□文/高 艷 浮霄菊 史志利

近年來，市政管道工程，特別是軟土、流砂地質(zhì)地區(qū)修建的市政管道工程，經(jīng)常出現(xiàn)管口脫開漏水、路面塌陷、盲溝管淤堵等問題，維修工作耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。究其原因，軟土地區(qū)的管道出現(xiàn)問題大多是由于采用砂石基礎(chǔ)的柔性接口管道在相對較差的地基條件下，后期不均勻沉降導(dǎo)致管道接口破壞漏水；流砂地質(zhì)條件下管道的問題大多是由于施工期間降水措施不當(dāng)對地基土的擾動而引起的。天津地區(qū)配合修路，管槽大多回填碎石料，級配不良時(shí)，隨地下水位變動周圍土體顆粒充填碎石孔隙進(jìn)而擾動地基，嚴(yán)重的會引起路面塌陷。土工合成材料是以人工合成的聚合物（如塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成的產(chǎn)品，置于土體內(nèi)部、表面或各種土體之間，能發(fā)揮加強(qiáng)土體、排水、防滲、反濾、隔離和保護(hù)土體等作用。土工合成材料的迅速發(fā)展和廣泛的工程應(yīng)用為解決市政管道工程的常見問題提供了新的途徑。

基礎(chǔ)加筋解決軟土區(qū)管道地基的承載力和不均勻沉降

管道加筋墊層的做法

濱海地區(qū)軟土地基分布廣泛，地基承載力低（一般均＜100 kPa），后期沉降量大且不均勻，沉降持續(xù)時(shí)間較長，特別是在一些新近吹填的近海區(qū)域進(jìn)行市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)這一問題尤其突出。目前在軟土地區(qū)修建市政管道，地基承載力很低時(shí)（＜70 kPa）多采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)，地基承載力相對較低時(shí)（70 kPa≤f＜100 kPa），采用砂石基礎(chǔ)，其下超挖一定厚度的軟土，采用換填墊層法處理。而超挖地基對于開槽本來就困難的濱海地區(qū)，更是增加了難度且采用常規(guī)的換填墊層處理后，對控制管道的不均勻沉降效果并不明顯。

采用土工合成材料對軟土地基進(jìn)行加筋處理，不僅可以減小超挖換填的厚度，而且在提高地基承載力的同時(shí)，對控制管道的不均勻沉降有明顯效果。其基本做法是在軟弱基土頂面鋪設(shè)200mm厚的中粗砂，其上鋪設(shè)土工織物，見圖1；然后再施做砂石基礎(chǔ)，鋪設(shè)管道。用于強(qiáng)化地基的土工合成材料可以選用土工格柵、土工網(wǎng)、土工筋帶、高強(qiáng)土工布等。

圖1 管道基礎(chǔ)加筋

加筋墊層對地基承載力的作用

加筋墊層可以提高地基承載力，其機(jī)理是荷載作用下墊層土料與筋材之間產(chǎn)生相對位移，界面上的剪應(yīng)力使得土工合成材料中產(chǎn)生拉力，從而增加對土橫向變形的限制，同時(shí)處于受拉狀態(tài)的土工合成材料，起到張力膜的作用，可以大幅度提高了墊層的抗剪強(qiáng)度，從而提高地基承載力。

通常情況下，由于鋪設(shè)筋材而提高的地基承載力可以按下式計(jì)算

式中：△f——地基承載力，kN/m；

α——筋材拉力與水平面夾角，（°），取α=45°+φ/2，即筋材變形后沿朗肯主動滑動面方向，φ為墊層的內(nèi)摩擦角；

N——筋材層數(shù)；

Tα——筋材的抗拉強(qiáng)度，kN/m；

θ——應(yīng)力擴(kuò)散角，（°）；

zn——最下一層筋材的深度，m；

Fs——地基承載力安全系數(shù)，一般可取2.5～3.0；

Du——滑動面的最大深度,一般Du不超過2倍基礎(chǔ)寬度，m。

加筋墊層對控制不均勻沉降的作用

當(dāng)管道上部受荷不均勻或基底軟土分布不均勻，管道本身有發(fā)生不均勻變形的趨勢時(shí)，加筋墊層可以均化地基附加應(yīng)力的分布，同時(shí)整體鋪設(shè)的筋材在限制土體橫向變形的同時(shí)受拉，起到張力膜的作用，從而減小管道結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。加筋墊層對不均勻沉降控制的定量計(jì)算，取決于所選用土工合成材料本身的抗拉強(qiáng)度、變形模量和延伸率。原則上，用于增加管道基礎(chǔ)地基承載力和減小不均勻沉降的墊層加筋材料，應(yīng)選用拉伸強(qiáng)度高、模量大、延伸率小、蠕變性能低的土工合成材料。

溝槽鋪設(shè)土工合成材料防治流砂區(qū)管道病害

流砂土質(zhì)區(qū)常見管道病害原因

流砂是一種地基發(fā)生滲透破壞的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，是地下水滲流產(chǎn)生的滲流力對土體作用的結(jié)果。流砂現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展過程與土體自身組織結(jié)構(gòu)條件、水力條件、滲流通道等因素有關(guān)。易產(chǎn)生流砂的土層一般需滿足如下條件：

（1）土的顆粒組成中，粘粒含量＜10%，粉粒含量＞75%；

（2）土的不均勻系數(shù)＜5；

（3）土的孔隙比＞0.75或孔隙率＞43%；

（4）處于飽和狀態(tài)，含水量＞30%；

（5）地層中粉土層或粉細(xì)砂層厚度＞25 cm。

一般來講，飽和、松散的砂土、粉土、粉砂地質(zhì)易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。在砂性土層中，流砂是一個(gè)土體顆粒由細(xì)到粗、由少到多的漸進(jìn)過程；而在粉砂、粉土層內(nèi)，由于其滲透系數(shù)較小，往往表現(xiàn)為突然產(chǎn)生的流砂或塑性泥流。

在流砂土質(zhì)區(qū)，特別是地下水位較高的情況下，明開槽鋪設(shè)市政管道時(shí)，其病害主要表現(xiàn)在2個(gè)方面。

（1）施工開槽期間，基坑支護(hù)和施工降排水的控制非常關(guān)鍵。基坑支護(hù)和降水措施不當(dāng)，基槽底部、側(cè)壁滲漏處可能出現(xiàn)土體的跑冒流失，在降水井處，土中的粉粒、粉砂甚至細(xì)砂粒會隨地下水抽走。隨著土體顆粒的流失，管槽周邊的土體受到擾動，為將來地面的沉降留下隱患，更嚴(yán)重的情況會至使基坑工程施工條件惡化，邊坡塌方，附近已建成的工程會出現(xiàn)開裂、下沉。

（2）管道運(yùn)行期間。天津地區(qū)為配合當(dāng)年修路，溝槽的回填大多采用碎石料，如果管道砂石基礎(chǔ)及周邊回填的碎石料級配不良而導(dǎo)致孔隙率較大，在流砂地質(zhì)條件下，施工結(jié)束后地下水位回升或其他原因?qū)е碌牡叵滤蛔儎佣紩怪車耐馏w顆粒隨滲透水流充填入管周碎石的孔隙內(nèi)，擾動原狀的地基土。當(dāng)管道出現(xiàn)脫口、局部破裂時(shí)，土體顆粒會沿縫隙進(jìn)入管道，隨管道內(nèi)的水流不斷流失，掏空管周土體，導(dǎo)致地面沉陷甚至影響周邊建筑物。

應(yīng)用土工合成材料解決溝槽回填病害的做法

易發(fā)生流砂的土質(zhì)一般為粉土、粉砂土層，其地基承載力一般＞100 kPa，可以按照04S516《混凝土排水管道基礎(chǔ)及接口》選用砂石基礎(chǔ)。當(dāng)場區(qū)地下水位較高、管上地面回填碎石料時(shí)，可以選用以下做法：沿槽底和側(cè)壁鋪設(shè)土工合成材料，其上施作砂石基礎(chǔ)，管側(cè)及管頂以上≮40 cm的范圍內(nèi)回填級配良好的碎石料，密實(shí)度≮90%，土工合成材料應(yīng)在回填的碎石料頂面搭接封閉，見圖2，其上按道路要求回填。此處土工合成材料主要起反濾、保土作用，一般可以選擇有紡或無紡?fù)凉た椢?，土工織物的質(zhì)量宜為300～500 g/m2。

圖2 管道溝槽回填

土工合成材料的選擇

用于反濾、保土的土工合成材料應(yīng)具有以下功能：保土性，防止被保護(hù)土土粒隨水流流失；透水性，保證滲流水通暢排走；防堵性，防止材料被細(xì)土粒堵塞失效。用于流砂地質(zhì)區(qū)包覆溝槽回填的土工織物，保土性和防堵性是關(guān)鍵的控制指標(biāo)。

為滿足保土性要求，所選用土工織物應(yīng)符合

式中：O95——所選土工織物的等效孔徑，mm；

d85——場地土的特征粒徑，mm，按土中小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總土粒質(zhì)量的85%確定；

B——按工程經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù)，宜按1～2采用，土中細(xì)粒含量高時(shí)取小值。

為滿足透水性要求，所選用土工織物應(yīng)符合

式中：kg——所選土工織物的垂直滲透系數(shù)，cm/s；

ks——場地土的垂直滲透系數(shù)，cm/s；

A——按工程經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù)，不宜＜10。

為滿足防堵性要求，所選用土工織物應(yīng)符合

式中：GR——所選土工織物與現(xiàn)場土料制成試樣進(jìn)行淤堵試驗(yàn)所得的梯度比，當(dāng)細(xì)粒土中粉粒含量不是很大時(shí)，針刺土工織物和扁絲機(jī)織物一般均可滿足此項(xiàng)要求。

土工合成材料用于盲溝排水

在地道、擋土墻、填埋場庫區(qū)、明開槽施工降水等工程中，經(jīng)常會遇到盲溝排水。傳統(tǒng)的盲溝排水做法是在濾水管的周圍回填級配良好的砂石料作為反濾層。實(shí)踐表明，由于盲溝管斷面較小，施工期間反濾料的級配很難控制，很多工程運(yùn)行時(shí)間不長盲溝管就出現(xiàn)堵塞。天津地區(qū)濾水管大多采用水泥礫石管，該管材本身強(qiáng)度較低，管道鋪設(shè)和上部土層碾壓期間容易破損；此外級配不良的反濾層起不到反濾效果，大量土體顆粒隨地下水的流動充填濾料和濾水管的孔隙，這些情況都容易導(dǎo)致盲溝排水失效。

應(yīng)用土工合成材料的排水盲溝基本做法

近些年，隨著土工合成材料的迅速發(fā)展，新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，目前組合使用塑料盲溝管材和土工織物用于盲溝排水在工程中已有應(yīng)用，塑料排水盲溝管孔隙率最大可達(dá)90%，抗壓能力和適應(yīng)不均勻變形能力強(qiáng)，結(jié)合土工布良好的反濾功能，一種比較可靠的做法是沿槽底和側(cè)壁鋪設(shè)土工合成材料，其上鋪設(shè)10 cm級配砂石料，鋪設(shè)塑料盲溝管材，回填級配砂石料至管頂以上15 cm，土工合成材料在回填的級配砂石料頂面搭接封閉，見圖3，其上按工程要求回填。此處土工合成材料主要起反濾、保土作用且應(yīng)具有良好的排水能力。當(dāng)工程要求比較高時(shí)，建議在排水管的外側(cè)再包覆一層土工織物，目前也有土工布與塑料盲溝管復(fù)合的成品管材。

圖3 盲溝管道做法

土工合成材料的選擇

用于盲溝排水的土工合成材料除應(yīng)符合式（2）～（4）的保土性、透水性、防堵性要求外，尚應(yīng)驗(yàn)算土工合成材料的排水能力。

為滿足排水要求，所選用土工織物應(yīng)符合

式中：θα——所選土工織物的導(dǎo)水率；

θr——盲溝排水所要求的導(dǎo)水率；

Fs——安全系數(shù)，一般取3～5；

kg——土工織物的滲透系數(shù)；

δ——土工織物在預(yù)計(jì)現(xiàn)場壓力下的厚度；

q——預(yù)計(jì)單寬來水量；

i——盲溝管的水力梯度。

結(jié)論

土工合成材料的迅速發(fā)展和在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為市政管道工程一些常見問題的處理和防治提供了新的途徑。土工合成材料具有良好的加筋、過濾、排水、隔離、防滲、防護(hù)等功能，在具體應(yīng)用中需根據(jù)應(yīng)用目的和具體的工程結(jié)構(gòu)合理進(jìn)行材料選擇。

（1）在軟土地區(qū)的管道基礎(chǔ)下鋪設(shè)土工格柵、土工筋帶、高強(qiáng)土工布等土工合成材料，不僅可以提高軟土地基的承載力，而且可以有效減小管道運(yùn)行期間的不均勻沉降，相比換填墊層法和其他復(fù)合地基處理措施，更加經(jīng)濟(jì)有效。

（2）在流砂地質(zhì)區(qū)（粉土、粉砂等），當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，為防止地下水位變動等原因引起土體顆粒充填碎石填料的孔隙，擾動周邊地基，沿管槽周邊鋪設(shè)土工布等土工織物類合成材料能起到良好的保土、反濾功能，彌補(bǔ)溝槽回填料級配不良、孔隙率大的缺陷，避免管道回填引起路面塌陷。

（3）在一些排水盲溝管的管周包裹透水性能良好的土工織物，可以替代或簡化常規(guī)碎石反濾層的做法，配合一些新型塑料盲溝管的應(yīng)用，能有效防止盲溝管淤堵，保證排水暢通。

［1］GB 50290—98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］JTJ/T 019—98，公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］王 釗.土工合成材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］龔曉南.復(fù)合地基設(shè)計(jì)和施工指南［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［5］史志利.流砂地質(zhì)中鋼筋混凝土管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討［J］.特種結(jié)構(gòu)，2008，25（1）：83-86.

［6］JGJ 79-2002/J220—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.