1、浅谈软土地基上管道工程的优化摘要：近年来市政道路管线软基处理逐渐受到关注，但国内相关的资料很少。本文尝试从管材选择、地基处理方法的选择、施工方法的选择等三方面，探讨如何在软土地基上建设优质的管道工程。 关键词：软土； 管道 ；承载力； 沉降 ；地基； 换土垫层法； 挤淤置换法 ；砂石桩法 ；短木桩法 ；深层搅拌法 中图分类号： TU47 文献标识码：A 前言: 随着我国社会经济的高速发展，城市化进度大大加快，对市政道路排水和污水处理系统的需求尤为迫切。完善的城市管网将极大地提高雨污水导排处理系统的工作效率。而优质的管道工程既可以保证管网系统的有效运行，又便于日常维护和减少维修工作量，以降低养护
2、成本。 要建设优质的管道工程，选择适合工程需要的合格管材与良好的施工质量是必不可少的，此外，还必须有合理的设计与施工方案，其中要特别注意在不良土质情况下管道基础的设计，加强对基础和地基土的研究。 在笔者所处的浙江地区，软土分布较多。软土地基是指由天然含水量大、孔隙比大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土,在此类土层上进行地基基础的设计与施工,需要采取相应的加固措施。 本文尝试从管材选择、地基处理方法的选择、施工方法的选择等三方面，探讨在软土地基上建设优质的管道工程。 1、管线工程对地基的要求 管线工程对地基的要求主要包括下述两个方面： 1.1 地基承载力或稳定性问题 地基承
3、载力或稳定性问题是指地基在管道及各种附属构筑物荷载（包括静、动荷载的各种组合）作用下能否保持稳定。若地基承载力不能满足要求，在荷载作用下地基将会产生局部或整体剪切破坏，影响管道及构筑物的安全与正常使用，严重的会引起管道及构筑物的破坏。 1.2 沉降、水平位移及不均匀沉降问题 在管道及各种附属构筑物荷载（包括静、动荷载的各种组合）作用下地基沉降，或水平位移或不均匀沉降会超过相应的允许值。若地基变形超过允许值，将会影响管道及各种附属构筑物的安全与正常使用，严重的会引起管道断裂、管道接口开裂漏水及各种附属构筑物开裂破坏。 当天然地基承载力及变形不能满足要求时，需要对管线结构工程进行优化，以满足管道及
4、各种附属构筑物对地基承载力或地基变形的要求。2、优化管线结构工程设计的原则和方法 总的设计原则是技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。 对管线工程进行优化的方法主要可从以下三方面考虑： 2.1 柔化管道 为减轻荷载、防止不均匀沉降，可采用轻型优质管材如塑料管，管道接口用柔性接口。塑料管自重轻，抗移位能力好，而且不用做钢筋砼基础或素砼基础，可大大减轻自重即减轻荷载，并减小沉降；并且可以缩短工期，减少基坑暴露的时间。 2.2 顶管施工 管道埋置较深，开槽土方量大，施工围护难度大时，可考虑采用顶管施工法。 顶管技术作为一种地下管道施工手段，已有一百多年历史。但重大的发展始于五十年代。随着液压技术的
5、发展，大型千斤顶的采用，才使它在技术上获得迅速推广。顶管施工可适用于排水、引水、给水、热力、电缆管道的铺设。随着现代城市的发展，交通繁忙，建筑物密集，地下管线众多，促使我们对管道施工提出新的要求，顶管施工日益受到重视。当顶管施工的工作井和接收井采用钢筋混凝土结构，可兼作管道检查井。下表中，从造价、施工难度、对周边环境的影响等几方面，笔者对传统的大开挖施工和顶管施工进行了比较。 表 1 大开挖施工和顶管施工的比较 施工方法 优点 缺点 大开挖施工 造价较低； 施工进度快，可结合检查井一起实施； 施工机械简单。 对地面交通影响很大； 对沿线基坑周围的建（构）筑物有很大影响； 埋深较大时，常规 12
6、m 长的钢板桩难以穿越软弱土层，对钢板桩的接长、人工深度、拼缝要求均很高，否则，基坑极易发生漏水、流砂。 顶管施工 不开挖路面； 不拆迁、不破坏地面建筑物； 不影响交通； 不破坏环境； 施工不受气候和环境的影响； 不影响管道的段差变形； 机械化程度高，省时、高效、安全。 对施工机械、施工队伍技术水平有较高要求； 造价较高； 需进行详细的现场调查，如遇地下障碍物处理难度较大； 管线完成后，还要实施检查井； 顶管工作井、接收井所占空间较大，单体造价较高。 可以看出，当管道埋置较深，现状施工条件较复杂的时候，采用顶管施工不失为优化管线工程的一个好的办法。 2.3 强化地基 受到造价、现状管线、施工技
7、术等条件的制约，软土地基上的管线工程目前一般还是首先考虑采用地基处理。笔者所在的浙江省由于软土分布较多，近年来地基处理技术发展很快，地基处理水平不断提高。目前用于管基处理的方法主要有：换土垫层法、挤淤置换法、砂桩法、短木桩法、深层搅拌法（水泥搅拌桩法） 。 2.3.1 换土垫层法 1、基本概念 换土垫层法即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。 2、适用范围 换土垫层法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。处理深度可达23 米。在饱和软土上换填砂垫层时，砂
8、垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。 该方法的优点是：可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期，又能降低造价，因此得到较为普遍的应用。 3、计算方法 1）垫层厚度的确定： 垫层的厚度应根据需要置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下式要求： 式中：相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa） ； 垫层底面处土的自重压力值（kPa） ； 垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa） 。 垫层底面处的附加压力值，可分别按下式计算： 式中： 管道基础基础底面的宽度（m） ； 相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（
9、kPa） ；基础底面处土的自重压力值（kPa） ； 基础底面下垫层的厚度（m） ； 垫层的压力扩散角（） 。 换填垫层的厚度一般不宜小于 0.5m，也不宜大于 3m。 2）垫层底面宽度的确定： 垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定： 式中： 垫层底面的宽度（m） ； 垫层的压力扩散角（） 。 2.3.2 挤淤置换法 1、基本概念 挤淤置换法，是一种强迫换土的形式，通过在软粘土中抛入较大的片石、块石，使片石、块石强行挤出软粘土并占据其位置，以此来提高地基承载力、减小沉降量，提高土体的稳定性。 2、适用范围 挤淤置换法施工简单、迅速、方便。适用于常年积水的洼地，排水困难，泥炭呈流
10、动状态，厚度较薄，表层无硬壳，片石能沉达底部的泥沼或厚度为 3-4m 的软土；或者在特别软弱的地面上施工由于机械无法进入，或是表面存在大量积水无法排除时，石料丰富，运距较短的情况。 3、设计施工注意事项 挤淤置换法所用碎石宜采用不易风化的大石块儿，尺寸一般不小于0.3m。 抛石挤淤法施工时，抛石顺序应自地基中部开始，然后逐次向两旁展开，使淤泥向两侧挤出。当抛入的片石露出后，用重锤夯实或用压路机等机械碾压密实，然后在其上铺设反滤层再行填土。当下卧岩层面具有明显的横向坡度时，抛石应从下卧层高的一侧向低的一侧扩展，并且在低的一侧适当高度范围内多抛填一些，以增加其稳定性。 抛石挤淤边坡不得陡于设计值，
11、顶面宽不得小于设计宽度。 2.3.3 砂石桩法 1、基本概念 砂石桩法是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将砂或碎石挤压入已成的孔中，形成大直径的砂石所构成的密实桩体，包括碎石桩、砂桩或砂石桩，总称为砂石桩。砂石桩与土共同组成基础下的复合土层，作为持力层，从而提高地基承载力和减小变形。 砂石桩法可以利用振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等成桩法成孔。 2、适用范围 砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。在饱和粘土地基上对变形控制要求不严的工程也可采用砂石桩置换处理。砂石桩法也可用于处理可液化地基。 3、计算方法 砂石桩复合地基的承载力特征值，应通过现场复合地
12、基载荷试验确定，初步设计时，可按下式进行估算： 式中 复合地基承载力特征值（kPa） ； 桩体承载力特征值（kPa） ，宜通过单桩载荷试验确定； 处理后桩间土承载力特征值（kPa） ，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值； 桩土面积置换率； 桩身平均直径（m） ； 一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径。 砂石桩孔位宜采用等边三角形或正方形布置。砂石桩直径可采用300800mm，可根据地基土质情况和成桩设备等因素确定。对饱和粘土地基宜选用较大的直径。 2.3.4 短木桩法 1、基本概念 短木桩，通常指用松木制作的木桩，主要用于处理软地基、河堤等。采用短木桩加固的软土地基属于复合
13、地基。短木桩复合地基同其它复合地基相比，除桩的材质不同外，其余均有相似之处，其加固机理一是桩体的支撑作用：短木桩复合地基以短木桩取代了与桩体体积相同的低模量、低强度土体，在承受外荷时，地基中应力按桩土应力比重新分配。应力向桩体逐渐集中，桩周土体所承受的应力相应减少，大部分荷载由短木桩承受。由于桩的强度和抗变形能力均优于土体，故而形成的复合地基承载力、模量也优于原土体，从而达到减小变形、提高承载力的效果。二是挤密作用：短木桩施工时，采用锤击打入，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高，起到挤密作用。从而使桩间土的承载力得到提高，压缩性降低。 2、适用范围 短木桩桩身材料
14、最好采用松木，因松木含有丰富的松脂，而松脂能很好地防止地下水和细菌对其的腐蚀，有“水浸万年松”之说，所以松木桩适宜在地下水位以下工作。但对于地下水位变化幅度较大或地下水具有较强腐蚀性的地区，则不宜使用松木桩，或需先对松木桩进行防腐处理后使用。 为了便于打桩，桩长一般不宜超过 4m。软土厚度小于 5m 时较为适宜用短木桩处理。 3、计算方法 在设计中短木桩用作挤密桩时可按下时计算： 式中 短木桩间距（m） ； 短木桩直径（m） ； 地基处理前砂土的孔隙比，可按原状土样试验确定，也可根据动力或净力触探等对比试验确定； 地基挤密后要求达到的孔隙比； 每平方米桩的根数； 每平方米地基所需挤密桩面积（m
15、2） ， ； 单桩截面面积 （m2） 在设计中，当桩端有硬壳层存在时，可作为端承桩，按下式计算： 式中单桩承载力（kN） ； 纵向弯曲系数，与桩间土质有关，一般可取 1.0； 桩材料的应力折算系数，木桩取 0.5； 桩材料的容许压应力（kPa） 。 2.3.5 深层搅拌法 1 基本概念 深层搅拌法，通常指水泥搅拌桩法，是利用水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高基础强度。软土基础经处理后，加固效果显著，可很快投入使用。 水泥搅拌桩按材料喷射状态可分为湿法和干法两种。湿法以水泥浆为主，搅拌均匀，易于复搅，但水泥土硬化时间较长；干法以水泥干粉
