浅谈软土地基管道设计

摘 要：软土地基是一种不良的地质，对管道的建设是极为不利的。本文针对甬台温天然气输气管道工程软土地基段的设计情况，对软土地基段管道的设计进行归纳总结。为以后软土地基段的管道设计提供参考。

关键词：软土 稳管 不均匀沉降 公路穿越

一、工程沿线软土地基分布及地质特征

软土一般指外观以灰色为主，天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土。包括淤泥、淤泥质土（淤泥质粘性土粉土）、泥炭、泥炭质土等。主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。软土地基是一种不良的地基，按成因一般可分为人工填土类地基，海相、河流相和湖相沉积而成的含淤质粘土和粉土类地基。软土地基在浙江东部沿海广泛分布，主要为人工填海形成的。主要分布在温州市的乐清湾及胜利塘围垦区和瓯飞围垦区，软土地基段长约50km，对于管道的建设是极为不利的，在设计中引起足够的重视。

软土地基在浙东沿海广泛分布，本文将选取龙湾段约1.5km管段进行分析。本段根据外业钻探记录、土工试验及原位测试指标，在勘察场地钻探所达深度范围内，地基土层分布如下：

①粘土（Q43al）

灰黄色，可塑状，中等压缩性，含铁锰质氧化斑点和炭化物。干强度高，韧性高，摇振反应无，切面光滑。

该层场内大部分有分布，水塘、沟汊内缺失，直接出露地表，层厚1.10～1.50m。

②1含砂淤泥质粘土（Q42al-m）

灰、灰褐色，流塑状，高压缩性，含5-15%粉细砂和少量贝壳碎屑、半炭化物，局部以粉细砂为主，呈薄层状分布。干强度中等，摇振反应无，切面粗糙。

该层分布于场地南段，层顶埋深2.40～2.60m，层厚2.80～3.10m。

②2粉砂（Q42m）

灰色，饱和，松散-稍密状，局部中密状，含少量5-15%淤泥，局部夹薄层淤泥。

该层全场均有分布，层顶埋深2.10～5.70m，层厚5.90～9.40m。

②3含砂淤泥质粘土（Q42al-m）

灰、灰褐色，流塑状，高压缩性，含5-35%粉细砂和少量贝壳碎屑、半炭化物，局部以粉细砂为主，呈薄层状分布。干强度中等，摇振反应无，切面粗糙。

该层全场均有分布，未揭穿，层顶埋深11.40～11.90m，层厚8.30～8.70m。

本次勘察共采取原状土样30件，扰动样10件，进行室内土工试验，获得土的物理力学指标，详见下表1。

表1 典型软土段土壤物理力学指标

由上表可以看出①粘土层由于在围垦后已经经过一段时间的固结，其孔隙比小于1.0，天然含水量小于液限指数，不属于软土地基。而②1含砂淤泥质粘土层及②3含砂淤泥质粘土层由于土层内的地下水还未挥发排出，其孔隙比大于1.0，天然含水量大于液限指数，属于软土地基。且深度越大，含水量及孔隙比都越大。

二、管道稳管设计

1.由于软土地段管沟较难成形，开挖出来的土方放置于管沟两侧，加上管沟一侧机械通行，软土被挤压到管道下侧，导致管道上浮，管道较难沉到设计深度。管道的稳管形式的选择极为重要。

目前工程中常用的抗浮措施主要有：水泥压重块、浮力平衡压袋等。浮力平衡压袋虽然在工程中应用越来越广泛，但是由于每组平衡压袋由6-8只小袋组成，单个小袋有效重量有限，且体积较大，较容易被挤压漂浮，在软土地段采用浮力平衡压袋稳管是不适用的。水泥压重块体积小，有效重量大，不易被挤压漂浮，在软土地基段是较为理想的稳管措施。

2.软土地基段淤泥含水量特高，灵敏度高，受到施工扰动，容易液化，形成“胶体物”，此时在管道的稳管设计中只考虑清水浮力是不能满足管道的抗漂浮要求的，而应该考虑土壤液化之后的胶体物对管道产生的浮力，其浮力要大于地下水产生的浮力。根据相关工程经验，液化之后的胶体物密度在14.2-15.6KN/m3之间，即胶体物对管道产生的浮力为清水浮力的1.42-1.56倍，设计中可取1.5倍的清水浮力。

三、重要建构筑物周边管道敷设

由于软土地段管沟较难成形，边坡比达到1：5甚至更小，作业带宽度较大，可达到50-70m，管沟开挖面较大，管沟周边的土体稳定被打破，对周边建构筑物影响较大。以浙江沿海某管道施工过程中发生的事故为例：桩号 159-159+1桩天然气管道与一铸铁水管道并行，并行间距12-20m，地层为软土，天然气管道采用大开挖敷设，在100m范围内水管道发生三处破裂，一处房屋出现裂缝，对当地人民群众的生活带来严重不便，同时造成严重的经济损失。初步原因分析为：管沟开挖造成水管道一侧的土壤松动，土体稳定被打破，水管道两侧土壤压力失衡，侧向挤压造成水管道破裂。

因此，软土地基段在重要的建构筑物周边的管道应尽量采取非开挖方式通过，若场地条件不适宜非开挖穿越时应对周边的建构筑物采取钢板桩、粉喷桩等防护措施，保证重要建构筑物基础的稳定，保证管沟的开挖不会对其基础产生影响。

四、管道不均匀沉降原因及注意事项

由于软土地基土壤压缩率高，因此较容易产生沉降，而地基的不均匀沉降则可能会对管道产生破坏性的影响，因此在设计中应着重考虑，采取必要的措施，尽量避免管道的不均匀沉降。

1.管道不均匀沉降发生的原因

不均匀沉降发生的原因主要有：

1.1管道基础不在同一持力层或持力层基础厚度不一致。由于浙江沿海大多软基地段为围垦区，围垦区内由于围垦时间差别的问题，管道所经区域软土的固结程度不一致，造成管道基础的持力层发生变化或者持力层厚度发生变化。

1.2管道上部载荷分布不均匀或者管道周边土体受到不同程度的挤压夯实。

2.设计中注意的几个问题

2.1为减少管道的沉降量，管道基础持力层应首选已经固结的地层；

2.2管道基础应选取同一持力层，若持力层发生变化，在变化地段应采尽量采取弹性敷设，避免使用弯头；

2..3管沟回填时应采取含水率、重度相差不大的回填土，且管道每米的配重量也应严格一致；

2.4管道基础所能承受的载荷应进行仔细核算，持力层抗压强度不够时需对管道基础进行加固。自然状态下管道基础在液化之前的抗压强度计算应满足下式：

式中：P―抗压强度，Pa；

P1―每米管道基础承受压力，Pa；

G―每米管道基础承受载荷，N；

S―每米管道受力面积，m2；

G管―每米管道重力，N；

G配重―每米管道稳管设施的重力，取13KN；

G土―每米管道回填土的重力，N；

γ土―回填土的重度，取17KN/m3；

h―管道埋深，取1.2m；

D―管道外径，m。

经核算φ813×11.9的管段，每米配重1300kg，管顶埋深1.2m，每米管道基础需要承受38.5Kp的荷载压力，地基承载力不足38.5Kp时需对管道基础进行加固。可考虑采用碎石、块石等材料，对沟底进行抛石挤淤，对软土地基进行强制性置换。

2.5参考《建筑地基基础设计规范》GB/T 50007，采用“分层总和法”对自然状态下管道的沉降量进行计算，沉降量大多在200mm～400mm之间，小于管道在弹性敷设条件下产生的变形，不会对管道的安全造成影响。当管道周边存在回填、夯实等外力时可采用CAESARⅡ应力分析软件对管道进行应力分析，对超过许用应力的节点采取地基处理措施。

五、软土地基段公路穿越设计注意事项

浙江东部沿海经济发达，已建及待建公路较多，穿越公路设计时应注意以下问题：

1.软土地基段公路一般都进行软基处理，软基处理方式有抛石、塑料排水板、堆载预压等方式，设计时应对穿越公路的软基处理方式进行详细的了解，选择穿越点时尽量避开抛石及塑料排水板路段，当无法避让时，选择合适的穿越层位，保证管道的穿越深度不会对公路基础产生影响。

2.管道穿越规划道路时，尽量选取在规划道路的桥涵下通过，若受其他条件限制，只能在路基下穿越时，可以采取定向钻深穿越或者采取套管保护。套管内填充细沙且两端用密封圈封堵，避免地下水进入到套管里面，这样可以使得套管在沉降时，沉降出来的空间，套管里面的细沙可以及时的进行补充，减小管道的沉降量。

六、其它

1.本工程所经软土地段主要为乐清、龙湾等地的围垦区，虽然目前为养殖用地或荒地，但是远期为发展用地，为了保证管道不受破坏，管道警示设施必须标示清楚，管道标志桩、警示牌的混凝土基础要适当加大、加深。

2.软土地基段需引起勘察单位的重视，在详细勘察时无论管道采用何种方式敷设，都应提供比重、孔隙比、含水率、压缩模量等物理力学指标，以指导设计确定合理的设计方案。

3.建设单位应与地方政府签订管道保护协议，并向地方规划部门提供准确的管道竣工线位及埋深，保证后续其他工程的建设能够合理准确的避让管道。

4.由于围垦区的地质及建设情况复杂，不同地段的土体固结程度以及以后不同工程建设的地基处理方式都有可能不一致，造成管道的受力复杂多变，管道的不均匀沉降无法避免，因此建议建设单位在管道运行阶段，加强对管道的监测管理，管道的不均匀沉降量较大时应及时分析原因，并采取有效的管基加固措施。