邊燕紅，趙 磊

（甘肅恒石公路檢測(cè)科技有限公司 試驗(yàn)中心，甘肅 蘭州 730050）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)已經(jīng)全面實(shí)行。新建或改造埋地供排水管道做為城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要組成部分，受到人們的廣泛關(guān)注。歷次震害發(fā)現(xiàn)，砂土液化是埋地管道破壞的主要因素。在液化場(chǎng)地埋設(shè)管道，若地基未作處理，地震波對(duì)管道會(huì)產(chǎn)生縱橫兩方向破壞[1]。在地基土完全液化前，管線出現(xiàn)隆起；完全液化后土沉陷壓密，管線出現(xiàn)沉降[2]。南疆地區(qū)近年地震發(fā)生頻率比較高，氣候干燥，晝夜溫差大，文章以在建的“庫車經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)污水處理廠工程”為例，闡述液化場(chǎng)地埋設(shè)污水管道、管道地基處理及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要注意的問題。

1 項(xiàng)目背景

污水管道主要埋設(shè)在廠區(qū)內(nèi)，主要連接各個(gè)污水處理構(gòu)筑物。由地質(zhì)勘察報(bào)告可知，（1）該場(chǎng)地土層主要由三層組成，分別為：①層素填土，②層粉土，③層細(xì)砂，三層細(xì)砂存在液化，液化等級(jí)為輕微～中等；（2）地下水位平均在自然地面以下1m；（3）場(chǎng)地最大凍深1.2m。

2 砂土液化管道地基處理的方法

對(duì)于埋地管道，當(dāng)液化等級(jí)為輕微～中等時(shí)，主要通過增強(qiáng)管材剛度，減小不均勻沉陷，提高結(jié)構(gòu)對(duì)不均勻沉陷的適應(yīng)能力，例如對(duì)輸水、氣、熱力管道，采用鋼管或設(shè)置變形縫或采用柔性接口來減小液化沉陷對(duì)管道的影響；當(dāng)液化等級(jí)為嚴(yán)重時(shí)，對(duì)液化土采用換填法或振沖法或沉管碎石樁法進(jìn)行處理，處理后地基液化指數(shù)不小于4（處理深度為15m時(shí)）或5（處理深度為20m時(shí)）[3]。對(duì)于一般管網(wǎng)，當(dāng)液化等級(jí)為輕微時(shí)，地基可以不用處理。

3 抗液化管道埋地方案

一般管道工程，埋地管線須鋪設(shè)在管頂距離凍土線一下0.15～0.3m，防止管道由于受到土壤凍結(jié)過程中土壤體積增大，產(chǎn)生凍結(jié)力和凍脹力以及土壤融化過程中土體壓縮系數(shù)變化的影響而遭受凍害[3]。但是，本工程地下水位在凍土層以上，管道設(shè)計(jì)需要考慮兩方面的因素。首先，地下水的存在加大當(dāng)?shù)氐耐寥纼錾?，管道在未采取任何防凍措施的前提下淺埋定會(huì)遭受凍害；其次，地下水位比較高，液化場(chǎng)地管道敷設(shè)需考慮管道的上浮反應(yīng)，一般管道埋設(shè)的越深，上浮位移越大，但是埋深過小，容易引起管道上浮出地面，從而使管道破壞[4]。

實(shí)際工程中，為了防止管道在液化土中上浮，對(duì)管道外裹玻璃棉，采取淺埋的方法，將其埋設(shè)在凍土線以上，防止管道破壞，同時(shí)，對(duì)液化區(qū)管道設(shè)置混凝土支墩來減小在地震作用下的上浮反應(yīng)。管道不能敷設(shè)在液化區(qū)和非液化區(qū)的交界處附近，大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域應(yīng)力變化比較大，容易產(chǎn)生管道的變形及破壞。

管道埋置深度除了考慮凍土線和地下水位外，還需考慮以下因素：（a）管徑管材，例如，腐蝕性環(huán)境地區(qū)采用抗硫酸鹽混凝土管，液化場(chǎng)地在同等條件下盡量使用小管徑的管子；（b）地面荷載，例如行車道下的過街管線覆土深度不宜小于0.70m；（c）回填材料及壓實(shí)系數(shù)，例如行車道下的過街管線可用中粗砂回填，且壓實(shí)系數(shù)須滿足圖1要求；否則，在地震作用下，土骨架會(huì)因振動(dòng)的影響而受到一定的慣性力和干擾力,由于各個(gè)土顆粒的質(zhì)量不同、排列無序以及初始應(yīng)力和傳遞的動(dòng)強(qiáng)度不同,在土顆粒的接觸點(diǎn)容易引起新的應(yīng)力[5]。當(dāng)這種應(yīng)力超過骨架強(qiáng)度時(shí),就會(huì)破壞土顆粒之間原來的連接強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)狀態(tài),使土顆粒之間脫離接觸,從而產(chǎn)生體積變形,骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,應(yīng)力重分配。此時(shí),原先由砂粒通過它的接觸點(diǎn)所傳遞的壓力就會(huì)傳遞給孔隙水來承擔(dān),引起孔隙水壓力的驟然上升，使得砂土側(cè)流，不再具有約束管線的能力從而管線上浮[6]。（d）工藝專業(yè)水頭差、流速等的計(jì)算，保證管道內(nèi)污水在重力作用下能排出去。

圖1 K為上的壓實(shí)系數(shù)dn為管道公稱直徑

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)液化區(qū)管道埋深進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道埋深在1.5～2.0m時(shí)，管道變形較小，管道抗沉陷能力最好，管道接口安全性能明顯提高[7]。本工程結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件，確定廠區(qū)內(nèi)污水管道覆土深度為1.5m，管徑經(jīng)過工藝專業(yè)水頭差及流速計(jì)算，確定DN600混凝土Ⅱ級(jí)管滿足設(shè)計(jì)要求。管道基礎(chǔ)采用120o混凝土基礎(chǔ)，地基處理結(jié)合廠區(qū)構(gòu)筑物采用換填法處理，因廠區(qū)地形為坡形地面，故換填厚度為2～4m。

4 液化場(chǎng)地埋地管線內(nèi)力計(jì)算方法

目前，計(jì)算在地震波作用下埋設(shè)管道內(nèi)力的方法主要有兩種，一種是假定管道與周圍土體共同變形，這種情況下不需要考慮管道與接觸土體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，埋地管道沿軸線方向的應(yīng)變等于周圍土體沿管道軸線方向的正應(yīng)變[8]。另一種是假定埋地管道與包裹其的土體之間有分布彈簧，管道與土體之間可以產(chǎn)生相對(duì)位移。主要是由于管道和其周圍土體之間本構(gòu)性質(zhì)不同，使得管體與周圍土體之間存在著相對(duì)位移，相對(duì)位移使得周圍土的位移大于管道位移[9-10]。第一種方法是擬靜力法，該法在動(dòng)態(tài)情況下考慮了管體和水的慣性作用力后的計(jì)算結(jié)果與靜態(tài)作用下的結(jié)果非常接近，由于管道自身的慣性影響很小。故忽略動(dòng)力影響，直接考慮靜力作用下的管道受力。此時(shí)假定忽略土體的塑性變形，視土體為彈性材料，所以，一般管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)條件允許的前提下考慮管道覆土、內(nèi)水壓力及地面荷載進(jìn)行管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)即可，不需要進(jìn)行埋地管道的動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算。

對(duì)混凝土管道，管自重受力如圖2所示，其產(chǎn)生的彎矩和軸力用下式計(jì)算:

圖2 管自重受力

當(dāng)計(jì)算管頂覆土?xí)r，一般對(duì)圓管上半部兩側(cè)胸腔回填土忽略不計(jì)（如圖3所示），但是，當(dāng)管徑較大且覆土較淺時(shí)，應(yīng)考慮這部分土重Gb對(duì)管子的影響，即 Gb=0.10758SD02。

圖3 圓管上半部兩側(cè)胸腔回填土

其中，D0為管外徑；γs為土容重（kg/m3）

當(dāng)管道受到兩側(cè)水平土壓力作用 （如圖4所示），其產(chǎn)生的彎矩M及軸力N可采用下列公式計(jì)算：

圖4 管道兩側(cè)水平大壓力

其中，GX為水平壓力的合力；

當(dāng)管道滿水，管道受到內(nèi)水壓力作用時(shí)，管截面內(nèi)產(chǎn)生軸力可按下列公式計(jì)算：

各種不同支承角（2α）混凝土管座基礎(chǔ)形式下，管道的軸力和彎矩系數(shù)見《給水排水工程埋地預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS143-2002）附錄D表D.0.2圓形剛性管的內(nèi)力系數(shù)。

對(duì)混凝土管道或鋼管，管座支承角（2α）須滿足下列構(gòu)造要求：（1）管道覆土在0.8～2.5m之間時(shí)，采用90o混凝土管座；（2）管道覆土在2.6～4.5m之間，且管徑小于600mm時(shí)，采用120o混凝土管座；（2）管道覆土在4.5～6m之間，且管徑大于700mm時(shí)，采用180o混凝土管座。

5 結(jié)論

南疆地區(qū)埋地管道設(shè)計(jì)需考慮一下幾個(gè)方面：

1）南疆地區(qū)晝夜溫差大，地表溫度變化較大，管道覆土厚度設(shè)計(jì)需考慮溫度變化對(duì)管道的影響，一般管道埋置在凍土線以下0.15～0.30m，地下水較淺時(shí)另行考慮；

2）液化場(chǎng)地埋地管道設(shè)計(jì)需考慮上浮反應(yīng)，地下水對(duì)管道埋深的影響，液化場(chǎng)地管道埋深在1.5～2.0m時(shí)受力及變形最?。?/p>

3）管道不應(yīng)埋在液化土層和非液化土層交界的區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)力變化大，容易出現(xiàn)管道變形和沉陷；

4）管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)既要考慮外部荷載作用，又要滿足構(gòu)造要求。