 器 靛 ～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m