浅谈软土地基下管道设计

摘 要：基础的稳定性是确保管道安全的主要因素，而软土则是影响地基稳定性的要素之一。因此，在建筑软土地基桩基设计及治理时应有预先评估，从设计和施工上下手，减少影响。本文结工程实例对软土地基上管道砂石基础的设计与计算进行了分析。

关键词：软基处理；施工技术；管道设计

软土通常是指在静水或缓慢流水环境中沉积的、天然含水量大、可压缩性高、承载力低、透水性较差的一种软型到流塑状态的饱和粘性土。这种软土层广泛分布于我国沿海和内陆地区 ,一般沿河地带软土层厚 10m ,滨海地带软土层厚 30m。为完善的城市优质的管道工程，合适的管材、合理的设计方案与良好地施工质量都是必不可少的。其中尤其要注意在不良土质条件下管道基础的设计与施工。

1软土地基的特点

软土是指天然孔隙比≥1.O，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等；具有高压缩性，低强度，高灵敏度和低透水性等特点。

软土地基的承载力较低，承受荷载后沉降变形较大，以软土作为地基持力层或下卧层的给排水管道，如果地基处理不当，很容易由于过度沉降或局部不均匀沉降而导致管道及接口处因变形过大引起渗漏。

2 影响管道地基的因素

2.1地基土强度及稳定性

当地基土的抗剪强度较低，不足以支撑上部结构自重和附加荷载时，地基就会产生局部或整体剪切破坏。

2.2 压缩变形及不均匀沉降

当地基由于上部结构自重和附加荷载作用而产生过大的压缩变形时，会引起管道整体或局部过量下沉，导致接口开裂，影响管道的正常使用。

2.3 地震或外力影响

地震可能造成地基土层液化或震陷现象，使地基土承载力下降、沉降加大；而超过设计承载力的车辆振动或爆破等外力荷载也有可能引起地基土失稳，这些因素都有可能导致管道的破坏。

2.4 流砂

当管道的基础持力层为粉土或粉砂时，由于管道周边地下水降水不当或管道本身产生渗漏，会引起管道周边地下水压力产生较大变化，当管道渗漏量或地下水水力坡降超过容许值时，可能会导致地基土失稳而对管道造成破坏。

3 软土地基管道的地基处理措施

在软土地区的管道工程发生事故的主要原因是地基的不均匀沉降，因此管道工程对地基强度、稳定性及不均匀沉降有严格要求。在实际工程中通常采用的管道地基处理措施有两类。

3.1 换填垫层法

换填垫层法指挖去浅层软弱土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实形成垫层从而减小地基附加应力的地基处理方法。根据不同的工程地质条件、管道埋深及工程所在地等情况，可以选用碎石或砂、粘性土或素土、灰土等材料。

3.2 水泥土搅拌法

水泥土搅拌法就是以水泥为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体的地基处理方法。

4 管道基础的形式及选用原则

排水管道采用明开槽施工的管道基础的形式大致可以分为天然土弧基础、砂石基础和混凝土基础3类。

4.1天然土弧基础

天然土弧基础即在管底原状土上挖出弧形槽，其弧度应与管底弧度吻合。当埋地钢管或铸铁管道的地基持力层土质条件较好、无地下水且地面活荷载较小时，可以采用天然土弧基础。

4.2砂石基础

当天然土弧基础不能满足与管底弧度吻合，而地基承载力较高时，宜采用砂石基础以适应管底外形。砂石基础材料一般选用中、粗砂，也可选用级配砂石、级配碎石、土石屑等。

4.3混凝土基础

当管底原状土地基承载力较低，而管道本身对抵御不均匀沉降的要求较高时，宜采用混凝土基础。浇注混凝土基础时混凝土应与管底外形密切吻合，当管径较小时可使用素混凝土基础，而当管径较大时应采用钢筋混凝土基础。

5 换填垫层法的设计与计算

5.1计算简图及参数取值

采用换填垫层法实质上就是通过垫层将管道基础地面的压力扩散分布到持力层上，使垫层底面压力小于持力层容许地基承载力。

α一基础计算支撑角，(°)；

θ―换填垫层的压力扩散角，(°)；

Cl一管道基础厚度，m；

b一管道或管道基础与垫层顶面接触宽度，m；

B一垫层底面最小宽度，B=b+2tg0，m；

hs一换填垫层厚度，m。

① 砂石基础

砂石基础支撑角2α，应将管道基础角度减去30°，即两侧各减去15°计算；各种管道砂石基础的支撑角取值详见表1。

管道与砂石基础接触面宽度b可近似取管外径的2α圆心角弦长。即：

b=D×sina (1)

由于砂石基础本身也可以起到扩散压力的作用，在工程设计中可以认为管道底面以下砂石基础的压力扩散角与换填垫层的压力扩散角θ取值相同，而砂石基础以下换填垫层的实际厚度hs’=hs+Cl，而B=b+2Hs’tgθ。

② 混凝土基础

由于混凝土基础为刚性基础，上部管道压力通过基础整体传到下部垫层，支撑角2α可直接按照管道基础角度取值；同理，管道基础与下部垫层接触面宽度b也可直接按照混凝土基础底面宽度取值。

5.2垫层下部软弱下卧层验算

管道基础垫层的软弱下卧层验算可按下式计算：

pz+pcx≤az(2)

式中：

pz―管道基础垫层底面处的地基附加应力标准值，kN／m2；

pcx―垫层底面处土的自重应力标准值，kN／m2；

az―垫层底面处经修正后的地基承载力特征值，kN／m2。

管道基础为条形基础，沿管道长度方向垫层底面单位长度的地基附加应力pz可按下式计算：

(3)

式中：

b――管道或管道基础与垫层顶面接触宽度，m；

Pc―管底面处土的自重应力标准值，kN／m2；

Pk―基础底面压力设计值，P=P+PQk，kN／m2；

PGk―基础底面永久荷载设计值，kN／m2；

PQk―基础底面可变荷载设计值，取车辆荷载与地面堆载的较大值，kN／m2。

6 工程实例

某管道工程断面，使用直径1.2m混凝土管，采用150°砂石基础(Cl：0.25m)；管顶在自然地面以下埋深为2.2m，新筑路面结构层及填土总厚度为1.8m，管顶及两侧填土加权平均重度为20kN／m3，地下水在自然地面以下埋深为0.7m；地面预压堆载为10kN／m2，不考虑车辆荷载；管道基础底面以下换填级配砂石垫层，垫层底面持力层为淤泥质粘土，地基承载力特征值为65kPa；设计要求确定垫层厚度及宽度。

6.1设计计算

本工程采用150°砂石基础，其基础支撑角2a取值为120°，见表1。

混凝土管外径D=1.44m

由公式(1)，b=1.274m，取hs=0.4m试算，则hs’=0.65m

根据(GB50007-2002)中表5.2.7，θ取值为30°，垫层底面宽度B=2.024m。

垫层底面处在自然地面以下埋深d=2.2+1.44+0.65=4.29(m)

Pcx=：49.9kN／m2，Pc=43.4kN／m2，pGk=(Gl+G2+G3-F浮)／b

其中G指D宽度范围内，管顶至设计地面的覆土重量，G1=95.83kN；

G2指管自重，G2=12.43kN；

G3指管中满水重，G3：11.3kN；

F浮指管受地下水浮力，F浮=16.28kN；

可知PGk=81.07kN／m2。

PQk=10×B／b=15.9(kN／m2)，Pk=PGk+PQk=96.97kN／m2：

由公式(3)可知，=33.72(kN／m2)。

垫层底面处的地基承载力设计值可按下式计算：

KN／m2

再由公式(2)可知，Pz+Pcz=83.62kN／m2≤faz，垫层厚度满足承载力要求。故本管道基础垫层可采用0.4m厚砂石垫层，垫层宽度不应

6结束语

综上所述，在软土地基上管道施工中，只有对存在软土地基的场地进行详细的地质勘察，查清场地地形、地貌以及水文地质等情况，精心设计、反复研究、认真进行沉降和稳定验算，根据不同的工程性质和地质特征来比对方案，采取最佳的处理办法，才能设计出安全、合理、经济的管道工程。

参考文献

[1] 赵华标，浅谈软土地基下管道基础处理方法[J]中国科技博览，2009.09X

[2] 王峰，软土地基排水管道设计探讨[J]中国科技信息，2009.23

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。