不良地質(zhì)條件下管道基礎(chǔ)處理與施工

　　前言

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，采用管道輸送各種介質(zhì)的范圍及領(lǐng)域越來越廣，距離越來越遠(yuǎn)。輸送管道的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等有它的特殊性，它和地形、地質(zhì)、輸送的介質(zhì)、管材等有著密切的關(guān)系。在長(zhǎng)距離管道安裝中，由于各方面的因素，采用直埋的方法最為普遍，而直埋管道的基礎(chǔ)對(duì)不同地基、土質(zhì)也有著不同的要求。不良地質(zhì)主要有：軟粘土、雜填土、沖填土、膨脹土、紅粘土、泥炭質(zhì)土、巖溶、濕陷性黃土等。濕陷性黃土地區(qū)在我國(guó)土地面積中占相當(dāng)大的比例，在這種土質(zhì)中敷設(shè)管道，對(duì)地基的處理有著特殊的要求。本文著重介紹濕陷性黃土地區(qū)管道基礎(chǔ)的處理與施工的幾種方法。

　　1　濕陷性黃土的分布

　　在我國(guó)，黃土和黃土狀土廣泛分布在華北、西北等地，且地層多、厚度大。在這些地區(qū)，一般氣候干燥、降雨量少，蒸發(fā)量大，屬于干旱、半干旱氣候類型。黃土分布地區(qū)年平均降水量在250～500 mm之間。黃土在自重或一定荷重作用下受水浸濕后其結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破壞。這是黃土的一種特殊性質(zhì)。我國(guó)濕陷性黃土分布約占黃土分布面積的60%，大部分在黃河中游地區(qū)。

　　由于各地黃土堆積環(huán)境、地理和氣候條件不同，致使其在堆積黃土的物理、力學(xué)性質(zhì)等方面都具有明顯的差別，濕陷性有自西向東、自北向南逐漸減弱的規(guī)律。

　　2　管道地基處理

　　由于濕陷性黃土的特性，在濕陷性黃土地區(qū)管道發(fā)生事故的主要原因是地基的不均勻沉降。因此管道對(duì)地基強(qiáng)度、穩(wěn)定性及不均勻沉降有極為嚴(yán)格的要求。

　　2.1　影響地基的幾個(gè)因素

　　(1)強(qiáng)度及穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)鼗目辜魪?qiáng)度不足以支撐上部結(jié)構(gòu)的自重及附加荷載時(shí)，地基就全產(chǎn)生局部或整體剪切破壞。

　　(2)壓縮及不均勻沉降。當(dāng)?shù)鼗捎谏喜拷Y(jié)構(gòu)的自重及附加荷載作用而產(chǎn)生過大的壓縮變形時(shí)，特別是超過管道所能允許的不均勻沉降時(shí)，則會(huì)引起管道過量下沉，接口開裂，影響管道的正常使用。

　　(3)地震造成的地基土震陷以及車輛的振動(dòng)和爆破等動(dòng)力荷載可能引起地基土失穩(wěn)。

　　(4)地基滲漏量或水力比降超過容許值時(shí)，會(huì)發(fā)生水量損失或因潛蝕和管涌而可能導(dǎo)致管道破壞。

　　當(dāng)管道的天然地基存在上述四類問題之一或幾個(gè)時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)牡鼗幚泶胧?，以確保管道的安全正常運(yùn)行。在確定管道基礎(chǔ)處理方案時(shí)，可根據(jù)工程的具體情況對(duì)幾種處理方法進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及施工進(jìn)度等方面的比較。合理的地基處理一定是技術(shù)可靠，經(jīng)濟(jì)合理，又能滿足工程進(jìn)度的要求。

　　2.2　濕陷性黃土地基的處理方法

　　為了保證濕陷性黃土地基上管道的安全和正常使用，在絕大多數(shù)情況下都必須考慮地基處理，濕陷性黃土地基處理的目的是消除黃土的濕陷性，同時(shí)提高地基的承載能力。

　　管道的地基處理不同于其它建筑物地基的處理，管道地基處理主要是全部或部分消除其濕陷性。對(duì)非自重濕陷性黃土地基，如基礎(chǔ)下地基處理厚度達(dá)到壓縮層下限，或達(dá)到飽和的自重壓力與附加壓力之和等于或小于該土層的濕陷起始?jí)毫?，就可以認(rèn)為地基的濕陷性全部消除。對(duì)自重濕陷性黃土地基，由于地基的濕陷量和濕陷變形與自重濕陷性土層的厚度、浸水面積有關(guān)，而與壓縮層厚度無關(guān)，所以必須處理基礎(chǔ)地面以下的全部自重濕陷性黃土層。

　　在非自重濕陷性黃土地基上，對(duì)Ⅰ級(jí)濕陷性黃土一般不需要地基處理。對(duì)于Ⅱ級(jí)處理厚度為1.0～1.5 m，如處理厚度小于1.0 m時(shí)，濕陷性仍要危及構(gòu)筑物或管道安全。對(duì)于Ⅲ級(jí)濕陷性黃土，處理厚度為1.0～2.0 m，Ⅳ級(jí)應(yīng)為2.0～3.0 m。此外，應(yīng)根據(jù)土層的濕陷性系數(shù)的分布情況，濕陷性黃土層的厚度及管徑、管材、介質(zhì)等具體情況，適當(dāng)增加或減少處理厚度。

　　濕陷性黃土層的管道基礎(chǔ)處理方法很多，常用的方法有土或灰土墊層、砂或砂墊層、強(qiáng)夯法、重錘夯實(shí)法、樁基礎(chǔ)、預(yù)浸法等。各種處理方法都有它的適用范圍，局限性和優(yōu)缺點(diǎn)。

　　由于管線長(zhǎng)，工程地質(zhì)條件千變?nèi)f化，而且機(jī)具、材料等條件也會(huì)因地區(qū)不同而有較大差別。因此，對(duì)每一具體線段都要進(jìn)行細(xì)致分析，從地基條件、處理要求(包括處理達(dá)到的各項(xiàng)指標(biāo)、處理范圍)、工程費(fèi)用、材料、機(jī)具等諸多方面進(jìn)行考慮，以確定合適的地基處理方法。

　　2.2.1　灰土墊層

　　灰土墊屋常被用于非自重濕陷性黃土地區(qū)管道基礎(chǔ)的處理。一般適用于處理1～4 m厚的軟弱土層。管道的基礎(chǔ)是條形基礎(chǔ)，作用于地基上的力也比其它建筑物小，而且是基槽開挖后埋入地下，表面的軟弱土一部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)墊層來處理濕陷性地區(qū)的管道基礎(chǔ)，以提高承載力，減少沉降力。

　　灰土墊層是將基礎(chǔ)下面一定范圍內(nèi)的弱土層挖去，用一定體積比配合的灰土在最優(yōu)含水量情況下分層回填夯實(shí)或壓實(shí)。

　　(1)承載力的確定。經(jīng)過人工壓實(shí)(或夯實(shí))的3∶7灰土墊層，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)控制在0.97及干土重度不小于14.5～15.0 kN/m3時(shí)，其容許承載力可達(dá)300 kPa以上。對(duì)于2∶8灰土，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)控制在0.97及干土重度不小于14.8～15.5 kN/m3時(shí)，其容許承載力可達(dá)300 k Pa。

　　(2)灰土墊層材料配比?；彝林惺矣昧吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)，其強(qiáng)度隨灰土用量的增大而提高，但當(dāng)超過一定限值后，強(qiáng)度則增加很小，并且有逐漸減小的趨勢(shì)。1∶9灰土只能改善土和壓實(shí)性能，2∶8和3∶7灰土一般作為最優(yōu)含灰率，但與石灰的等級(jí)有關(guān)，通常應(yīng)以CaO+MgO所含總量達(dá)到8%左右為最佳。

　　灰土中土不僅作填料用，而且參與化學(xué)作用，尤其是土中的粘?；蚰z粒具有一定活性和膠結(jié)性。含量越多，灰土強(qiáng)度越高，土粒粒徑不得大于15 mm?；彝翂|層的施工，應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)程進(jìn)行。

　　(3)灰土的質(zhì)量檢驗(yàn)。一般采用環(huán)刀取樣，測(cè)定其干土重度。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可按壓實(shí)系數(shù)確定，一般為0.93～0.95。管道基礎(chǔ)壓實(shí)系數(shù)一般采用0.95，不得小于0.90。

　　(4)灰土墊層的厚度與濕陷變形的關(guān)系。墊層具有一定的厚度才能使?jié)裣萘孔畲蟮纳喜客翆拥臐裣菪韵?，并由墊層擴(kuò)散到天然黃土層的附加力減少到某種程度，使浸入后的濕陷量減少。墊層的寬度則以溝槽寬度為依據(jù)，對(duì)于孔洞、溝澗、墓穴及其它回填土、淤土地區(qū)，墊層處理范圍要擴(kuò)大。

　　2.2.2　素土墊層

　　素土墊層是先挖去基坑下的部分或全部軟弱土，然后回填素土分層夯實(shí)，處理Ⅰ級(jí)非自重濕陷性黃土，管徑不大的管道基礎(chǔ)常采用素土墊層。

　　素土墊層的土料一般以粘性土為宜，填土必須在無水的管溝(基坑)中進(jìn)行。夯(壓 )實(shí)施工時(shí)，應(yīng)使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(壓)實(shí)應(yīng)分層進(jìn)行，多層虛鋪的厚度可參照灰土墊層的虛鋪厚度。

　　2.2.3　砂和砂石墊層

　　當(dāng)管道的不透水性基礎(chǔ)與軟土層相接觸時(shí)，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫從基礎(chǔ)兩側(cè)排出，基底下的軟弱土不易固結(jié)，形成較大的孔隙水壓力，還可能導(dǎo)致由于地基強(qiáng)度降低而產(chǎn)生塑性破壞的危險(xiǎn)。砂墊層和砂石墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結(jié)和提高其強(qiáng)度，避免地基土塑性破壞。因此濕陷性黃土地基處理也可采用砂和砂石墊層。

　　砂墊層的厚度一般根據(jù)墊層底面處的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和不大于同一標(biāo)高處軟弱土層的容許承載力來計(jì)算。

　　δ?c?+δ?z?≤R??

　　式中?δ?c--墊層底面處土的自重應(yīng)力，kPa;

　　δ?z--墊層底面處土的附加應(yīng)力，kPa;

　　R?--墊層底面處軟弱土層修正后容許承載力，kPa。

　　具體計(jì)算時(shí)，一般可根據(jù)砂墊層的容許承載力確定墊層基礎(chǔ)寬度，再根據(jù)下臥土層的承載力確定出砂墊層的厚度。

　　砂墊層的寬度除應(yīng)滿足應(yīng)力擴(kuò)散的要求外，還要根據(jù)墊層側(cè)面的容許承載力來確定，防止墊層向兩邊擠動(dòng)。如果墊層寬度不足，側(cè)面土層又比較軟弱時(shí)，墊層就有可能部分?jǐn)D入側(cè)面軟弱土中，使基礎(chǔ)沉降增大。

　　砂、砂土墊層的材料宜采用級(jí)配良好，質(zhì)地堅(jiān)硬的粒料，其顆粒的不均勻系數(shù)不小于10。管道基礎(chǔ)砂墊層以中粗砂為好，也可摻加一定數(shù)量的碎卵石。

　　關(guān)于質(zhì)量檢查，用容積不小于200 cm3的環(huán)刀壓入墊層土取樣，測(cè)定其干土重度，以不小于砂料在中密狀態(tài)時(shí)的干土重度數(shù)為合格，如中砂一般為15.5～16 kN/m3。

　　2.2.4　強(qiáng)夯法

　　強(qiáng)夯法處理地基具有效果顯著、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工方便、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)易行和節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)濕陷性黃土地基的加固有較好的效果，在管道施工中，若遇到濕陷性黃土層厚、濕陷性變形大，且管道自重大，對(duì)管道的安全性要求高的情況下，也可用強(qiáng)夯法來處理基礎(chǔ)。

　　在濕陷性黃土地基土上進(jìn)行強(qiáng)夯，當(dāng)夯擊能為1000～2000 kN時(shí)，一般可消除夯面下5 ～8 m深內(nèi)黃土底濕陷性，5 m深度內(nèi)的土的壓縮模量可提高到150 MPa，容許承載力可提高到200 kPa以上。

　　2.2.5　注意事項(xiàng)

　　管道地基處理不同于其它建筑工程，大部分地基處理方法的加固效果并不是施工結(jié)束后就能全部發(fā)揮，還需要在施工完成后經(jīng)過一段時(shí)間才能逐步體現(xiàn)出來，另一方面，每一線段的地基處理存在它的特殊性，而且地基處理效果大都是隱蔽工程，很難直接檢驗(yàn)其處理效果。這就要求在地基處理施工過程中和施工完成之后注意下面幾點(diǎn)：

　　(1)在地基處理施工中，只了解如何施工是不夠的，還必須了解所采用處理方法的原理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求。

　　(2)進(jìn)行施工質(zhì)量和處理效果的檢驗(yàn)，確保工程質(zhì)量

　　(3)作好監(jiān)測(cè)工作，以保證施工的正常進(jìn)行，通過觀察收集數(shù)據(jù)為下一階段的工作提供可靠的依據(jù)

　　(4)采用可行的檢測(cè)手段來檢驗(yàn)處理效果。

　　(5)通過分析可獲得必要的參考值，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)，必要時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，也可通過分析獲得寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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