不良地質條件下管道基礎處理與施工
發布時間：2010-01-14 共1頁
前言
隨著國民經濟的發展，科學技術的進步，采用管道輸送各種介質的范圍及領域越來越廣，距離越來越遠。輸送管道的設計、施工、維護等有它的特殊性，它和地形、地質、輸送的介質、管材等有著密切的關系。在長距離管道安裝中，由于各方面的因素，采用直埋的方法最為普遍，而直埋管道的基礎對不同地基、土質也有著不同的要求。不良地質主要有：軟粘土、雜填土、沖填土、膨脹土、紅粘土、泥炭質土、巖溶、濕陷性黃土等。濕陷性黃土地區在我國土地面積中占相當的比例，在這種土質中敷設管道，對地基的處理有著特殊的要求。本文著重介紹濕陷性黃土地區管道基礎的處理與施工的幾種方法。
1 濕陷性黃土的分布
在我國，黃土和黃土狀土廣泛分布在華北、西北等地，且地層多、厚度。在這些地區，一般氣候干燥、降雨量少，蒸發量，屬于干旱、半干旱氣候類型。黃土分布地區年平均降水量在250～500 mm之間。黃土在自重或一定荷重作用下受水浸濕后其結構迅速破壞而發生顯著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破壞。這是黃土的一種特殊性質。我國濕陷性黃土分布約占黃土分布面積的60％，部分在黃河中游地區。
由于各地黃土堆積環境、地理和氣候條件不同，致使其在堆積黃土的物理、力學性質等方面都具有明顯的差別，濕陷性有自西向東、自北向南逐漸減弱的規律。
2 管道地基處理
由于濕陷性黃土的特性，在濕陷性黃土地區管道發生事故的主要原因是地基的不均勻沉降。因此管道對地基強度、穩定性及不均勻沉降有極為嚴格的要求。
2．1 影響地基的幾個因素
(1)強度及穩定性。當地基的抗剪強度不足以支撐上部結構的自重及附加荷載時，地基就全產生局部或整體剪切破壞。
(2)壓縮及不均勻沉降。當地基由于上部結構的自重及附加荷載作用而產生過的壓縮變形時，特別是超過管道所能允許的不均勻沉降時，則會引起管道過量下沉，接口開裂，影響管道的正常使用。
(3)地震造成的地基土震陷以及車輛的振動和爆破等動力荷載可能引起地基土失穩。
(4)地基滲漏量或水力比降超過容許值時，會發生水量損失或因潛蝕和管涌而可能導致管道破壞。
當管道的天然地基存在上述四類問題之一或幾個時，應采取適當的地基處理措施，以確保管道的安全正常運行。在確定管道基礎處理方案時，可根據工程的具體情況對幾種處理方法進行技術、經濟以及施工進度等方面的比較。合理的地基處理一定是技術可靠，經濟合理，又能滿足工程進度的要求。
2．2 濕陷性黃土地基的處理方法
為了保證濕陷性黃土地基上管道的安全和正常使用，在絕多數情況下都必須考慮地基處理，濕陷性黃土地基處理的目的是消除黃土的濕陷性，同時提高地基的承載能力。
管道的地基處理不同于其它建筑物地基的處理，管道地基處理主要是全部或部分消除其濕陷性。對非自重濕陷性黃土地基，如基礎下地基處理厚度達到壓縮層下限，或達到飽和的自重壓力與附加壓力之和等于或小于該土層的濕陷起始壓力，就可以認為地基的濕陷性全部消除。對自重濕陷性黃土地基，由于地基的濕陷量和濕陷變形與自重濕陷性土層的厚度、浸水面積有關，而與壓縮層厚度無關，所以必須處理基礎地面以下的全部自重濕陷性黃土層。
在非自重濕陷性黃土地基上，對Ⅰ級濕陷性黃土一般不需要地基處理。對于Ⅱ級處理厚度為1．0～1．5 m，如處理厚度小于1．0 m時，濕陷性仍要危及構筑物或管道安全。對于Ⅲ級濕陷性黃土，處理厚度為1．0～2．0 m，Ⅳ級應為2.0～3.0 m。此外，應根據土層的濕陷性系數的分布情況，濕陷性黃土層的厚度及管徑、管材、介質等具體情況，適當增加或減少處理厚度。
濕陷性黃土層的管道基礎處理方法很多，常用的方法有土或灰土墊層、砂或砂墊層、強夯法、重錘夯實法、樁基礎、預浸法等。各種處理方法都有它的適用范圍，局限性和優缺點。
由于管線長，工程地質條件千變萬化，而且機具、材料等條件也會因地區不同而有較差別。因此，對每一具體線段都要進行細致分析，從地基條件、處理要求(包括處理達到的各項指標、處理范圍)、工程費用、材料、機具等諸多方面進行考慮，以確定合適的地基處理方法。
2．2．1 灰土墊層
灰土墊屋常被用于非自重濕陷性黃土地區管道基礎的處理。一般適用于處理1～4 m厚的軟弱土層。管道的基礎是條形基礎，作用于地基上的力也比其它建筑物小，而且是基槽開挖后埋入地下，表面的軟弱土一部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)墊層來處理濕陷性地區的管道基礎，以提高承載力，減少沉降力。
灰土墊層是將基礎下面一定范圍內的弱土層挖去，用一定體積比配合的灰土在最優含水量情況下分層回填夯實或壓實。
(1)承載力的確定。經過人工壓實(或夯實)的3∶7灰土墊層，當壓實系數控制在0．97及干土重度不小于14．5～15．0 kN/m3時，其容許承載力可達300 kPa以上。對于2∶8灰土，當壓實系數控制在0．97及干土重度不小于14．8～15．5 kN/m3時，其容許承載力可達300 k Pa。
(2)灰土墊層材料配比。灰土中石灰用量在一定范圍內，其強度隨灰土用量的增而提高，但當超過一定限值后，強度則增加很小，并且有逐漸減小的趨勢。1∶9灰土只能改善土和壓實性能，2∶8和3∶7灰土一般作為最優含灰率，但與石灰的等級有關，通常應以CaO+MgO所含總量達到8％左右為最佳。
灰土中土不僅作填料用，而且參與化學作用，尤其是土中的粘粒或膠粒具有一定活性和膠結性。含量越多，灰土強度越高，土粒粒徑不得于15 mm。灰土墊層的施工，應嚴格按有關規程進行。
(3)灰土的質量檢驗。一般采用環刀取樣，測定其干土重度。質量標準可按壓實系數確定，一般為0．93～0．95。管道基礎壓實系數一般采用0．95，不得小于0．90。
(4)灰土墊層的厚度與濕陷變形的關系。墊層具有一定的厚度才能使濕陷量最的上部土層的濕陷性消除，并由墊層擴散到天然黃土層的附加力減少到某種程度，使浸入后的濕陷量減少。墊層的寬度則以溝槽寬度為依據，對于孔洞、溝澗、墓穴及其它回填土、淤土地區，墊層處理范圍要擴。
2．2．2 素土墊層
素土墊層是先挖去基坑下的部分或全部軟弱土，然后回填素土分層夯實，處理Ⅰ級非自重濕陷性黃土，管徑不的管道基礎常采用素土墊層。
素土墊層的土料一般以粘性土為宜，填土必須在無水的管溝(基坑)中進行。夯(壓 )實施工時，應使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(壓)實應分層進行，多層虛鋪的厚度可參照灰土墊層的虛鋪厚度。
2．2．3 砂和砂石墊層
當管道的不透水性基礎與軟土層相接觸時，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫從基礎兩側排出，基底下的軟弱土不易固結，形成較的孔隙水壓力，還可能導致由于地基強度降低而產生塑性破壞的危險。砂墊層和砂石墊層材料透水性，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結和提高其強度，避免地基土塑性破壞。因此濕陷性黃土地基處理也可采用砂和砂石墊層。
砂墊層的厚度一般根據墊層底面處的自重應力與附加應力之和不于同一標高處軟弱土層的容許承載力來計算。
δc＋δz≤R
式中δc--墊層底面處土的自重應力，kPa；
δz--墊層底面處土的附加應力，kPa；
R--墊層底面處軟弱土層修正后容許承載力，kPa。
具體計算時，一般可根據砂墊層的容許承載力確定墊層基礎寬度，再根據下臥土層的承載力確定出砂墊層的厚度。
砂墊層的寬度除應滿足應力擴散的要求外，還要根據墊層側面的容許承載力來確定，防止墊層向兩邊擠動。如果墊層寬度不足，側面土層又比較軟弱時，墊層就有可能部分擠入側面軟弱土中，使基礎沉降增。
砂、砂土墊層的材料宜采用級配良好，質地堅硬的粒料，其顆粒的不均勻系數不小于10。管道基礎砂墊層以中粗砂為好，也可摻加一定數量的碎卵石。
關于質量檢查，用容積不小于200 cm3的環刀壓入墊層土取樣，測定其干土重度，以不小于砂料在中密狀態時的干土重度數為合格，如中砂一般為15.5～16 kN/m3。
2．2．4 強夯法
強夯法處理地基具有效果顯著、設備簡單、施工方便、適用范圍廣、經濟易行和節省材料等優點。對濕陷性黃土地基的加固有較好的效果，在管道施工中，若遇到濕陷性黃土層厚、濕陷性變形，且管道自重，對管道的安全性要求高的情況下，也可用強夯法來處理基礎。
在濕陷性黃土地基土上進行強夯，當夯擊能為1000～2000 kN時，一般可消除夯面下5 ～8 m深內黃土底濕陷性，5 m深度內的土的壓縮模量可提高到150 MPa，容許承載力可提高到200 kPa以上。
2．2．5 注意事項
管道地基處理不同于其它建筑工程，部分地基處理方法的加固效果并不是施工結束后就能全部發揮，還需要在施工完成后經過一段時間才能逐步體現出來，另一方面，每一線段的地基處理存在它的特殊性，而且地基處理效果都是隱蔽工程，很難直接檢驗其處理效果。這就要求在地基處理施工過程中和施工完成之后注意下面幾點：
(1)在地基處理施工中，只了解如何施工是不夠的，還必須了解所采用處理方法的原理、技術標準和質量要求。
(2)進行施工質量和處理效果的檢驗，確保工程質量
(3)作好監測工作，以保證施工的正常進行，通過觀察收集數據為下一階段的工作提供可靠的依據
(4)采用可行的檢測手段來檢驗處理效果。
(5)通過分析可獲得必要的參考值，可以驗證設計，必要時進行設計修改，也可通過分析獲得寶貴的經驗。
巖土工程師站點
隨著國民經濟的發展，科學技術的進步，采用管道輸送各種介質的范圍及領域越來越廣，距離越來越遠。輸送管道的設計、施工、維護等有它的特殊性，它和地形、地質、輸送的介質、管材等有著密切的關系。在長距離管道安裝中，由于各方面的因素，采用直埋的方法最為普遍，而直埋管道的基礎對不同地基、土質也有著不同的要求。不良地質主要有：軟粘土、雜填土、沖填土、膨脹土、紅粘土、泥炭質土、巖溶、濕陷性黃土等。濕陷性黃土地區在我國土地面積中占相當的比例，在這種土質中敷設管道，對地基的處理有著特殊的要求。本文著重介紹濕陷性黃土地區管道基礎的處理與施工的幾種方法。
1 濕陷性黃土的分布
在我國，黃土和黃土狀土廣泛分布在華北、西北等地，且地層多、厚度。在這些地區，一般氣候干燥、降雨量少，蒸發量，屬于干旱、半干旱氣候類型。黃土分布地區年平均降水量在250～500 mm之間。黃土在自重或一定荷重作用下受水浸濕后其結構迅速破壞而發生顯著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破壞。這是黃土的一種特殊性質。我國濕陷性黃土分布約占黃土分布面積的60％，部分在黃河中游地區。
由于各地黃土堆積環境、地理和氣候條件不同，致使其在堆積黃土的物理、力學性質等方面都具有明顯的差別，濕陷性有自西向東、自北向南逐漸減弱的規律。
2 管道地基處理
由于濕陷性黃土的特性，在濕陷性黃土地區管道發生事故的主要原因是地基的不均勻沉降。因此管道對地基強度、穩定性及不均勻沉降有極為嚴格的要求。
2．1 影響地基的幾個因素
(1)強度及穩定性。當地基的抗剪強度不足以支撐上部結構的自重及附加荷載時，地基就全產生局部或整體剪切破壞。
(2)壓縮及不均勻沉降。當地基由于上部結構的自重及附加荷載作用而產生過的壓縮變形時，特別是超過管道所能允許的不均勻沉降時，則會引起管道過量下沉，接口開裂，影響管道的正常使用。
(3)地震造成的地基土震陷以及車輛的振動和爆破等動力荷載可能引起地基土失穩。
(4)地基滲漏量或水力比降超過容許值時，會發生水量損失或因潛蝕和管涌而可能導致管道破壞。
當管道的天然地基存在上述四類問題之一或幾個時，應采取適當的地基處理措施，以確保管道的安全正常運行。在確定管道基礎處理方案時，可根據工程的具體情況對幾種處理方法進行技術、經濟以及施工進度等方面的比較。合理的地基處理一定是技術可靠，經濟合理，又能滿足工程進度的要求。
2．2 濕陷性黃土地基的處理方法
為了保證濕陷性黃土地基上管道的安全和正常使用，在絕多數情況下都必須考慮地基處理，濕陷性黃土地基處理的目的是消除黃土的濕陷性，同時提高地基的承載能力。
管道的地基處理不同于其它建筑物地基的處理，管道地基處理主要是全部或部分消除其濕陷性。對非自重濕陷性黃土地基，如基礎下地基處理厚度達到壓縮層下限，或達到飽和的自重壓力與附加壓力之和等于或小于該土層的濕陷起始壓力，就可以認為地基的濕陷性全部消除。對自重濕陷性黃土地基，由于地基的濕陷量和濕陷變形與自重濕陷性土層的厚度、浸水面積有關，而與壓縮層厚度無關，所以必須處理基礎地面以下的全部自重濕陷性黃土層。
在非自重濕陷性黃土地基上，對Ⅰ級濕陷性黃土一般不需要地基處理。對于Ⅱ級處理厚度為1．0～1．5 m，如處理厚度小于1．0 m時，濕陷性仍要危及構筑物或管道安全。對于Ⅲ級濕陷性黃土，處理厚度為1．0～2．0 m，Ⅳ級應為2.0～3.0 m。此外，應根據土層的濕陷性系數的分布情況，濕陷性黃土層的厚度及管徑、管材、介質等具體情況，適當增加或減少處理厚度。
濕陷性黃土層的管道基礎處理方法很多，常用的方法有土或灰土墊層、砂或砂墊層、強夯法、重錘夯實法、樁基礎、預浸法等。各種處理方法都有它的適用范圍，局限性和優缺點。
由于管線長，工程地質條件千變萬化，而且機具、材料等條件也會因地區不同而有較差別。因此，對每一具體線段都要進行細致分析，從地基條件、處理要求(包括處理達到的各項指標、處理范圍)、工程費用、材料、機具等諸多方面進行考慮，以確定合適的地基處理方法。
2．2．1 灰土墊層
灰土墊屋常被用于非自重濕陷性黃土地區管道基礎的處理。一般適用于處理1～4 m厚的軟弱土層。管道的基礎是條形基礎，作用于地基上的力也比其它建筑物小，而且是基槽開挖后埋入地下，表面的軟弱土一部分已被去掉，所以在管道施工中常用灰土(或素土)墊層來處理濕陷性地區的管道基礎，以提高承載力，減少沉降力。
灰土墊層是將基礎下面一定范圍內的弱土層挖去，用一定體積比配合的灰土在最優含水量情況下分層回填夯實或壓實。
(1)承載力的確定。經過人工壓實(或夯實)的3∶7灰土墊層，當壓實系數控制在0．97及干土重度不小于14．5～15．0 kN/m3時，其容許承載力可達300 kPa以上。對于2∶8灰土，當壓實系數控制在0．97及干土重度不小于14．8～15．5 kN/m3時，其容許承載力可達300 k Pa。
(2)灰土墊層材料配比。灰土中石灰用量在一定范圍內，其強度隨灰土用量的增而提高，但當超過一定限值后，強度則增加很小，并且有逐漸減小的趨勢。1∶9灰土只能改善土和壓實性能，2∶8和3∶7灰土一般作為最優含灰率，但與石灰的等級有關，通常應以CaO+MgO所含總量達到8％左右為最佳。
灰土中土不僅作填料用，而且參與化學作用，尤其是土中的粘粒或膠粒具有一定活性和膠結性。含量越多，灰土強度越高，土粒粒徑不得于15 mm。灰土墊層的施工，應嚴格按有關規程進行。
(3)灰土的質量檢驗。一般采用環刀取樣，測定其干土重度。質量標準可按壓實系數確定，一般為0．93～0．95。管道基礎壓實系數一般采用0．95，不得小于0．90。
(4)灰土墊層的厚度與濕陷變形的關系。墊層具有一定的厚度才能使濕陷量最的上部土層的濕陷性消除，并由墊層擴散到天然黃土層的附加力減少到某種程度，使浸入后的濕陷量減少。墊層的寬度則以溝槽寬度為依據，對于孔洞、溝澗、墓穴及其它回填土、淤土地區，墊層處理范圍要擴。
2．2．2 素土墊層
素土墊層是先挖去基坑下的部分或全部軟弱土，然后回填素土分層夯實，處理Ⅰ級非自重濕陷性黃土，管徑不的管道基礎常采用素土墊層。
素土墊層的土料一般以粘性土為宜，填土必須在無水的管溝(基坑)中進行。夯(壓 )實施工時，應使土的含水量接近于最佳含水量，填土的夯(壓)實應分層進行，多層虛鋪的厚度可參照灰土墊層的虛鋪厚度。
2．2．3 砂和砂石墊層
當管道的不透水性基礎與軟土層相接觸時，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫從基礎兩側排出，基底下的軟弱土不易固結，形成較的孔隙水壓力，還可能導致由于地基強度降低而產生塑性破壞的危險。砂墊層和砂石墊層材料透水性，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結和提高其強度，避免地基土塑性破壞。因此濕陷性黃土地基處理也可采用砂和砂石墊層。
砂墊層的厚度一般根據墊層底面處的自重應力與附加應力之和不于同一標高處軟弱土層的容許承載力來計算。
δc＋δz≤R
式中δc--墊層底面處土的自重應力，kPa；
δz--墊層底面處土的附加應力，kPa；
R--墊層底面處軟弱土層修正后容許承載力，kPa。
具體計算時，一般可根據砂墊層的容許承載力確定墊層基礎寬度，再根據下臥土層的承載力確定出砂墊層的厚度。
砂墊層的寬度除應滿足應力擴散的要求外，還要根據墊層側面的容許承載力來確定，防止墊層向兩邊擠動。如果墊層寬度不足，側面土層又比較軟弱時，墊層就有可能部分擠入側面軟弱土中，使基礎沉降增。
砂、砂土墊層的材料宜采用級配良好，質地堅硬的粒料，其顆粒的不均勻系數不小于10。管道基礎砂墊層以中粗砂為好，也可摻加一定數量的碎卵石。
關于質量檢查，用容積不小于200 cm3的環刀壓入墊層土取樣，測定其干土重度，以不小于砂料在中密狀態時的干土重度數為合格，如中砂一般為15.5～16 kN/m3。
2．2．4 強夯法
強夯法處理地基具有效果顯著、設備簡單、施工方便、適用范圍廣、經濟易行和節省材料等優點。對濕陷性黃土地基的加固有較好的效果，在管道施工中，若遇到濕陷性黃土層厚、濕陷性變形，且管道自重，對管道的安全性要求高的情況下，也可用強夯法來處理基礎。
在濕陷性黃土地基土上進行強夯，當夯擊能為1000～2000 kN時，一般可消除夯面下5 ～8 m深內黃土底濕陷性，5 m深度內的土的壓縮模量可提高到150 MPa，容許承載力可提高到200 kPa以上。
2．2．5 注意事項
管道地基處理不同于其它建筑工程，部分地基處理方法的加固效果并不是施工結束后就能全部發揮，還需要在施工完成后經過一段時間才能逐步體現出來，另一方面，每一線段的地基處理存在它的特殊性，而且地基處理效果都是隱蔽工程，很難直接檢驗其處理效果。這就要求在地基處理施工過程中和施工完成之后注意下面幾點：
(1)在地基處理施工中，只了解如何施工是不夠的，還必須了解所采用處理方法的原理、技術標準和質量要求。
(2)進行施工質量和處理效果的檢驗，確保工程質量
(3)作好監測工作，以保證施工的正常進行，通過觀察收集數據為下一階段的工作提供可靠的依據
(4)采用可行的檢測手段來檢驗處理效果。
(5)通過分析可獲得必要的參考值，可以驗證設計，必要時進行設計修改，也可通過分析獲得寶貴的經驗。
巖土工程師站點
