试论给水管道软基基础处理的方法和策略
摘要：在不同的地质条件下设计、施工给水管道有着不同的技术要求。本文介绍了在软基基础地基处理的几种方法以及灰土及砂垫层处理方法。
关键词：软基基础；管道施工；地基处理方法
随着国民经济的发展，科学技术的进步，采用管道输送各种介质的范围及领域越来越广，距离越来越远输送管道的设计、施工、维护等有它的特殊性，它和地形、地质、输送的介质、管材等有着密切的关系。在长距离管道安装中，由于各方面的因素，采用直埋的方法最为普遍，而直埋管道的基础对不同地基、土质也有着不同的要求,在软基土质中敷设管道，对地基的处理有着特殊的要求。
1软土地基对给水管道的影响
一般情况下，市政给水管道安装在道路的一侧，当管线软基压缩沉降时，管体上部受覆土及车辆荷载或土体侧向位移的作用而产生纵向弯曲，致使管道失稳，在最薄弱处产生破裂而漏水。在给水管道工程实践中，软基对其产生的损坏主要有:
①在采用橡胶圈密封的承插口处，往往是橡胶圈被挤出；在采用打口方式的承插口处，接口易松脱发生漏水事故。
②造成钢管在焊接口处断裂，裂缝一般为环向，呈中间大两边小的形状。
③管道伸缩节的接头易被拉裂。
④阀门的法兰被拉裂或皮垫被损坏而造成漏水。
⑤在局部有大石块的管基或管渠交叉处，普通铸铁管或UPVC管易断裂。
表1是珠海市2004年一2008年中。因软土地区管道地基下沉或土体侧移而引起给水管道漏水事故情况的统计、其中钢管焊缝开裂造成的漏水事故占了较大的比例。一般，在软土地区大部分采用钢管，其事故几率亦会相对增加，同时也说明软基是造成管道漏水事故的主要原因之一。
表1给水管道漏水事故情况统计表
2影响地基的几个因素
(1)强度及稳定性。当地基的抗剪强度不足以支撑上部结构的自重及附加荷载时，地基就会产生局部或整体剪切破坏。
(2)压缩及不均匀沉降。当地基由于上部结构的自重及附加荷载作用而产生过大的压缩变形时，特别是超过管道所能允许的不均匀沉降时，则会引起管道过量下沉，接口开裂，影响管道的正常使用。
(3)地震造成的地基土震陷以及车辆的振动和爆破等动力荷载可能引起地基土失稳。
(4)地基渗漏量或水力比降超过允许值时，会发生水量损失或因潜蚀和管涌而可能导致管道破坏。
当管道的天然地基存在上述问题时，应采取适当的地基处理措施，以确保管道的安全正常运行。在确定管道基础处理方案时，可根据工程的具体情况对几种处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。合理的地基处理一定是技术可靠，经济合理，又能满足工程进度的要求。
3软基基础的处理方法
3.1灰土垫层
灰土垫屋常被用于软基基础给水管道基础的处理。一般适用于处理1～4m厚的软弱土层。管道的基础是条形基础，作用于地基上的力也比其它建筑物小，而且是基槽开挖后埋入地下，表面的软弱土一部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)垫层来处理湿陷性地区的管道基础，以提高承载力，减少沉降力。灰土垫层是将基础下面一定范围内的弱土层挖去，用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层回填夯实或压实。
⑴承载力的确定。经过人工压实(或夯实)的3∶7灰土垫层，当压实系数控制在0.97及干土重度不小于14.5～15.0kN/m3时，其容许承载力可达300kPa以上。对于2∶8灰土，当压实系数控制在0.97及干土重度不小于14.8～15.5kN/m3时，其容许承载力可达300kPa。
⑵灰土垫层材料配比。灰土中石灰用量在一定范围内，其强度随灰土用量的增大而提高，但当超过一定限值后，强度则增加很小，并且有逐渐减小的趋势。1∶9灰土只能改善土和压实性能，2∶8和3∶7灰土一般作为最优含灰率，但与石灰的等级有关，通常应以CaO+MgO所含总量达到8％左右为最佳。灰土中土不仅作填料用，而且参与化学作用，尤其是土中的粘粒或胶粒具有一定活性和胶结性。含量越多，灰土强度越高，土粒粒径不得大于15mm。灰土垫层的施工，应严格按有关规程进行。
⑶灰土的质量检验。一般采用环刀取样，测定其干土重度。质量标准可按压实系数确定，一般为0.93～0.95。管道基础压实系数一般采用0.95，不得小于0.90。
⑷灰土垫层的厚度与湿陷变形的关系。垫层具有一定的厚度才能使湿陷量最大的上部土层的湿陷性消除，并由垫层扩散到天然黄土层的附加力减少到某种程度，使浸入后的湿陷量减少。垫层的宽度则以沟槽宽度为依据，对于孔洞、沟涧、墓穴及其它回填土、淤土地区，垫层处理范围要扩大。
3.2素土垫层
素土垫层是先挖去基坑下的部分或全部软弱土，然后回填素土分层夯实，处理Ⅰ级非自重湿陷性黄土，管径不大的管道基础常采用素土垫层。素土垫层的土料一般以粘性土为宜，填土必须在无水的管沟(基坑)中进行。夯(压)实施工时，应使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(压)实应分层进行，多层虚铺的厚度可参照灰土垫层的虚铺厚度。
3.3砂和砂石垫层
当管道的不透水性基础与软土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫从基础两侧排出，基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。因此软基基础处理也可采用砂和砂石垫层。砂垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外，还要根据垫层侧面的容许承载力来确定，防止垫层向两边挤动。如果垫层宽度不足，侧面土层又比较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。砂、砂土垫层的材料宜采用级配良好，质地坚硬的粒料，其颗粒的不均匀系数不小于10。管道基础砂垫层以中粗砂为好，也可掺加一定数量的碎卵石。关于质量检查，用容积不小于200cm3的环刀压入垫层土取样，测定其干土重度，以不小于砂料在中密状态时的干土重度数为合格，如中砂一般为15.5～16kN/m3。
3.4强夯法
强夯法处理地基具有效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点。对软基基础的加固有较好的效果，在管道施工中，若遇到湿陷性黄土层厚、湿陷性变形大，且管道自重大，对管道安全性要求高的情况下，也可用强夯法来处理基础。在湿陷性黄土地基土上进行强夯，当夯击能为1000～2000kN时，一般可消除夯面下5~8m深内黄土底湿陷性，5m深度内的土的压缩模量可提高到150MPa，容许承载力可提高到200kPa以上。
4实例
广州、珠海、佛山等地大部分管道需要在回填土或耕植土内敷设，有的需直接敷设在软土层内。通过上述管道地基处理以及运行情况的分析，认为对管道软基的处理视情况的不同可以有以下几种方法：
①管道敷设在回填土层。若回填的时间较长(一般在三年以上)，则其下卧软土层经预压排水固结后，完成了大部分沉降量，余值已在管道敷设的允许范围内，若管顶无重荷载(如管位在绿化带内)，则管基可不作处理。如金沙洲DN1200供水管工程，2001年在回填土上铺设预应力钢筋混凝土管，因基础较好，因此对管基未作处理，运行多年来状况良好。
②管道敷设在新填路堤上。由于沉降量大，宜用钢管，并对管基作相应处理，即路堤分层填筑并碾压密实后，再在路堤上开管槽，用换填法做管基。当槽底为淤泥时，用块石压淤，上用粗砂或石屑找平，分层夯实，处理厚度0.9m(块石层0.5m，石屑层0.4m)。如江海大道(二期)安装供水管工程、夏港大道（广深路—连云路）安装供水管工程等，这几年的运行状况都比较良好。
③用深层搅拌桩处理软基。如2003年广州某DN1800输水管工程，安装DN1800预应力钢筋混凝土管，曾采用这种办法，取得了较好的效果。但这种方法基础处理费用较大、工期长。
④与道路基础同时处理，即适当扩大处理路基范围，将管基包括在处理范围内。如珠海大道部分路段和在建的前山沿河路，采用插塑板排水固结的方法，将管基同时进行处理。
对管材的选择：在软基上安装管道，须慎用管材，因其关系到投资和工程质量，影响今后的供水安全和维修工作。表2是管道长1km、DN1000，选用不同管材的经济对比。
目前对大口径的给水管道，普遍使用钢管和预应力钢筋混凝土管。钢管柔软性好、机械强度高，而且单位长度的自重较轻，对软基的适应性较强，管基处理费用较低，但材料价格较高。预应力钢筋混凝土管单位长度的自重大，抗不均匀沉降性能相对较差，维护困难，对软基的适应性较差，软基处理费用较大，但材料价格较低。因此，必须结合地质和现场条件进行技术经济和安全比较。如果管道地基为深厚淤泥，若采用钢管时，管基用石块压淤，上覆石粉垫层即可；若采用预应力钢筋混凝土管，须采用深层搅拌桩，上覆石粉垫层管基。通过比较，使用预应力钢筋混凝土管只是使用钢管造价的85%，因此选择使用预应力钢筋混凝土管。
5注意事项
管道地基处理不同于其它建筑工程，大部分地基处理方法的加固效果并不是施工结束后就能全部发挥，还需要在施工完成后经过一段时间
才能逐步体现出来，另一方面，每一线段的地基处理存在它的特殊性，而且地基处理效果大都是隐蔽工程，很难直接检验其处理效果。这就要求在地基处理施工过程中和施工完成之后注意下面几点：
⑴在地基处理施工中，只了解如何施工是不够的，还必须了解所采用处理方法的原理、技术标准和质量要求。
⑵进行施工质量和处理效果的检验，确保工程质量。
⑶作好监测工作，以保证施工的正常进行，通过观察收集数据为下一阶段的工作提供可靠的依据。
⑷采用可行的检测手段来检验处理效果。
⑸通过分析可获得必要的参考值，可以验证设计，必要时进行设计修改，也可通过分析获得宝贵的经验。
总之，在软土地基上敷设给水管道必须慎重选用管材和选择合适的软基处理方法，使管道工程投资省、工期短、供水安全。
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