软土地基市政排水管道沉降原因分析及对策

杨滨

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

软土地基市政排水管道沉降原因分析及对策

杨滨

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

以工程实测数据资料为基础，从管道铺设开挖沟槽卸土回弹后在回填土体自重压力下的再压缩，围护桩体打、拔扰动造成的管道周边及基础土体损失，管道上部回填料松散引起的自密实压缩变形等几方面原因，对软土地基场地条件下铺设的市政排水管道工后沉降原因进行了详细分析，并提出了减少排水管道工后沉降的相应对策。

排水管道；软土地基；沉降

1 概述

在我国江浙沪地区广泛分布有软土地基场地，为解决附加荷载较大的构建筑物工后沉降明显问题，工程设计人员多采用深基础或地基处理等方式。对于市政排水管道工程来说，理论上对于铺设场地几乎没有附加荷载，不应出现明显的沉降。另外对于管道工程，实践中也较少采用相对代价较高的大范围地基处理或深基础形式。

2 工程实测数据资料

那工程实践中，市政排水管道发生沉降的实际情况如何呢?本文将分析某大型主题公园工程园区内市政排水管道施工及工后全过程的沉降情况。该工程位于上海市浦东新区某地，占地面积约4 km2，各类市政管线累计总长度已达数十公里(见图1)。其中根据排水工艺布置要求，排水系统包括雨、污水管道，管径φ100～φ2 500 mm不等，采用塑料及钢筋混凝土成品管材，管道设计埋深1.5～7.5 m不等。

图1 工程整体布置概况

本工程场地地质情况属于典型滨海平原(长江三角洲冲击平原)地貌。浅部土层组厚度约9 m，至上而下分别为①层填土、②层粉质粘土、③层淤泥质粉质粘土。中部土层厚度约16 m，至上而下分别为④层淤泥质粘土、⑤1层粘土、⑤3层粉质粘土等。其中③、④层厚度较大，较为软弱，是管道坐落的主要土层，属典型软土地基。

本工程场地浅部地基土采用了真空预压+PVD塑料排水板方法进行场地整体地基处理。地基处理后，浅部各土层物理指标较处理前有一定改善，但变化幅度不大，力学性指标(压缩性指标和强度指标)在第③、④层中均较处理前有较明显的提高；静力qc值在浅部土层中提高约20%～50%，下部土层影响不明显。处理后，第③层土从正常固结土变为超固结土，应力历史发生明显变化。而④、⑤1层固结程度略有提高，但基本上仍属正常固结土。

在市政排水管道工程中大量使用塑料管及钢筋混凝土管，其中塑料管属柔性材料，变形协调性能好，能消化吸收大部分管道整体及差异沉降，工程性质可靠。但当工艺设计对管径要求较大时，由于塑料管材料的强度局限，工程上多使用预制成品钢筋混凝土管道，采用承插连接。由于管节间开口变形的限制，钢筋混凝土管道对沉降较敏感，见图2。

图2 钢筋混凝土管道变形开裂风险示意

本工程较先开展某段钢筋混凝土雨水支管施工完成验收时发现多处发生管道与检查井接口开裂。为查明原因，现场选取某段管线(两座雨水检查井DMH#J22～ DMH#J23之间)，采集沉降数据。该段钢筋混凝土管管径1 200 mm，埋深约5.2 m。管道敷设采用传统钢板桩围护开挖沟槽，施工过程中辅以轻型井点降水措施，管道基础依据《上海市排水管道通用图》［4］，采用混凝土平板及管枕基础。

沉降结果显示，检查井J22处累计沉降71 mm，检查井J23处累计沉降118 mm，管道中部某点累计沉降125 mm，最大差异沉降达到47 mm，管道与检查井接口部位，差异沉降明显，见图3。

图3 管道沉降实测数据

3 管道沉降原因分析

如本文前述，管道铺设对于场地几乎没有附加荷载，若理论上假设场地工程性状没有明显改变，不应出现明显的沉降。但事实上管道沉降确实出现，且数量明显，绝非施工、测量误差可以解释。据此推论假设不能成立，即管道铺设施工对场地土体工程性状有较明显的改变。

3.1 沟槽卸土后底部回弹在回填压重下压缩变形

本工程沟槽(基坑)开挖面基本处于第③层淤泥质粉质粘土层中，该层土为第四纪Q42、滨海～浅海相沉积物，呈饱和、流塑状，高等压缩性，其中5～8 m深度段分布有第③夹层灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土，相关土层经地基处理后的工程物理性质见表1。

根据《建筑地基基础设计规范》［2］5.3.10～5.3.11条规定要求，由于回弹模量Eci与回弹再压缩模量E′ci取值不同，基坑的回弹再压缩变形量S′c与回弹

表1 地基处理后土层工程物理性质表

(3)地基土回弹模量Eci及回弹再压缩模量E′ci可取同一数值，一般可取土层压缩模量的2～3倍［5］，若按此经验变形量Sc计算结果较大；

(4)假定式(2)成立，可根据地质勘查实验数据计算回弹模量Eci。

按沟槽宽度3.5 m(即管道外壁两侧各1 m的肥槽宽度)，长度30 m计，累计地基回弹再压缩变形量S′c约为20.10 mm，见表2。变形量Sc在理论概念上不同。但因为工程实际最终关心的是地基再压缩变形的量值S′c，同时考虑到地基变形的复杂性及计算准确性，本工程分析计算可假定：

(1)基坑回弹仅限基坑范围，基坑回弹量与自重应力呈线性关系，基坑边缘不受基坑开挖影响，基坑开挖完毕即基坑回弹全部完成［5］；

(2)基坑回弹再压缩量S′c在回弹量值范围内，采用式(1)［2］计算，用回弹再压缩模量E′ci代替式中回弹模量

表2 地基回弹再压缩变形量计算值

3.2 沟槽围护桩打、拔扰动土体损失引起变形

在本工程地区，对于管道沟槽开挖，根据埋深常采用放坡大开挖、钢板桩围护、拉森钢板桩围护开挖等几种形式，并辅以必要的降、排水措施。另外管道坞浜依据《上海市排水管道通用图》［4］，一般采用中粗砂回填密实，见图4。

图4 管道构槽围护及管道坞浜示意图(单位：cm)

为了将普通或拉森钢板桩顺利插入或拔出含水量较高的饱和软土中，施工中往往会采用振动打拔。该方法不可避免造成土体扰动，最终引起土体重新固结沉降。同时，钢板桩有一定体积，将其插入土中，会引起土体塑性变形，形成孔隙，如不处理，会造成管道周边松散的回填料填充补偿此类孔隙，最终导致管道周边土体损失、松散，引起压缩变形。另外，如果发生钢板桩拔出时，大量土体附着在桩身上，造成的土体损失将更加明显。

以上分析中，扰动后土体固结导致的压缩变形量计算较为困难。但对于钢板桩体积挤占，导致土体塑性变形，形成孔隙，以及土体附着桩身拔桩引起的土体压缩变形，可尝试有限元法分析计算。

以本工程实际使用的9～12 m Ⅳ型拉森钢板桩(400 mm×170 mm×15.5 mm)为条件，简化模型，假定如下：

(1)管道沟槽相对横断面，纵向尺寸较大，按平面有限元假定，不考虑管道的影响；

(2)回填密实，拔出钢板桩后，强制接触面(沟槽内、外两侧)土体向拔桩后挤压或带土损失形成的孔隙变形，最终导致管道沉降位移，不同假设计算条件下的等效变形量按表3选取；

表3 假定土体等效变形量表

(3)计算模型中假定弹性模量E取3倍的压缩模量Es0.1～0.2；

(4)简化取管道沟槽底竖向位移即为管道沉降量。

平面有限元分析由土体损失导致的土体变形趋势见图5，整体特征是上部土体变形完全表现为沉降，从地表向下随深度增加逐渐减小。沟槽底部越靠近钢板桩处土体越变形越明显，表现为水平及竖向变形相结合。远离钢板桩的管道位置处土体变形基本体现为沉降，相对数值最小。

图5 土体损失导致管道沉降有限元分析云图

管道沉降计算结果见表4，如果钢板桩拔出时发生大量土体明显附着在桩身上，导致土体损失，将最终造成明显的管道沉降，其理论数值将是不带土拔出情况的5～10倍。

表4 土体损失导致管道沉降量计算结果

3.3 管道上部回填料松散引起的自密实压缩变形

管道上部回填材料主要为管道周边及管顶的松散材料，本工程采用中粗砂，管顶上500 mm以上为正常回填场地原土。按设计要求，平均密实度为0.93。

地表沉降曲线可简化为抛物线(见图6)，h即为地表最大沉降值，L为管道沟槽宽度，H为管道以上部分回填料厚度。

填料变形密实后质量保持不变，体积与密度成反比，密度和密实度成正比，所以体积V与密实度λ成反比，即式(3)成立∶

式中：λ1、V1分别为沉降发生前填料密实度和体积(见式(4))；λ2、V2分别为沉降发生后填料密实度和体积(见式(5))。假设当填料密实度λ2=0.93时，不再发生后续自密实。

可由上式推导得地表最大沉降值h，见式(6)。

本工程中取值沟槽宽度L=3.50 m，管道埋深5.2 m，管道以上回填料厚度H=3.8 m，回填料密实度λ和地表最大沉降值h对应关系见图7。可见当回填料密实度为0.85～0.86时，地表最大值可达到400 mm以上。需要指出的是，虽然变形沉降量较大，但不会发展到管道位置，主要表现为地表土体沉降。

4 减少管道沉降相应对策

图7 回填料密实度λ和地表最大沉降值h对应关系

造成本工程管道沉降的原因可大致分为沟槽开挖卸土后底部土体回弹变形，振动拔桩造成的土体损失及扰动，土体扰动后重新固结沉降长期作用等几方面。采取适当措施可将其控制在一定范围内，具体措施如下：

(1)考虑到管道沟槽底部回弹变形，应尽量减少沟槽开放暴露时间，减少对土体的扰动，可根据沉降观测数据在排管过程中“预抛高”处理。

(2)拔桩过程中可采用跟踪注砂浆的方式补偿拔桩造成的土体损失。也应尽可能采用静力拔桩的方式拔除，避免振动扰动造成土体损失。

(3)管道沟槽设计方面可适当增大沟槽宽度，避免钢板桩距离过近造成扰动增强，钢板桩入土深度不宜过深。

5 结语

工程实践中市政排水管道施工过程中土体沉降客观存在。发生沉降因素涉及方方面面，主要和管道铺设施工过程有关，总结起来主要以下几点：

(1)沟槽卸土后底部土体回弹因回填料压重引起压缩变形引起管道沉降；

(2)沟槽开挖围护桩打、拔扰动及土体损失引起变形。

只要根据这些主要问题采取了合理的应对措施，相信在市政排水管道工程中管道工后沉降可以得到有效控制，满足其使用功能要求。

［1］ GB50332-2002,给水排水工程管道结构设计规范［S］.

［2］ GB50007-2011,建筑地基基础设计规范［S］.

［3］ 给水排水工程结构设计手册编委会.给水排水工程结构设计手册［M］.北京∶中国建筑工业出版社,2007.

［4］ 上海市排水管道通用图PSAR-D-01-92［Z］.上海∶上海市城市建设设计院,1992.

［5］ 朱炳寅,娄宇,杨琦.建筑地基基础设计方法及实例分析(第二版)［M］.北京∶中国建筑工业出版社,2013.

TU992.2

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1009-7716(2015)08-0090-04

2015-06-01

杨滨(1982-)，男，江苏盐城人，工程师，从事市政给排水工程结构设计工作。