孫修乾

宋亮 龍波 劉加雙

對某改擴(kuò)建工程的路線地質(zhì)評述

孫修乾

本文所述高速公路項目為東北地區(qū)南北主干道，線路全長153公里。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路交通量與日俱增，原有的雙向四車道已無法滿足需求，對現(xiàn)有道路的改擴(kuò)建已勢在必行，本文對高速公路改擴(kuò)建前期可研階段的勘察工作做了詳細(xì)介紹，對于同類別的工程具有一定的借鑒意義。

項目背景

沈陽至鐵嶺高速公路是東北地區(qū)南北主干道，線路全長153公里，對促進(jìn)東北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了不可估量的作用。該公路呈南北向展布，起點(diǎn)位于沈陽繞城高速公路王家溝立交，終點(diǎn)位于鐵嶺毛家店鎮(zhèn)。該公路通車以來交通量較大，因重載交通的影響及當(dāng)年建設(shè)條件的限制，路面已損壞嚴(yán)重，服務(wù)水平明顯下降，已影響行車安全，需要進(jìn)行大修，根據(jù)預(yù)測交通流量和未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，有必要由原有雙向四車道加寬至雙向八車道。

自然地理概況

設(shè)計線路位于遼寧中部及北部地區(qū)，近南北走向；區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，屬于遼河水系上游；工作區(qū)屬于半干旱、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱，春秋兩季多風(fēng)，近年來沙塵暴頻發(fā)；線路區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.2～1.6米。

設(shè)計帶地貌可分為沖洪積平原、山前坡洪積群、微丘區(qū)三個地貌單位，線路區(qū)域內(nèi)以微丘地貌最為多見。

區(qū)域工程地質(zhì)條件

地質(zhì)概況。線路通過區(qū)地層主要為上太古界混合巖、混合花崗巖，中生界白堊系礫巖、砂巖、泥巖、安山巖，海西期花崗巖、輝綠巖等，沖洪積平原及山間河谷主要以第四季沖洪積和坡洪積地層為主，主要為粉質(zhì)粘土，砂類土，碎石類土等。

設(shè)計帶內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，按構(gòu)造體系可分為東西向構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造，主要受新華夏系構(gòu)造控制。新華夏系構(gòu)造中的依蘭-伊通斷裂（F2），由兩條近平行的NE向隱伏壓性斷裂組成，航片解譯出現(xiàn)于開原、鐵嶺、新城子一帶，在區(qū)內(nèi)于長大鐵路走向基本一致，近期未見異?；顒?。

根據(jù)區(qū)域地震資料，設(shè)計線路兩側(cè)各50km范圍內(nèi)共發(fā)生5級以上地震3次，2-5級地震21次，線路范圍內(nèi)地震基本烈度為Ⅵ-Ⅶ度，地震動反應(yīng)譜特診周期為0.35s，地震動峰值加速度為0.05g-0.10g。

水文地質(zhì)條件。線路通過區(qū)域內(nèi)大氣降水入滲為主要補(bǔ)給方式，其次為河流入滲補(bǔ)給；排泄方式以地下水徑流、河水排泄及人工開采排泄為主。按照巖土體賦水條件和含水介質(zhì)的不同，可劃分為基巖裂隙孔隙水和第四系孔隙潛水及上層滯水三種類型。

巖土體工程地質(zhì)類型及特征。根據(jù)設(shè)計帶地層、巖土體結(jié)構(gòu)、類型、組合特征及其堅硬程度、穩(wěn)定性等因素，設(shè)計帶內(nèi)巖土體可分為巖體、土體兩大類。巖體主要為堅硬塊狀火山巖類，主要為太古界花崗巖、輝長巖等；堅硬變質(zhì)巖類，主要為混合巖、混合花崗巖、變粒巖等。土體依據(jù)地貌單元不同，可劃分為粉質(zhì)粘土、粉土、砂礫卵石類；含礫、碎石粉質(zhì)粘土、粉土類。

特殊巖土及不良地質(zhì)。A.軟土，線路范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5段軟土出露，累計長度為1.29公里，厚度為0.4～10.2米，埋深為1.2～6.0米，該層軟土的物理指標(biāo)為：天然孔隙比均大于1.0，液性指數(shù)0.9～1.45，壓縮模量2.8～3.24Mpa，壓縮系數(shù)為0.65～0.745。B.膨脹土，線路于起點(diǎn)處分布黏土礦，長度大約1.2公里，埋深2.4～8.6米，揭露厚度21.6m，黏土礦實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒙脫石含量平均值為3.7%，最大值為4.8%；蒙脫石、高嶺石及伊利石總含量平均值為22.8%，最大值為31.6%；經(jīng)膨脹性試驗(yàn)分析可知，自由膨脹率平均值為59.8%，最大值為83.6%；標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率為1.10%，最大值為1.48%，塑性指數(shù)平均值為17.7，最大值為19.7。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》判定，全風(fēng)化黏土礦為膨脹土，膨脹潛勢分級為弱膨脹土。

C.軟巖，中生代白堊系砂巖、泥巖、礫巖等層狀巖石為軟質(zhì)巖，具有遇水軟化、失水龜裂、崩解的特性，開挖后應(yīng)避免長時間暴露，應(yīng)及時襯砌或支護(hù)。

工程地質(zhì)分區(qū)及工程地質(zhì)條件評述

根據(jù)設(shè)計帶地形、地貌、巖土體類型及工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)特征、筑路材料等諸多因素影響，將設(shè)計帶分為兩大工程地質(zhì)區(qū)，即第四系松散土體工程地質(zhì)區(qū)和微丘區(qū)巖體工程地質(zhì)區(qū)。

A.第四系松散土體工程地質(zhì)區(qū)，區(qū)段內(nèi)工程地質(zhì)特征為：地勢平坦，地面標(biāo)高多小于80m，主要由第四系沖積、沖洪積粉質(zhì)粘土、粉土、砂礫卵石組成，區(qū)內(nèi)地下水豐富，以潛水-微承壓水為主，水位較淺，呈條帶狀分布。遼河、柴河、清河沖積平原地勢低洼處可見淤泥質(zhì)土，第四系地層具二元結(jié)構(gòu)，砂礫卵石及粘性土地層普遍存在。本區(qū)屬于松散土體較穩(wěn)定區(qū)，總體上適宜高速公路建設(shè)，局部夾高壓縮性、高流變性、低承載力軟土問題。

B.微丘區(qū)巖體工程地質(zhì)區(qū)，巖石主要為太古界花崗巖、輝長巖等侵入巖，中元古界太古界混合巖、混合花崗巖、變粒巖等堅硬巖類，節(jié)理裂隙較發(fā)育；中生界泉頭組礫巖、砂巖、泥巖等較軟巖，呈層狀出露，節(jié)理裂隙發(fā)。區(qū)內(nèi)設(shè)計帶附近火山巖做建筑地基，耐力可靠，工程地質(zhì)條件穩(wěn)定；混合花崗巖、變質(zhì)巖風(fēng)華殼較厚，地基耐力中等，工程地質(zhì)條件穩(wěn)定；層狀砂巖、礫巖、泥巖等層狀碎屑類巖石為軟巖，遇水易軟化，基坑開挖時需要注意排水。

總體上看，線路范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件較好，總體上適宜高速公路建設(shè)；部分特殊巖土及不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)段經(jīng)處理后均能滿足各種構(gòu)造物的建設(shè)要求。

A.地形地貌，本工程線路全長153公里，設(shè)計線路總體工程地質(zhì)條件較好。

B.工程地質(zhì)分區(qū)，設(shè)計帶地貌類型較為簡單，總體上分為三大工程地質(zhì)區(qū)：微丘區(qū)、山前坡洪積區(qū)、沖洪積平原區(qū)。

C.構(gòu)造，設(shè)計帶內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，按構(gòu)造體系可分為東西向構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造，主要受新華夏系構(gòu)造控制。

D.區(qū)內(nèi)主要存在的特殊巖土為軟土、膨脹土。

E.中生代白堊系砂巖、泥巖、礫巖等層狀巖石為軟質(zhì)巖，具有遇水軟化、失水龜裂、崩解的特性，開挖后避免長時間暴露，應(yīng)及時襯砌或支護(hù)。

（作者單位：廈門滄?？辈煸O(shè)計有限公司）

關(guān)于PCCP內(nèi)水壓、三點(diǎn)法外壓檢驗(yàn)分析

宋亮 龍波 劉加雙

PCCP型式檢驗(yàn)中的內(nèi)水壓檢驗(yàn)和三點(diǎn)法外壓檢驗(yàn)是對管道設(shè)計、生產(chǎn)質(zhì)量綜合檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)新疆某工程標(biāo)招標(biāo)文件2.1.4.1標(biāo)準(zhǔn)的遵守，本技術(shù)條款中規(guī)定PCCP管材設(shè)計、生產(chǎn)和檢驗(yàn)應(yīng)遵守技術(shù)條款中明確的中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)。其中標(biāo)準(zhǔn)管設(shè)計程序應(yīng)按照GB 50332—2002、CECS 140:2011、SL 702—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的程序及方法進(jìn)行管型設(shè)計，同時以ANSI/AWWA C304—07設(shè)計程序軟件復(fù)核設(shè)計結(jié)果，本次進(jìn)行的三點(diǎn)外壓試驗(yàn)和抗裂檢驗(yàn)內(nèi)水壓力試驗(yàn)結(jié)合了CECS 140:2011和ANSI/AWWA C304—07共同進(jìn)行的，現(xiàn)就對試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)做如下分析。

為何PCCP要施加預(yù)應(yīng)力?

由PCCP管芯所受的張力和壓縮力來觀察： 預(yù)力鋼絲纏繞混凝土管及鋼襯筒使其被壓縮，當(dāng)輸送流體或承受外壓時，PCCP所受的張力被原先的預(yù)壓縮力所抵消，使得PCCP管能承受高的內(nèi)壓及外壓。

PCCP為預(yù)力鋼絲結(jié)合混凝土的結(jié)構(gòu)體,在承受內(nèi)壓或外力時,若兩者其中之一先行破裂,則非最佳結(jié)構(gòu)體(被各個擊破)。

表1 PCCP抗裂檢驗(yàn)內(nèi)壓試驗(yàn)分級加壓表

表2 外壓試驗(yàn)荷載計算結(jié)果

AWWAC304、CECS140:2011、SL702—2015的設(shè)計基礎(chǔ)

AWWA C304設(shè)計基礎(chǔ)。世界較早完善的PCCP設(shè)計是AWWAC304，所采用的設(shè)計原理是三種極限狀態(tài)設(shè)計方法：

正常使用極限狀態(tài)：控制管芯和保護(hù)層的拉應(yīng)變，此規(guī)范目的是為確保正常使用荷載下的運(yùn)行，包括：管芯裂紋控制、徑向張力控制、保護(hù)層裂紋控制、管芯壓縮強(qiáng)度控制和最大流體壓力控制等。

彈性極限狀態(tài)：控制鋼絲，鋼筒的應(yīng)力，限制進(jìn)入材料非線性區(qū)。

強(qiáng)度極限狀態(tài)：控制鋼絲屈服強(qiáng)度、管芯抗壓強(qiáng)度和水錘壓力控制等，保證在非常荷載下的安全。

早期C304發(fā)展過程中是根據(jù)實(shí)際測試的9000個實(shí)例，通過應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)作比對,證明C304是所有壓力管線設(shè)計系統(tǒng)中最先進(jìn)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),這也是C304設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的目的—確保PCCP壽命及可靠性。他依據(jù)美國水工協(xié)會的AWWA C301標(biāo)準(zhǔn)附錄A—三次拋物線設(shè)計方法，以理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)過程二項荷載參數(shù)：外部荷載的代表為一個等量的三邊承載實(shí)驗(yàn)荷載使管芯混凝土開裂，同時施加管內(nèi)靜水壓力，通過計算分析得出混凝土管芯抵消施加的預(yù)應(yīng)力的壓縮。瞬時能量曲線用于埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管三次拋物線設(shè)計方法（graph a：LCP graph b：ECP）

采取內(nèi)壓和外壓聯(lián)合來決定三次方程式，方程式定義在各種運(yùn)行和瞬時荷載條件下的聯(lián)合限制，在極限狀態(tài)定義公式w=(W0/)式中：P0定義是要求在排除外荷載作用下，內(nèi)壓抵抗所有施加在管芯上的壓應(yīng)力，W0三邊[1]承載負(fù)荷的十分之九；P 是在三邊承載W作用下的最大聯(lián)合設(shè)計壓力，沒有超過P0;W是最大三邊承載，相當(dāng)于土壓荷載，結(jié)合設(shè)計最大壓力，W1是三邊承載的活荷載，Psp是在正常運(yùn)行壓力下的瞬間增加壓力。

注[1]：美國標(biāo)準(zhǔn)稱三邊外壓是我國標(biāo)準(zhǔn)稱的三點(diǎn)外壓。

CECS 140：2011設(shè)計基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)制定是結(jié)合一階段管、三階段管的《給排水結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GBJ69、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010和AWWA C304綜合制定的，經(jīng)各種工況與C304對比確定出綜合調(diào)整—系數(shù)λy、λc，總體預(yù)應(yīng)力鋼絲截面面積比C304多10%左右。

SL 702—2015設(shè)計基礎(chǔ)。SL 702—2015設(shè)計完全參照AWWA C304制定，歸納調(diào)整了驗(yàn)算工況，由AWWA C304的16種減少為14種，總體預(yù)應(yīng)力鋼絲截面面積與AWWA C304相當(dāng)，有的工況略小于AWWA C304標(biāo)準(zhǔn)。

本次PCCP型式檢驗(yàn)中的內(nèi)水壓檢驗(yàn)和三點(diǎn)法外壓檢驗(yàn)說明

增加了1.4P0或Pk’， P0值是AWWA C304的計算中的重要參數(shù)，相當(dāng)于CECS 140：2011的設(shè)計壓力，并將二個標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計結(jié)合并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（詳見表1、表2）。

注[2]：根據(jù)CECS140標(biāo)準(zhǔn)管道的設(shè)計的內(nèi)水壓力按下列公式計算

Fwd,k=1.5FwkFwk＜0.8MPa

注[3]：根據(jù)AWWA C304的計算防止保護(hù)層開裂壓力限制：

P≤min(Pk’、1.4P0)，P0=1.032MPa；Pk’=1.519 MPa

上述中的1.2W0—為AWWA C304中的抗裂外壓檢驗(yàn)荷載（與國標(biāo)稱的三點(diǎn)外壓相符），W0—三邊承載負(fù)荷的十分之九，與《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》GB/T16752-2006中的連續(xù)均勻加荷至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定裂縫荷載的80%試驗(yàn)理論相符。

我國對PCCP管道的設(shè)計基于美國AWWA C304標(biāo)準(zhǔn)，是在美國標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，把握好設(shè)計、生產(chǎn)和鋪設(shè)三方面的質(zhì)量體系是PCCP的綜合因素，我們在制定標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性二方面才能夠更好地推動實(shí)體經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

（作者單位：山東龍泉管道工程股份有限公司）