黃 靜，師文龍，鞏師俞，龔智雄

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京100034）

1 引言

膨脹土是一種同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的粘性土，其黏粒成分主要由親水性礦物組成[1]。膨脹土的活動性很強，對環(huán)境變化的影響極為敏感，不同建筑物的規(guī)模、使用要求、場地屬性、地下水位情況以及防護區(qū)內(nèi)埋地給排水管道泄漏等都會影響下方的土層溫濕度，造成建筑地基、地下管線總變形和差異變形，從而對建筑物地基、埋地給排水管線造成破壞，且難以修復。因此，對膨脹土的危害應遵循“預防為主，綜合治理”的原則。

膨脹土成因類型、礦物組成復雜且地區(qū)差異性較大，當前，我國對膨脹土的脹縮機理的研究和認識尚處于逐步提高、統(tǒng)一認識的階段[1]。在設計標準、技術(shù)規(guī)范方面，除國標GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》外，一些地方也根據(jù)當?shù)嘏蛎浲燎闆r制定了相應的技術(shù)規(guī)程，如DB 45/T 396-2007《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設計施工技術(shù)規(guī)程》、DBJ 53/T-83-2017《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》等，使設計人員有據(jù)可循。但總體上，相對于技術(shù)成熟的地震區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)來說，膨脹土地區(qū)給排水管線的設計存在技術(shù)標準、具體實施不明確等問題。

河南省南陽盆地是我國典型的膨脹土地區(qū)之一，膨脹土占南陽盆地面積的65%，廣泛分布在二級階地和丘陵漫崗[2]。本文從膨脹土對給排水管道的影響分析入手，以南陽地區(qū)為例，探討膨脹土地區(qū)給排水管道設計的要點，以期為類似工程提供設計參考。

2 膨脹土對給排水管線的影響

2.1 埋地給排水管道的受力分析

根據(jù)膨脹土的性質(zhì)和相關實驗證明，當膨脹土脹起而被完全約束時，將產(chǎn)生最大的膨脹壓力；相反，當允許膨脹土自由移動時，產(chǎn)生最小的膨脹壓力[3]。管道在埋深一定，土質(zhì)穩(wěn)定的情況下，作用在管道上的壓力處于平衡狀態(tài)。

Pp-管道下方土體對管道產(chǎn)生的向上垂直力（kg）；P1-管道上方覆土重力（kg）；P2-管道含水自重。

膨脹土層中含水量的季節(jié)性變化導致管道下方土層產(chǎn)生膨脹-收縮-再膨脹-再收縮往復可逆變形。在土體剪切壓力Pp作用下，輕者使管道產(chǎn)生線性位移，嚴重者導致管道滲漏或斷裂，甚至影響周圍建筑物的基礎。研究發(fā)現(xiàn)[4]，膨脹土中的線性膨脹率較收縮率小，膨脹土失水收縮給管道帶來的危害，遠大于吸水膨脹的危害。盧冰等人在對南陽膨脹土地區(qū)房屋開裂的原因研究中發(fā)現(xiàn)[2]，1978年南陽西郊大規(guī)模房屋建筑開裂破壞的根本原因在于持續(xù)干旱，膨脹土收縮，也印證了此觀點。

2.2 不同因素對膨脹土地區(qū)給排水管線的影響

（1）當?shù)貧庀髼l件

大氣影響深度是指在自然氣候影響下，由降水、蒸發(fā)和溫度等因素引起地基土壤所變形的有效深度[1]，無資料時，可按GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》表5.2.12選用。大氣影響急劇層深度是指大氣影響特別顯著的深度，可按大氣影響深度值乘以0.45采用。以南陽地區(qū)為例，南陽地區(qū)土的濕度系數(shù)為0.80，當?shù)卮髿庥绊懮疃葹?.5 m，大氣影響急劇深度為1.575 m。室外埋地給排水管線宜深埋，盡量敷設在大氣影響急劇深度以下。

除大氣影響深度外，常年地下水位深度也是影響膨脹土地區(qū)管道敷設深度的重要指標。常年地下水位較高（一般在基礎埋深標高下3 m以內(nèi)）時，由于毛細作用圖中水分基本是穩(wěn)定的，脹縮可能性極小，可按一般天然地基進行給排水管道設計。

（2）場地土質(zhì)情況

膨脹土的膨脹潛勢按表1分類。

表1 膨脹土的膨脹潛勢分類

不同場地的膨脹土膨脹潛勢不盡相同，給排水管道系統(tǒng)設計采用的技術(shù)措施也不同。在進行膨脹土地區(qū)給排水管道設計時，設計人員應注重場地地勘資料，除了常規(guī)的水文地質(zhì)條件、抗震設防烈度、凍土深度等外，也要關注自由膨脹度等巖土設計參數(shù)，與結(jié)構(gòu)專業(yè)共同確定管道基礎的處理方案。

（3）場地綠化

景觀綠化不僅對人類的生存和身心健康有重要的社會效益，對膨脹土地區(qū)的建筑基礎穩(wěn)定和地下管線敷設也有著舉足輕重的意義。研究表明[2]，樹木生長期根系的吸水強度遠大于土壤水分蒸發(fā)的強度，在建筑物或者埋地管線附近種植高大樹木，其往往容易受到比較嚴重的破壞。所以，在膨脹土地區(qū)，埋地給排水管線兩側(cè)附近不可種植大樹，尤其是桉樹、木麻黃等速生樹種，避免樹木根系吸水導致土壤膨脹。

（4）結(jié)構(gòu)基礎形式

在膨脹土地區(qū)，建筑物基礎形式的不同，對給排水管線設計也提出了不同的要求。對于采用滿堂基礎的建筑物，可視為完全消除膨脹性，室內(nèi)部分給排水管線可不做特殊處理，室外埋地管道距離建筑物外墻基礎外緣的凈距不應小于3 m，管道接口部位應采取防滲漏措施，不滿足距離要求范圍內(nèi)的給排水管線宜敷設在防滲溝內(nèi)。對于采用其他基礎形式的建筑物，雖然結(jié)構(gòu)設計時已消減了基礎下方膨脹土的脹縮性，但考慮到埋地管道的漏損，給排水管道設計時宜采用防滲管溝等防水方式，提高基礎的安全穩(wěn)定性。

3 膨脹土地區(qū)給排水管道設計要點

3.1 室內(nèi)給排水管道設計

室內(nèi)正負零以上的給排水管道宜明裝，暗設管道必須設置便于檢修的設施。室內(nèi)給水管道應根據(jù)便于及時截斷漏水管段和便于檢修的原則，在干管和支管上適當增設閥門。超過30 m長的架空橫干管應采用補償裝置增加管道的可撓性。管道接口應嚴密不漏水，并具有柔性。設計時需協(xié)同建筑、工藝等專業(yè)，將首層的用水點集中設置，盡可能的縮短埋地管線的長度，一般在地下室不宜設置衛(wèi)生間。必須設置衛(wèi)生間時，其糞便污水應采取隔離措施單獨提升排出；其余生活、生產(chǎn)廢水可采用排水溝收集，經(jīng)集水坑內(nèi)提升排出，集水坑應做好防水防腐處理，不得漏水。屋面雨水宜采用外排水，盡量明裝，當采用有組織外排水時，宜選用耐用材料的管道，末端距離散水地面不應大于300 mm。

室內(nèi)埋地管道宜敷設在防滲管溝內(nèi)，若采用綜合管溝，應考慮防止污染的措施，且應采取防止地面水及雨水流入溝內(nèi)及檢漏井內(nèi)的措施。埋地管道穿過建筑物基礎或墻時，應預留孔洞。洞與管溝或管道的上下凈空不宜小于100 mm。洞邊與管溝外壁應脫開，其縫隙應采用不透水的柔性材料封堵。柔性材料可采用發(fā)泡聚乙烯或聚氨酯等材料。

3.2 室外給排水管線的設計

3.2.1 管道平面位置的確定

室外埋地給排水管道應沿區(qū)內(nèi)道路敷設并布置在防護范圍外，宜敷設在人行道、慢車道或草地下，室外給水管道與其他管線及喬木之間的最小凈距，應符合GB5 0015-2019《建筑給水排水設計標準》附錄E的規(guī)定，室外排水管道不應布置在喬木下面。

對于埋地給排水管道與建筑物之間的防護距離要求，GB5 0112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，地下給排水管道距離建筑外墻基礎外緣的凈距不應小于3 m。DBJ 53/T-83-2017《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》與國標保持一致。DB 45/T 396-2007《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設計施工技術(shù)規(guī)程》中要求大型給排水管溝應設在場區(qū)邊緣，室外排水管溝應遠離建筑物（不小于6 m）?？梢?，在給排水管道平面布置時，應充分考慮地方規(guī)定及工程經(jīng)驗，合理確定防護距離，地方無相關規(guī)定時，可按國標規(guī)定執(zhí)行。對于防護距離要求內(nèi)的給排水管線宜敷設在防滲管溝中，防護范圍外的管道，采用管道直埋的方式。

3.2.2 管道埋深的確定

膨脹土地區(qū)室外埋地給排水管道的覆土深度，應根據(jù)大氣影響深度、土壤冰凍深度、車輛荷載、管道材質(zhì)及管道交叉等因素確定。當膨脹土埋藏較深或地下水位較高時候，管道可淺埋；反之，管道宜埋設在大氣急劇影響深度層以下。

3.3 埋地給排水管道技術(shù)措施

3.3.1 鋼筋混凝土防滲管溝

對于室內(nèi)埋地給排水管線、防護范圍以內(nèi)的室外埋地管線、高膨脹地區(qū)室內(nèi)外埋地給排水管線，宜采用鋼筋混凝土防滲管溝，并應設置檢漏井。管溝在長度方向上每30～40 m設伸縮縫，并在管溝最低處和伸縮縫前設檢漏井。檢漏溝的寬度應能滿足管道檢修空間的要求，一般為D+600 mm（其中，D為管道外徑）[3]，也可參考濕陷性黃土地區(qū)檢漏溝的做法，但需要結(jié)構(gòu)專業(yè)進行核算，以免過度設計造成不必要的浪費。檢漏溝應做防水處理，對于直徑較小的管道，當采用管溝確有困難時，可采用金屬或鋼筋混凝土套管。檢漏管溝的溝底坡度不宜小于0.02，坡向室外檢漏井，檢漏溝穿出外墻的施工縫，宜設在室外檢漏井處或超出基礎3 m處。檢漏井內(nèi)設集水坑，其深度不宜小于300 mm。

3.3.2 管道溝槽換填

對于防護區(qū)范圍外的埋地給排水管道，可采用溝槽換填的方法消除及減小膨脹土的脹縮變形。管道溝槽換土是指全部或者部分挖掉膨脹土，換填砂土、灰土，使基礎脹縮變形得到消除和減小的一種常見的膨脹土地區(qū)管道基礎的處理方法。在換土法實施過程中，需要進行必要的脹縮變形計算，以便合理確定換土厚度，保證剩余膨脹土的脹縮變形滿足相關標準[5]。另外一種局部換土的方法，可在基礎下方設置隔水防滲層，隔水層可采用300 mm厚的3：7灰土或者采用防水油氈等柔性防水材料，防水層寬度范圍為二倍的管道直徑，管道周圍300～400 mm范圍內(nèi)回填砂等非膨脹性材料[3]。

3.4 管材的選擇

在膨脹土地區(qū)，給排水管道材料應經(jīng)久耐用，管道質(zhì)量應高于一般地區(qū)要求，管道接口應嚴密不漏水，并具有柔性。

對于給水、消防等壓力管道，宜選用球墨鑄鐵管、鋼管、PE給水管、預應力鋼筋混凝土管等，除鋼管、PE管外，管道接口均采用承插式橡膠圈接口。對于重力流管道，宜采用機制排水鑄鐵管、PVC-U雙壁波紋管、PE排水管、PE纏繞結(jié)構(gòu)壁排水管、玻璃鋼夾砂排水管等，管道接口采用承插式橡膠圈接口。

4 南陽膨脹土地區(qū)給排水管道設計實例

4.1 項目概況

某項目位于南陽，根據(jù)地勘成果及區(qū)域地質(zhì)資料分析，擬建場地存在的特殊性巖土為人工填土和膨脹性土。其中，場區(qū)人工填土層普遍分布，主要為粉質(zhì)黏土填土①層，層厚0.30～1.00 m。粉質(zhì)黏土②層和粉質(zhì)黏土③層均為膨脹土，其中粉質(zhì)黏土②層自由膨脹率70%～89%，平均77%；粉質(zhì)黏土③層自由膨脹率71%～90%，平均80%，具有中等膨脹潛勢。本場地巖土工程勘察期間，20 m深度內(nèi)未見地下水和上層滯水。

4.2 室內(nèi)外給排水管道設計要點

本項目單體內(nèi)正負零以上的給排水管線設置在水管井內(nèi)，水管井按層設置檢修門，首層給排水點位集中設置，室內(nèi)埋地給排水管道、距離建筑基礎外緣3 m以內(nèi)的室外埋地給排水管道均設置在鋼筋混凝土防滲管溝內(nèi)，管溝尺寸為寬度為D+600 mm，最小寬度為1 m，深度為600 mm，給水、消防等壓力管道與重力流排水管道分溝設置。局部管徑小于等于75 mm的排水管道做溝困難的，采用大于管道直徑兩倍的C20鋼筋混凝土套管包封，套管兩端采用不透水的柔性材料封堵。經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)核算后，防滲管溝做法參考GJBT-739（04S531-2）《濕陷性黃土地區(qū)給水排水檢漏管溝》。管溝內(nèi)設0.02的坡度坡向室外檢漏井，在檢漏井前設施工縫，檢漏井內(nèi)設深度為300 mm的集水坑。屋面雨水采用外排水，末端距離散水200 mm。

地勘顯示項目所在地凍土為0.1 m，南陽地區(qū)的大氣急劇影響深度為1.575 m，給排水管線宜埋設在大氣急劇影響深度以下，然而埋深加深帶來造價的增加，經(jīng)管線綜合及結(jié)構(gòu)計算后，本項目給水、消防等壓力管線埋深為1.2 m，排水干管起點埋深為1.55 m，管道下方0.5 m范圍內(nèi)換填為非膨脹性土。管道及附屬構(gòu)筑物的基礎，采用夯實300 mm厚土墊層，上設300 mm厚的3：7灰土隔水防滲層。室外雨水采用排水明溝，溝底坡度不小于0.005。

本項目室外給水、消防、壓力廢水管道采用給水球墨鑄鐵管，管道接口為承插式橡膠圈接口，接口處采用混凝土枕基以保障管道接口嚴密性。重力流排水管道，采用PE纏繞結(jié)構(gòu)壁排水管，管道環(huán)剛度為SN8.0，管道接口采用承插式橡膠圈接口，采用混凝土條形基礎。

室外閥門井、消火栓井、檢漏井、排水檢查井、隔油池、降溫池、化糞池等室外給排水附屬構(gòu)筑物等均做防水處理，并采用鋼筋混凝土材質(zhì)。

5 結(jié)論

（1）在膨脹土地區(qū)，影響給排水管道設計的主要因素有當?shù)貧庀髼l件、場地土質(zhì)情況、場地綠化、建筑物基礎形式等，其中大氣影響深度、常年地下水位深度對于管道的埋設深度有重要影響，設計時應充分考慮。

（2）在給排水管道平面布置時，應結(jié)合地方規(guī)定及當?shù)卦O計經(jīng)驗，合理確定防護距離，地方無相關規(guī)定時，可按國標規(guī)定執(zhí)行。

（3）對于室內(nèi)埋地的給排水管道、防護范圍之內(nèi)室外埋地給排水管道、中高膨脹地區(qū)、建筑標準高的低膨脹地區(qū)的室內(nèi)外埋地管道可采用設置鋼筋混凝土防滲管溝、檢漏井等技術(shù)措施，通過長期定時檢修和維修，保障管道安全運行。對于防護范圍之外的埋地給排水管道可采用管道溝槽換填、基礎下設隔水防滲層等技術(shù)消減膨脹土的脹縮性能，提高工程可靠性。

總之，我國膨脹土分布廣泛，成因類型、礦物組成復雜且地區(qū)差異性較大，設計師在進行給排水管道設計應充分吸納當?shù)卦O計經(jīng)驗，結(jié)合場地地勘資料，合理確定給排水管道管材、敷設方式、管基處理方式等，確保工程技術(shù)可靠，經(jīng)濟合理。