珠海市西区输水干管地基处理.doc

珠海市西区输水干管地基处理
廖秋春
　　摘要　本文介绍深淤泥厚填土场地大型输水干管工程的地基处理，水泥搅拌桩复合地基基础设计与计算及过桥管、过堤管等的技术处理措施。
　　关键词　输水干管　地基处理
Zhuhai City West District Transmission Main Treated Foundation
Liao Qiuchun
(Zhuhai City Planing Design and Research Institute)
　　ABSTRACT　Large transmission main pipe line engineering,treated foundation on deep muddy,thick backfilling ground is introduced in this paper,cement mixed combined earth foundation is designed and calculated,pipe bridge、pipe pass through dam and etc,technical measures are also introduced.
　　KEYWORDS　Transmission main Treated foundation
一、工程概况
　　珠海市西区输水干管(该工程分2期，1期设计规模每天供水12万m3，2期设计规模每天供水28万m3，本文所指的是1期工程)沿珠海快速干道铺设，东起珠海白藤头，途经小林、平沙和南水3个管理区，跨越泥湾门、南水沥等大小桥梁10余座，西至高栏岛，工程全长25.4km，工程总造价约0.6亿元，工程总平面如图1，输水管道管径1.0～1.6m，工作压力0.6MPa，大部分管道采用一阶段预应力钢筋混凝土管，高栏岛连岛大堤段、过桥管和软硬场地交界处等采用钢管，钢管壁厚10～14mm。预应力混凝土管道共长约21km，钢管共长约4.4km。本工程滩涂地带游泥深厚，采用水泥搅拌桩处理地基，搅拌桩桩径0.5m，桩长8～12m，共施工搅拌桩30000根，总桩长255000m。
二、场地地质状况
　　本工程跨越滩涂地带及山地，滩涂地带长度约20km，山地约2km，山地为坚硬的亚粘土层，滩涂地带地貌属河口三角洲～平原，水系发育，河沟纵横交错，软硬地基交错，填土厚薄不均，淤泥深厚，压缩性大。地层自上而下依次为：
　　1.素填土：素填土为花岗岩或砂岩风化土，岩性以亚粘土为主，填土时间约2年松散，湿～饱和，欠固结，厚度0.5～4.5m，桥台部位6～7m；
　　2.淤泥：层厚1.4m～18m，土的重度γ=16.0kN/m3，天然含水量ω=52.5%～72.6%，孔隙比e=1.54～1.92，塑性指数Ip=16.7～28,6，液性指数IL=1.50～2.50，固结系数CV=0.6496×10-3cm2/s，压缩模量E=1.40～1.80MPa，凝聚力c=4.00～12.60kPa,内摩擦角φ=2°～5°，容许承载力50～67kPa,流塑状；
　　3.亚粘土层：层厚2m～9m，土的重度γ=17.0～22.2kN/m3，天然含水量ω=10.5%～36.6%，孔隙比e=0.37～0.2，塑性指数Ip=9.2～16.6，液性指数IL＜0～0.86，压缩模量E=4.1～13.8MPa,凝聚力c=16.6～42.60kPa，内摩擦角φ=15°～38°，容许承载力f=150～450kPa，可塑状。

图1
三、场地滩涂地带沉降分析
　　本工程输水管道铺设在珠海快速干道南侧，根据规划的要求，路面标高3.50～5.00m，路面宽度50m，道路两侧为蔗地，路基填土厚度2～5m，桥台和原地面水沟等部位填土厚度5～7m，填土下面为厚度1.4～18.0m淤泥，其横断面如图2。从图2可知，地基的沉降主要由填土荷载引起。取填土厚4m，淤泥厚度12m，压缩模量ES=1.59MPa，填土荷载Po=γh=17×4=68kPa，沉降计算经验系数ψS=1.4，用角点法可计算其沉降：

由于场地填土已有2年时间，按单向固结，取CV=0.65×10-3cm2/s，计算其固结度U=15%,因此地基沉降为0.59(1-U)=0.50。考虑到道路两侧蔗地需填土开发，则可按下式［1］计算其沉降：

　　由于考虑填土完成有一段时间，本文沉降计算中未考虑淤泥层以下亚粘土的沉降。考虑固结的影响，计算得最终沉降S=0.63m。
　　按以上方法，可计算填土厚度为4m时，不同淤泥厚度产生的沉降如下：

淤泥厚度(m)
8
12
16
不考虑蔗地填土的沉降(m)
0.35
0.51
0.64
考虑蔗地填土的沉降(m)
0.45
0.63
0.84

图2
　　由于本工程大部分场地淤泥深10～14m，填土厚度3.0～4.5m，从以上计算和分析可知即使不考虑道路两侧蔗地开发填土，工程场地沉降已很大，若考虑该因素，场地沉降更大，将在以下部位产生不均匀沉降：
　　1.软硬土交接处(如滩涂地带与山地交接处)；
　　2.滩涂地带淤泥厚度的变化处；
　　3.填土厚度的变化处：(1)小河沟填平，河沟处填土厚度大于两岸；(2)大小桥桥台填土厚度(5～7m厚)，远大于路基填土厚度(2～4m厚)。
　　本工程管道若采用预应力钢筋混凝土管，其每段长度为5m，其接头处容许转角为1°，过大的沉降将引起接头处开裂漏水，因此地基需进行处理；若采用钢管，其抵抗不均匀沉降及抗裂性能应强于预应力钢筋混凝土管，但其造价较高。因此，采用合适的地基处理方案和管材，以降低工程造价，而又保证输水管道安全，是本工程的主要问题。
四、设计方案比较
　　根据本工程地质情况及工程特点，工程设计人员提出了2个设计方案：
　　第1方案：山地不处理地基，滩涂地带采用水泥搅拌桩处理地基，上部主要采用预应力钢筋混凝土管，过桥处等局部地段采用钢管。该方案的优点是：由于本工程工程量大，采用预应力钢筋混凝土管可就近取材；管道无需进行防腐处理，供水水质有保障；造价较低，直径1m管，每公里造价2075607元，为钢管方案的70%。其缺点是为节省工程造价，本方案设计的搅拌桩长度为8m，未进入硬土层，沉降问题没有完全解决，国内无可借鉴的类似工程，技术上有一定风险和难度；爆管时修复困难。
　　第2方案：山地和滩涂地带均不处理地基，全部采用钢管。其优点是：抵抗地基不均匀沉降能力强；爆管时修复容易。其缺点是：造价较高，直径1m管，每公里造价2935794元；管道需进行防腐处理，供水水质不如预应力混凝土管。
　　经综合比较，本着节省工程造价的目的，本工程采用了第1方案。
五、滩涂地带地基处理
　　1.水泥搅拌桩复合地基设计与计算
　　本工程搅拌桩采用梅花形布置，桩径0.5m，桩长8m，置换率m=18%，设计桩身无侧限抗压强度qu=1．35MPa，如图3、图4。从图3可看出，本工程与一般工业与民用建筑复合地基有以下几点不同：
　　(1)由于输水管比其置换的土轻，当路基边坡稳定时，复合地基不存在承载力问题；
　　(2)管道产生的荷载小于周边填土产生的荷载，而复合地基压缩模量大于周边软土，复合地基产生负摩擦力。因此，本工程复合地基主要起减少沉降的作用，沉降计算需考虑负摩擦力的影响。

　　　　　　　图3　　　　　　　　　图4
　　取搅拌桩压缩模量Ep=120q=162MPa，桩间土压缩模量Es=1.59MPa，复合地基压缩模量Eo=mEp+(1-m)Es=30.46MPa。淤泥厚度14m，填土厚度4m时，考虑负摩擦力影响及蔗地填土开发，可算得地基沉降为0.31m。其值显著小于不处理地基时的沉降0.63。
　　2.场地稳定分析
　　由于本工程管道沿西区输水干管路基铺设，路基填土较厚，滩涂地带淤泥层剪切强度较低，因此本工程要解决路基的稳定问题。路基的稳定与填土厚度、路基边坡倾斜角度及淤泥剪切强度有关。选取不同的填土厚度，采用瑞典圆弧法进行稳定分析计算如下(稳定分析未考虑搅拌桩作用，计算结果偏安全)：

填土厚度h
3.5
4.0
4.5
边坡角度
1∶1.0
1∶1.2
1∶1.5
稳定安全系数K
1.2
1.1
1.0

　　根据上面的计算结果及不同地段的填土厚度，本工程选取1∶0～1∶2的路基边坡角度，如图2。桥台等填土特别厚的部位，采用台阶式反压护道边坡。
　　4.几个特殊地段的处理
　　(1)1#～8#小桥
　　1#～8#小桥均位于滩涂地带，由于桥台处填土较厚，其沉降远大于其他部位，桥台及桥本身采用桩基础，其沉降已稳定，因此桥面、桥台后填土和路基3者存在很大的沉降差，即使采用钢管，也未必能适应地基的变形，如图5。采用了避开桥台的折线型管道布置方法。
　　(2)高栏岛连岛大堤段
　　高栏岛连岛大堤段全长2.26km，淤泥厚15～25m，修建时未进行任何地基处理，直接在地基上抛石填土挤压淤泥而形成，预计沉降1～1.5m。由于其地基淤泥深厚又抛填了许多大的块石，无法进行经济而又有效的地基处理，决定不处理地基，采用明铺钢管的方法：沿连岛大堤每隔200m设固定支墩一个，固定支墩之间每隔10m设滑动支墩一个，共设置滑动支墩242个，固定支墩12个，输水钢管布设在支墩上，如图6。这样的处理方法，工程维护人员可直观观察其变形，及时进行修复。

　　　　　　图5　　　　　　　　　图6
　　(3)过大桥管与陆地管的连接
　　本工程输水管需经过鸡啼门、泥湾门等大桥，大桥跨度均在600m以上，加之水深流激，不能采用过小桥的方法，管道只能沿大桥铺设。大桥为桩基础，施工已有2年时间，与过小桥处同样的原因，大桥、桥台后填土和路基3者存在很大的不均匀沉降。如图7，对于这种情况，在过渡管2端设置卡箍式柔性接头，其容许转角为5°，这样，管道变形能力大大提高，同时搅拌桩桩长加长为12m，考虑桥台后填土沉降较大，管道可能与路基脱开，形成间支梁，管道内力加大，管道壁厚加大2mm。

图7
(4)软硬地基交界处
　　在山地与滩涂地带交界处，淤泥的沉降远大于亚粘土的沉降，但由于地层是逐渐过渡的，因此，过渡管未设置卡箍式柔性接头，仅将过渡段预应力混凝土管改为钢管，如图8。同样，在水沟地段由于填土较厚，其沉降较大，局部也采用钢管，如图9。

图8　　　　　　　　　图9
六、结束语
　　珠海市西区输水干管工程管径大、线路长，跨越河沟纵横交错，地形复杂，深淤泥厚填土的滩涂地带，国内尚不多见。本工程搅拌桩处理地基，采用预应力混凝土管代替钢管，节省工程造价约1800万元。该工程竣工至今已4年时间，高栏岛联岛大堤段有几处出现较大的不均匀沉降及水平位移，但由于是明管，及时进行了修复，其他段使用情况良好，未发现因地基不均匀沉降而引起管道的开裂现象。本工程提出的地基处理方法，输水管道过桥、过海堤、垮越河沟和软硬场地交界处等的技术处理措施等可供同类工程借鉴和参考。
作者单位：廖秋春　(珠海市规划设计研究院　519000)
参考文献
［1］ 廖秋春等，关于建筑物地基基础设计的一些建议，建筑结构，1998，(5)
［2］ 建筑地基基础设计规范GBJ7-89
［3］ 地基处理手册，中国建筑工业出版社，1989