不同地基处理方法对市政管线变形的影响分析

陈伟文

(福建省交通规划设计院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

随着城镇化进程的加速，城市市政道路的建设日益增多。尽管市政道路一般荷载相对较小，对地基承载力要求较低，但市政道路下埋设的各类管线，例如给水、排水管道等市政管线对路基沉降的要求更为严格。因此，在市政道路地基处理中，为防止路基工后沉降差异较大导致管线破裂漏水等问题，一般要求地基处理后，管线地基工后沉降小于10cm，同时基础承载力不小于100kPa。

纵览地基处理的目前研究，陈礼明(2004)[1]、梁其东(2014)[2]、周华(2016)[3]，主要分析了软基沉降对管线造成的影响，阐明了市政道路中地基处理的措施；马小明(2017)[4]以埋地管道本身为研究对象，对不均匀沉降状态下的应力水平和影响因素进行研究，并提出相应的改进措施；黄剑(2018)[5]较为详细地描述了软土地基中综合管廊的沉降控制、监测与分析，为类似工程提供参考；朱军凯，等(2018)[6]以ABQUS软件建立管道三维模型，分析地基沉降后管道应力分布情况。综之，目前对于地基处理中，相关市政管线的研究，主要以管线本身的因素及破坏形式为主要研究对象，基于不同地质条件下不同地基处理形式的研究较少。在路基变形研究中，赵少伟，等(2008)[7]、黄永强，等(2008)[8]、王子清，等(2013)[9]通过有限元程序PLAXIS对高速公路软基变形、高填路基、CFG桩处理后的复合地基处理效果进行了数值分析，得出的PLAXIS数值模拟软件能够较好地反映路基沉降变形。

本文以宁德市蕉城区某城市主干路为研究对象，拟建道路为冲海积平原地貌与剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大，岩土条件复杂程度为二级，场地复杂程度为二级。通过工程地质模型化和数值模拟的形式，考虑车辆荷载、管线刚度、地基处理形式等条件下路基整体变形与管线整体变形，综合分析不同地基处理方法对市政管线变形的影响，以期为市政道路地基处理设计、监测及养护提供技术参考。

1 市政管线软土路基模型

1.1 模型建立与参数选取

市政管线软土路基模型，如图1所示。模型以拟建道路纵断面为研究对象，研究在管线纵向上的差异性沉降，该模型长度为170m，模型中的地基土由下至上分别为中风化凝灰熔岩及其风化残积土和上部厚度不均的淤泥层构成。淤泥深度≥3.0m范围，采用CFG桩，CFG桩，间距2.0m，正方形布置进行地基处理；淤泥深度<3.0m范围，采用换填处理；其余范围不进行地基处理。路基各土层参数根据现场勘察资料，如表1所示。数值模拟对土体本构模型采用摩尔-库伦理想塑性弹塑性模型，CFG桩体与管线模型假定为线弹性材料，材料力学参数如表2所示。

(a)市政管线软土路基模型(地基处理前)

(b)市政管线软土路基模型(地基处理后)图1 市政管线软土路基模型

土层名称重度(kN/m3)黏聚力(kPa)摩擦角(°)泊松比弹性模量(MPa)中风化凝灰熔岩25100450.255000碎块状凝灰熔岩2250350.28500砂土状凝灰熔岩20.528280.3100全风化凝灰熔岩2025250.3280残积砂质黏性土19.224.833.90.3525坡积黏性土18.734.218.80.3824粉质黏土18.736.611.30.420淤泥15.77.21.60.456素填土17.510150.3812路基填土2020150.3515

表2 材料物理力学参数

1.2 分析工况

模拟工况分为地基处理前与地基处理后两种情况，模拟过程分为6步：

①计算模型在未激活路堤单元及市政管线前，通过重力加载方式进行地应力平衡；

②先激活市政管线，后进行路基填土；

③在路堤顶面施加车辆模拟静力交通荷载，施加交通荷载为城-A级交通荷载对应的均布荷载标准值qk=10.5kPa[10]；

④重新进行地应力平衡后，激活相应的CFG桩及换填部分土体单元；

⑤激活市政管线，并施加路基填土；

⑥施加交通荷载。比较两种工况情况下的路堤总位移变化情况与市政管线位移变化情况。

2 计算结果与分析

2.1 路堤整体位移分析

图1、图2和图3分别为地基处理前与地基处理后的路堤总位移。

由图1可知，未进行地基处理的路堤，路堤总位移随着淤泥厚度增大而增大，总位移最大值点位于模型起始点位置，即淤泥最大厚度处。

由图2可知，进行相应的地基处理后的路堤总位移，随着CFG处理深度和地基处理方式产生变化，在CFG桩处理范围，路堤总位移以CFG桩桩底持力层位于残积黏性土处为转折点，CFG桩持力层为全风化凝灰岩时，路堤总位移差值较小。地基处理后的路堤总位移最大值为采用换填处理区域。

图2 未地基处理路堤(工况1)总位移

图3 地基处理后路堤(工况2)总位移

由图3可知，未进行地基处理的路堤总位移最大值为18.2cm，而进行地基处理后路堤总位移最大值为5.3cm。在此路基模型中，两者路堤总位移依据相应规范要求，按照一般路段工后容许值为≤30cm，两者均能满足对于软土地区路基容许工后沉降值要求。

综上可知，在不考虑市政管线因素情况下，对于路堤总位移而言，是否进行地基处理，均能满足道路工后沉降要求。由于管线地基工后沉降要求为<10cm，故对于该工程而言，城市主干路需采用相应的地基处理措施，以避免管线变形破坏。

2.2 市政管线垂直位移分析

根据有限元网格划分，选取市政管线位置处，分析不同水平位置处市政管线的垂直位移，整理得出的各工况情况下市政管线位移的最大值与最小值及市政管线的沉降差值，如表3所示(工况1代表未进行地基处理的情况，工况2代表地基处理后的情况)。由表3可知，从市政管线位置处分析，在未进行地基处理的工况1中，最大垂直位移值位于模型起始点位置，最大垂直位移为16.8cm，最小垂直位移值位于淤泥与坡积土交接位置处，最小垂直位移为1.9cm。由此可知，在未进行地基处理的情况下，管线位移最大差值为14.9cm。而对于市政管线而言，未进行地基处理情况下，管线工后偏移值较大，较难满足管线自身要求，较易造成管线变形破坏。在地基处理后的工况2中，最大垂直位移值位于换填处理范围起始段，最大位移值为4cm，最小垂直位移值位于CFG桩处理末端，最小位移值为1.4cm。地基处理后，市政管线位移最大差值为2.6cm，能够满足管线自身变形要求。故，在软基路堤情况下，采用适当的地基处理方式，有利于减少管线变形破坏。

表3 不同工况下市政管线位移比较表

图4为不同工况情况下市政管线位移比较图。分析可知，未进行地基处理的工况1中，在水平位置0mm～130m范围，土层中存在软土地基，管线位移沉降量随着淤泥深度增加而增大。当水平位置为130m～170m范围，管线持力层为坡积土等良好地层时，管线位移沉降较小；而在进行地基处理后的工况2中，位移变化曲线起伏相较工况1相对较小。在水平位置0mm～110m范围为CFG桩处理范围，水平位置110mm～130m范围为换填处理范围，水平位置130mm～170m范围未进行地基处理。在水平位置0mm～110m范围，市政管线的位移与CFG桩的桩端持力层相关。当CFG桩的桩端持力层选用残积砂质黏性土时，管线垂直位移相对较大，而桩端持力层为全风化凝灰岩石，管线垂直位移相对均匀，变化不大；水平位置110mm～130m范围时，管线位移与换填深度有一定关系，CFG桩与换填范围交界位置，垂直位移逐渐增大，下降到工况2最大偏移点后，随着换填深度减少，垂直位移逐渐减少；在水平位置130mm～170m范围，工况1与工况2相比较，管线位移相对变化不大。

图4 不同工况下市政管线位移比较图

结果表明，市政管线沉降与软土地基具有一定关系，随着软土厚度变化，市政管线沉降呈现明显变化。市政道路施工过程，应充分考虑软土地基对市政管线的影响，针对不同的地质条件选择合适的地基处理，有利于保证市政管线的稳定性及耐久性。

2.3 不同地质条件下位移分析

市政管线，由于软土地基的压缩沉降和侧向位移，致使管体产生纵向弯曲，甚至失稳，在最薄弱处产生破裂而漏水。因此，针对不同地质条件下，采用合适的地基处理方法，有利于减少市政工程中地基处理的范围，减少工程造价。

图5为水平距离0m～110m范围市政管线垂直位移变化曲线。该段落工况1情况下，随着软土厚度变化，垂直位移呈现明显的变化规律：在0m～20m范围，垂直位移变化相对较小，则在软土厚度相对均匀的地质条件下，市政管线的沉降能满足变形要求时，即差异沉降较小时，可以考虑不进行地基处理，但市政道路要满足规划与地块开发要求。因此，拟建道路若处在地质条件较均匀的区域内，应充分考虑路基沉降变形，待路基经超载预压或等载预压充分稳定后，再进行相应的市政管线施工，方能满足管线变形要求，减少工程造价，但工期较长。

由于实际工程工期要求较短，且整体规划存在一定滞后性，因此在实际工作中，为了满足道路标高需要，对于软土路基，软土厚度≤3.0m时，采用换填处理；当软土厚度在3m～20m范围时，推荐采用水泥搅拌桩与CFG桩等软基处理措施；当软土厚度在20m～30m范围时，设计中一般采用预制管桩等质量较佳且可控的地基处理措施。如图5所示，由于软土厚度大于3m，故采用CFG桩进行地基处理，由垂直位移变化曲线可知，CFG桩对于深厚软土，能够显著地提高地基承载力和减少沉降。

图5 水平距离0m～110m内市政管线垂直位移变化曲线(CFG桩处理范围)

图6为水平距离110m～130m范围市政管线垂直位移变化曲线。该段落软土厚度<3m，由工况1可知，市政管线位移偏值小于10cm，即沉降差异值较小。分析工况2，由于该段落两侧沉降较小，则在管线位移中，该段出现明显的沉降差异，即应力集中区域，但模拟沉降值仍略小于未处理段落。在实际工程中，当满足场地区域地质较为单一，软土厚度较薄且填方高度较低时，为减少造价，可以适当减少地基处理范围，但由于土体的各向异性，对于软土厚度<3m的区域内，采用换填处理措施，能够高效、直观、不留后患，在换填过程应分层置换砂性土等透水材料，并夯实至设计要求。

图6 水平距离110m～130m内市政管线垂直位移变化曲线(换填处理范围)

实际工程中，地基处理不仅仅要考虑软土厚度的变化。还需要考虑地下水位的变化，软土发育区域内，地下水位随着季节变化较大，水量受降雨等影响较大，设计及施工工作中应充分考虑防排水措施，防止路基填土泡水软化，不利于市政管线施工。

该工程经地基处理后满足管线沉降要求，结合该段落软土地基路段监测数据，各监测点所反应的变形位移趋势与数值模拟趋势大体相当，最大位移为4.8cm，与模拟值较为吻合，说明Plaxis软件能较好地反映路基沉降变化。

3 结论

在市政道路中，一般路基段落市政管线对软土沉降变形的要求高于路基自身的要求。在软基段落采用地基处理后，市政管线沉降及不均匀沉降情况明显减少，从而满足市政管线沉降要求，减少市政管线变形破坏等情况。

针对不同地质条件合理选择不同的地基处理方法及处理范围，既能符合工程经济性要求，又能充分提高软土路基的地基承载力并减少沉降变形，以期保证市政道路工程的工程质量，降低软土沉降变形对市政管线的影响。