浅谈南疆地区液化场地污水管道的结构设计

边燕红，赵 磊

（甘肃恒石公路检测科技有限公司 试验中心，甘肃 兰州 730050）

随着国民经济的快速发展，我国城镇化建设已经全面实行。新建或改造埋地供排水管道做为城镇化建设的重要组成部分，受到人们的广泛关注。历次震害发现，砂土液化是埋地管道破坏的主要因素。在液化场地埋设管道，若地基未作处理，地震波对管道会产生纵横两方向破坏[1]。在地基土完全液化前，管线出现隆起；完全液化后土沉陷压密，管线出现沉降[2]。南疆地区近年地震发生频率比较高，气候干燥，昼夜温差大，文章以在建的“库车经济技术开发区工业污水处理厂工程”为例，阐述液化场地埋设污水管道、管道地基处理及基础设计需要注意的问题。

1 项目背景

污水管道主要埋设在厂区内，主要连接各个污水处理构筑物。由地质勘察报告可知，（1）该场地土层主要由三层组成，分别为：①层素填土，②层粉土，③层细砂，三层细砂存在液化，液化等级为轻微～中等；（2）地下水位平均在自然地面以下1m；（3）场地最大冻深1.2m。

2 砂土液化管道地基处理的方法

对于埋地管道，当液化等级为轻微～中等时，主要通过增强管材刚度，减小不均匀沉陷，提高结构对不均匀沉陷的适应能力，例如对输水、气、热力管道，采用钢管或设置变形缝或采用柔性接口来减小液化沉陷对管道的影响；当液化等级为严重时，对液化土采用换填法或振冲法或沉管碎石桩法进行处理，处理后地基液化指数不小于4（处理深度为15m时）或5（处理深度为20m时）[3]。对于一般管网，当液化等级为轻微时，地基可以不用处理。

3 抗液化管道埋地方案

一般管道工程，埋地管线须铺设在管顶距离冻土线一下0.15～0.3m，防止管道由于受到土壤冻结过程中土壤体积增大，产生冻结力和冻胀力以及土壤融化过程中土体压缩系数变化的影响而遭受冻害[3]。但是，本工程地下水位在冻土层以上，管道设计需要考虑两方面的因素。首先，地下水的存在加大当地的土壤冻深，管道在未采取任何防冻措施的前提下浅埋定会遭受冻害；其次，地下水位比较高，液化场地管道敷设需考虑管道的上浮反应，一般管道埋设的越深，上浮位移越大，但是埋深过小，容易引起管道上浮出地面，从而使管道破坏[4]。

实际工程中，为了防止管道在液化土中上浮，对管道外裹玻璃棉，采取浅埋的方法，将其埋设在冻土线以上，防止管道破坏，同时，对液化区管道设置混凝土支墩来减小在地震作用下的上浮反应。管道不能敷设在液化区和非液化区的交界处附近，大量实验研究发现，该区域应力变化比较大，容易产生管道的变形及破坏。

管道埋置深度除了考虑冻土线和地下水位外，还需考虑以下因素：（a）管径管材，例如，腐蚀性环境地区采用抗硫酸盐混凝土管，液化场地在同等条件下尽量使用小管径的管子；（b）地面荷载，例如行车道下的过街管线覆土深度不宜小于0.70m；（c）回填材料及压实系数，例如行车道下的过街管线可用中粗砂回填，且压实系数须满足图1要求；否则，在地震作用下，土骨架会因振动的影响而受到一定的惯性力和干扰力,由于各个土颗粒的质量不同、排列无序以及初始应力和传递的动强度不同,在土颗粒的接触点容易引起新的应力[5]。当这种应力超过骨架强度时,就会破坏土颗粒之间原来的连接强度和结构状态,使土颗粒之间脱离接触,从而产生体积变形,骨架结构发生破坏,应力重分配。此时,原先由砂粒通过它的接触点所传递的压力就会传递给孔隙水来承担,引起孔隙水压力的骤然上升，使得砂土侧流，不再具有约束管线的能力从而管线上浮[6]。（d）工艺专业水头差、流速等的计算，保证管道内污水在重力作用下能排出去。

图1 K为上的压实系数dn为管道公称直径

国内外学者对液化区管道埋深进行数值模拟发现，当管道埋深在1.5～2.0m时，管道变形较小，管道抗沉陷能力最好，管道接口安全性能明显提高[7]。本工程结合场地地质条件，确定厂区内污水管道覆土深度为1.5m，管径经过工艺专业水头差及流速计算，确定DN600混凝土Ⅱ级管满足设计要求。管道基础采用120o混凝土基础，地基处理结合厂区构筑物采用换填法处理，因厂区地形为坡形地面，故换填厚度为2～4m。

4 液化场地埋地管线内力计算方法

目前，计算在地震波作用下埋设管道内力的方法主要有两种，一种是假定管道与周围土体共同变形，这种情况下不需要考虑管道与接触土体之间的相对运动，埋地管道沿轴线方向的应变等于周围土体沿管道轴线方向的正应变[8]。另一种是假定埋地管道与包裹其的土体之间有分布弹簧，管道与土体之间可以产生相对位移。主要是由于管道和其周围土体之间本构性质不同，使得管体与周围土体之间存在着相对位移，相对位移使得周围土的位移大于管道位移[9-10]。第一种方法是拟静力法，该法在动态情况下考虑了管体和水的惯性作用力后的计算结果与静态作用下的结果非常接近，由于管道自身的惯性影响很小。故忽略动力影响，直接考虑静力作用下的管道受力。此时假定忽略土体的塑性变形，视土体为弹性材料，所以，一般管道结构设计，在经济条件允许的前提下考虑管道覆土、内水压力及地面荷载进行管道基础设计即可，不需要进行埋地管道的动力响应分析计算。

对混凝土管道，管自重受力如图2所示，其产生的弯矩和轴力用下式计算:

图2 管自重受力

当计算管顶覆土时，一般对圆管上半部两侧胸腔回填土忽略不计（如图3所示），但是，当管径较大且覆土较浅时，应考虑这部分土重Gb对管子的影响，即 Gb=0.10758SD02。

图3 圆管上半部两侧胸腔回填土

其中，D0为管外径；γs为土容重（kg/m3）

当管道受到两侧水平土压力作用 （如图4所示），其产生的弯矩M及轴力N可采用下列公式计算：

图4 管道两侧水平大压力

其中，GX为水平压力的合力；

当管道满水，管道受到内水压力作用时，管截面内产生轴力可按下列公式计算：

各种不同支承角（2α）混凝土管座基础形式下，管道的轴力和弯矩系数见《给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》（CECS143-2002）附录D表D.0.2圆形刚性管的内力系数。

对混凝土管道或钢管，管座支承角（2α）须满足下列构造要求：（1）管道覆土在0.8～2.5m之间时，采用90o混凝土管座；（2）管道覆土在2.6～4.5m之间，且管径小于600mm时，采用120o混凝土管座；（2）管道覆土在4.5～6m之间，且管径大于700mm时，采用180o混凝土管座。

5 结论

南疆地区埋地管道设计需考虑一下几个方面：

1）南疆地区昼夜温差大，地表温度变化较大，管道覆土厚度设计需考虑温度变化对管道的影响，一般管道埋置在冻土线以下0.15～0.30m，地下水较浅时另行考虑；

2）液化场地埋地管道设计需考虑上浮反应，地下水对管道埋深的影响，液化场地管道埋深在1.5～2.0m时受力及变形最小；

3）管道不应埋在液化土层和非液化土层交界的区域，该区域应力变化大，容易出现管道变形和沉陷；

4）管道基础设计既要考虑外部荷载作用，又要满足构造要求。