沿海滩涂地区供水管道软基处理方法

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(1.日照市供水工程管理处， 山东日照 276800; 2.山东建筑大学， 济南 250012；3.日照市三联调水有限公司， 山东日照 276800)

沿海滩涂地区供水管道软基处理方法

梁其东1,2，韩淑婷3，张鑫3

(1.日照市供水工程管理处， 山东日照 276800; 2.山东建筑大学， 济南 250012；3.日照市三联调水有限公司， 山东日照 276800)

针对沿海滩涂地区土质松软、土壤含水量大、流动性强、渗透性差、地基承载力低的特点,结合滨州北部沿海地区供水工程输水管线工程实际,介绍了灰土垫层法、换填垫层法、“土工—砂石复合基础”处理法、抛石挤淤法和槽钢钢板桩支护法等滩涂地区软弱管基处理方法，对类似地区软基处理有很好的借鉴作用。

滩涂； 供水管道； 软基处理； 方法探讨

在给排水管道安装中，通常采用直埋的方式，而直埋管道往往遇到软弱地基问题。特别是在沿海滩涂地区，基础土质大多属于软弱的黏性土或淤泥质黏性土,也就是工程上所谓的“软土”、“ 翻浆土”、“弹簧土”，其设计、施工、维护等有其特殊性。为更好解决不良土质条件下管道基础的设计与施工问题，选用设计科学的方案与良好的施工措施都非常重要。笔者针对滨州北部沿海滩涂地区供水工程的设计、施工，提出了软土地区管道基础的处理与施工的方法。

1 工程概况

滨州市位于黄河下游、鲁北平原，地处黄河三角洲尾闾，是黄河泛冲积平原区域。该区域松散层厚达3000m，多为砂土、亚砂土，地下水位高，该类土质一般含水量均在30%～70%，在地震波作用下容易液化，使管道基础减载、失载，普遍存在地基承载力不足和不均匀沉陷问题。滨州沿海滩涂地区软基管线基础占到总管道的80%以上，研究解决此类地区软基础施工关键技术，对于做好供水工程建设、节约建设投资、保障工程安全运行具有重要意义。

工程位于滨州市北海新区内,为城市主干供水管道，长79km，为生活、工业双管线。工业管道采用DN1000离心球墨铸铁管和DN800PE管，生活管道采用DN800离心球墨铸铁管和DN600PE管。路宽40m,设计行车速度40km/h。其所在场地的原始地貌为海积阶地,下卧有较厚的软弱淤泥层,含水量高达95%,空隙比平均为1.8,饱和度为99%。该淤泥层在填土和路面荷载的作用下会有较大的沉降变形。

2 软土基础的特点

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态到流塑状态的饱和黏性土。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。软土是指天然孔隙比不小于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、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。褐黄～灰褐色，可塑～硬塑，干强度高，韧性低，切面光滑，土质较均匀，渗透系数K=0.8×10-5cm/s。该层层厚1.6～2.7m，平均层厚为2.1m,层顶标高-0.5～-0.2m。管道基础位于淤泥质粉质黏土层中，粉质黏土和淤泥质粉质黏土透水性好，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。由于软土层的以上特性,在软土地基上敷设管道时,必须重视地基的变形和稳定性问题。

3 软土基础对给水管道的影响

如果软基础处理不当，安装完毕的PCCP管、PCP管等管材在土压力和外部荷载作用下产生不均匀沉陷，极易造成管道接口脱开；SP管通过焊接连接，属于刚性接口，如果软基础处理不当，也很容易在外部荷载和土压力作用下脱开致使管道失稳，在最薄弱处产生破裂而漏水。在给水管道工程实践中，软基对其产生的损坏主要有:

a.在采用橡胶圈密封的承插口处，往往是橡胶圈被挤出；在采用打口方式的承插口处，接口易松脱发生漏水事故。

b.钢管在焊接口处断裂，裂缝一般为环向，呈中间大两边小的形状。

c.管道伸缩节的接头易被拉裂。

d.阀门的法兰被拉裂或皮垫被损坏而造成漏水。

e.在局部有管渠交叉处，普通铸铁管或UPVC管易断裂。

下表是滨州市2008～2011年因软土地区管道地基下沉、土体侧移或不均匀沉降而引起给水管道漏水事故情况的统计，其他软土地区采用钢管的区域也因软基问题存在断裂问题，说明软基是造成管道漏水事故的主要原因之一。

给水管道漏水事故情况统计表

4 影响管道地基的因素

4.1 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。

4.2 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。

4.3 地震或外力影响

4.4 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。

5 软基基础的处理方法

5.1 灰土垫层法

灰土垫屋常被用于软基基础给水管道基础的处理。一般适用于处理1～4m厚的软弱土层。管道的基础是条形基础，作用于地基上的力也比其他建筑物小，而且是基槽开挖后埋入地下，表面的软弱土部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)垫层来处理湿陷性地区的管道基础，以提高承载力，减少沉降力。灰土垫层是将基础下面一定范围内的弱土层挖去，用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层回填夯实(压实)。

5.1.1 承载力的确定

经过人工压实(夯实)的3∶7灰土垫层，当压实系数控制在0.97及干土重度不小于14.5～15.0kN/m3时，其容许承载力可达300kPa以上。对于2∶8灰土，当压实系数控制在0.97及干土重度不小于14.8～15.5kN/m3时，其容许承载力可达300kPa。

5.1.2 灰土垫层材料配比

灰土中石灰用量在一定范围内，其强度随灰土用量的增加而提高，但当超过一定限值后，强度则增加很小，并且有逐渐减小的趋势。1∶9灰土只能改善土的压实性能，2∶8和3∶7灰土一般作为最优含灰率，但与石灰的等级有关，通常应以所含CaO+MgO总量达到8%左右为最佳。灰土中土不仅作填料用，而且参与化学作用，尤其是土中的黏粒或胶粒具有一定活性和胶结性。含量越多，灰土强度越高，土粒粒径不得大于15mm。灰土垫层的施工，应严格按有关规程进行。

5.1.3 灰土的质量检验

美国的基础研究投入量居世界第一，从基础研究体系构成来看，美国的大学和联邦实验室为主要的研究主体，其次为产业和非营利机构。从经费的投入角度来看，2017财年，联邦R&D经费投入增至1 183亿美元，较2016财年的1 150亿美元增长了2.8%；其中基础研究经费保持稳定，为323亿美元，应用研究经费下降至342亿美元，降幅为0.8%[14]。据《中国统计年鉴2017》显示，在我国2016年的R&D投入中，基础研究为822.9亿元，应用研究为1 610.5亿元。总体来看，与美国相比，我国在基础研发经费的投入占比上有较大差距。

一般采用环刀取样，测定其干土重度。质量标准可按压实系数确定，一般为0.93～0.95。管道基础压实系数一般采用0.95，不得小于0.90。

5.1.4 灰土垫层的厚度与湿陷变形的关系

垫层具有一定的厚度才能使湿陷量最大处上部土层的湿陷性消除，并由垫层扩散到天然黄土层的附加力减少到某种程度，使浸入后的湿陷量减少。垫层的宽度则以沟槽宽度为依据，对于孔洞、沟涧、墓穴及其他回填土、淤土地区，垫层处理范围要扩大。

5.2 换填垫层法

换填垫层法是先挖去基坑下的部分或全部软弱土，然后以砂石、素土、灰土和矿渣等强度较高的材料回填，置换基础表层软弱土，提高持力层的承载力、扩散应力，减少沉降量的处理方法。该方法适用于沿海滩涂淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的处理。对于处理Ⅰ级非自重湿陷性黄土，管径不大的管道基础可采用素土垫层。素土垫层是先挖去基坑下的部分或全部软弱土，然后回填素土分层夯实，素土垫层的土料一般以黏性土为宜，填土必须在无水的管沟(基坑)中进行。夯(压)实施工时，应使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(压)实应分层进行，多层虚铺的厚度可参照灰土垫层的虚铺厚度。

5.3 “土工—砂石复合基础”处理法

综合分析稻湖区软基础状况后，考虑其地下水位较高，沟槽开挖后涌水量大，根据工程特点和造价要求，无法采用井点降水方案，沟槽内的涌水只能采用明排方式。因此，沟槽基础处理要考虑材料的透水性，保证沟槽四周涌水及时排出，还要保证泥砂不随涌水流走。石子具有很好的透水性和强度，但对淤泥流沙不具有反滤作用，而土工布具有良好的透水性和反滤作用，通过土工布能使石子形成一个整体。因此，利用土工布配合石子、中砂换填处理管道基础，即采用“土工—砂石复合基础”处理法。土工布是由聚丙烯、涤沦等材料制成的无纺布，常用于湿软、沼泽地等基础处理，其特点是机械性能好(如：抗拉强度不小于30MPa，抗弯强度不小于40MPa)、耐疲劳、弯曲性好。由于该工程地下水中往往渗有海水，可利用土工布电绝缘性能好、化学性能稳定、耐腐蚀的特点，在管道槽底整平后先铺设一道土工布，再将碎石倒入，可防止碎石陷入淤泥，使得下一道工序倒制混凝土基础时，能形成一条完好的碎石垫层，确保了管道基础的施工质量。

利用土工布的反滤功能，使沟槽底部的涌水顺畅通过，阻止砂土颗粒随水流流失，同时有利于沟槽涌水的排出。

“土工—砂石复合基础” 处理法(见图1、图2)就是在沟槽开挖深度达到换填高程后，将土工布沿沟槽方向铺设，垂直沟槽方向上土工布沿沟槽斜坡方向上长度要大于换填高度0.5m左右，纵向搭接长度不小于0.5m，铺设后要及时在土工布上回填2～4mm石子，这样保证了石子垫层的稳定性，土工布的反滤效果也保证了沟槽底部涌水的及时排出。回填的石子到管底安装高程-0.3m时用现场反铲挖掘机压实后回填中砂垫层，经现场挖掘机压实后达到设计管底高程，处理后的基础承载力经测算应在200kPa以上，既保证了管道基础均匀，也防止由于管道直接铺在石子上产生的应力对管材造成损伤。

图1 “土工—砂石复合基础”布置

图2 “土工—砂石复合基础”应用

“土工—砂石复合基础” 处理法综合利用了换填法和抛石挤淤法，具有施工便捷和施工成本低等优点，对于滩涂软弱基础、低洼淤泥流沙地区具有很好的借鉴作用。

滨州北海主干供水管道工程采用“土工—砂石复合基础”处理法，顺利完成了滩涂软弱基础、低洼淤泥流沙地带软基础工程的管道安装。

5.4 抛石挤淤法

抛石挤淤法是在有软土或弹簧土以及有积水的路段填石头，通过向流塑状的高灵敏的淤泥表面大量集中抛填土石填料，依靠填筑体的自重，挤开淤泥，强制置换饱和软土地基的地基处理方法(见图3)。填石的高度以露出要处理的路段原有土层(或积水)高度为宜。在填石的过程中注意一定要用推土机把石块压实，不能出现软弹现象。

图3 木桩与抛石挤淤法

对于软基比较深的区域，通过现场应用，发现在有淤泥流沙的情况下采用槐树桩、砂袋和竹排支护方案，在木桩及抛石施工过程中，随着压桩与抛石压实结合的不断深入，可形成较好的挤密层，增大应力扩散角。

5.5 槽钢钢板桩支护法

钢板桩围护墙由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6～8m,型号由计算确定。其特点是:ⓐ具有良好的耐久性,基坑施工完毕后可将槽钢拔出回收再次使用；ⓑ施工方便，工期短；ⓒ在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施；ⓓ滨州沿海滩涂地区流沙基础管道工程，地下水丰富，淤泥流沙在沟槽内成糊状，具有沼泽地状态，特别是在阀门井等构筑物工程中采用这种方式更具有优势。见图4。

图4 槽钢钢板桩基坑支护

6 结 语

通过对滨州北部沿海滩涂地区软弱管基处理技术的探索与实践,提出的“土工—沙石复合基础处理法”、“钢板桩支护法”等处理方法施工便捷、成本低、质量优，在项目区取得了良好的效果，在确保了工程质量的同时保证了工程安全运行。对于类似地区软基处理也有较好的借鉴作用。★

[1] 陈拥军.不良地质条件下管道基础处理与施工[J].广东科技，2006(03).

[2] 胡天启，李永华，刘芳.议几种特殊地基的处理[J].科技信息，2008(29).

[3] 陈礼明，吴涛，卢秀华.不良地质条件下管道地基的处理[J].中国给水排水，2004(04).

[4] 任锋.不良地质条件下给水管道基础处理与施工[J].广东建材，2005(12).

TreatmentMethodofWaterSupplyPipelineSoftGroundFoundationinCoastalBeachArea

LIANG Qi-dong1,2, HAN Shu-ting3, ZHANG Xin3

(1. Rizhao Water Supply Project Management Office, Rizhao 276800, China; 2. Shandong Jianzhu University,Jinan 250012, China; 3. Rizhao Sanlian Water Transfer Co., Ltd., Rizhao 276800, China)

Coastal beach area is characterized by soft soil, high soil water content, strong liquidity, poor permeability and low bearing capacity. Practical conditions of water transfer pipeline in coastal area water supply project in the north of Binzhou are used to introduce lime cushioning method, replacement cushioning method, ‘geotextile-gravel compound base’ treatment method, rock rip-rap displacement method, channel steel plate pile supporting method and other weak pipe foundation treatment methods in beach area aiming at the above features, thereby providing reference for soft foundation treatment in similar areas.

beach; water supply pipeline; soft foundation treatment; method exploration

TU521

A

1005-4774(2014)09-0011-04