开槽法施工排水管道地基承载力研究.pdf

第41卷第11期2023.年11月文章编号：10 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)11-0 2 3 5-0 5Vol.41,No.11Journal of Municipal TechnologyNov.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.11.235开槽法施工排水管道地基承载力研究胡小俊（广东省冶金建筑设计研究院有限公司，广东广州5 10 0 8 0)摘要：目前国内对管道地基承载力的研究甚少，导致了在实际工程中出现取值统一化的现象。由此，基于地基承载力的基本概念和相关规范要求，通过简化推导出的开槽施工的管道基底压力计算式，分别对比分析了管径、管道覆土厚度、地下水位和地面荷载对管道基底压力的影响。该研究成果为设计人员能够更合理地设计管道地基承载力提供了依据和建议。关键词：地基承载力；管道基底压力；开槽施工；管径；覆土厚度；地下水位；地面荷载中图分类号：TU990.3Research on the Subsoil Bearing Capacity of Sewerage Pipeline by(Guangdong Metallurgical and Architectural Design Institute Co.,Lid.,Guangzhou 510080,China)Abstract:Due to few research on the subsoil bearing capacity of pipeline currently in China,values is unified inpractical engineering.Base on the basic concepts of subsoil bearing capacity and the requirements of relevant speci-fication,the effects of pipe diameter,thickness of soil covering,groundwater level and ground load on base pressureof pipe were compared and analyzed by the deduced calculation formulas of excavated construction.The basis andsuggestions are put forward to design more reasonably.Key words:subsoil bearing capacity;base pressure of pipe;excavation construction;pipe diameter;thickness ofsoil covering;groundwater level;ground load文献标志码：AExcavationConstructionHu Xiaojun随着我国城市建设的逐渐完善，市政排水管道设施的建设也已逐渐成熟。但是，目前国内对于排水管道设计中的几个重要问题仍缺乏系统地研究，如管道的地基承载力、沟槽回填土密实度、管道覆土厚度、顶管管道地基处理以及管道环刚度等 1。其中，管道地基承载力是管道能否长期良好运行的关键，影响它的几个主要因素是自身的强度和稳定、压缩和不均匀沉降以及渗漏情况 2 。其中就地基自身强度和稳定方面，经多年工程经验发现，在设计时，无论条件是否存在差异，基本都规定地基承载力特征值不应小于8 0 kPa或10 0 kPa，鲜有人去探讨这样的取值是否真的满足实际管道地基承载力的要求？若满足，是否又存在一定程度的浪费？因为当地基承载力不满足时，是需要做地基处理的，而地基处理的费用又是管道工程成本中的一项重要内容。针对此，笔者基于地基承载力的基本概念和相关规范要求，通过简化推导出开槽施工的管道基底压力计算式，分析了管径、管道覆土厚度、地下水位和地面荷载对管道基底压力的影响，以便为设计人员能够更合理地设计管道地基承载力提供依据和建议。收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 7作者简介：胡小俊，女，工程师，硕士，主要从事市政结构设计工作。引文格式：胡小俊.开槽法施工排水管道地基承载力研究 J.市政技术，2 0 2 3，41（11)：2 3 5-2 3 9.(HUXJ.Researchon the subsoilbearingcapacityof sewerage pipeline by excavation constructionJ.Journal ofmunicipal technology,202341(11):235-239)市放技术236Journal of Municipal Technology1地基承载力概念地基承载力是指地基承受荷载的能力。在保证地基稳定的条件下，使建筑物的沉降量不超过允许值的地基承载力称为地基承载力特征值 3 。确定地基承载力特征值（fk)的方法有：第1种，根据土的抗剪强度指标确定;第2 种,按地基载荷试验的p-s 曲线确定；第3 种，按规范提供的承载力表确定；第4种，按邻近的工程经验确定。管道工程的地质勘察报告中给出的f基本都是在现场标贯试验或触探试验的结果基础上按第3 种方法给出的。实际上，地基承载力主要是由地基沉降允许值控制的，但由于规范所给的地基承载力表是根据多年来经验的总结，一般情况下都能满足地基变形的要求 4,这也对应了GB500072011建筑地基基础设计规范 5 中,丙级地基基础满足一些荷载要求时不作变形验算的规定。而一般排水管道地基基础均是按丙类基础设计的,所以在实际工程中确定基础的f时，可不作地基变形验算，满足地基承载力计算要求即可，即：Pk.f.;Fi+GkPk=A式中:pk为相应于作用的标准组合时,基础底面处的平均压力值；f.为修正后的fak，由f按深度和宽度修正（见文献 5 第5.2.4条）;Fk为相应于作用的标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值；G为基础自重和基础上的土重；A为基础底面面积。2管道地基承载力相关规范要求目前规范对埋地排水管道的地基承载力的要求有：1)CJJ1432010埋地塑料排水管道工程技术规程 6 规定：塑料排水管道应敷设于天然地基上，fak不应小于6 0 kPa;2)06MS201市政排水管道工程及附属设施 7 图集中规定：对于开槽法施工的混凝土管道，当f100kPa时，宜优先采用砂石基础；当fk100kPa时，应在满足管道地基支承强度大于管道的土压力、地面车辆荷载、管道自重和管内水重等作用在地基上的总荷载时,宜采用砂石基础；对于塑料管道,对一般的土质，当fk80kPa时，基底可铺设1层厚度为第41卷100 mm的中粗砂基础层。可见,对于一般土质,且不存在软弱下卧层的情况下,塑料管道的fak在6 0 8 0 kPa区间时,只要基底压力满足式(1)时，可不做地基处理；混凝土管道的fk小于10 0 kPa时,只要基底压力满足式(1)时,也可不做地基处理。3管道开槽情况下的地基承载力影响因素分析在不考虑基础偏心、基础底面存在淤泥等软土层、管槽侧壁摩阻力以及管周填土性质对竖直土压力影响，且为最不利情况，忽略f的深度和宽度修正，即f=f等因素后，以砂石基础的管道作为研究对象进行分析。开槽管道砂石基础断面图见图1。地面标高回填土地下水标高一(1)(2)k管道砂石基础人人管道基础地基6PkBa)开槽管道砂石基础受荷断面图地下水标高Ab)A断面示意图图1开槽管道砂石基础断面图Fig.1 Cross section diagram of sand and gravel foundation of theexcavatedpipeline管顶标高管顶标高管底标高第11期图1中,砂石基础支撑角度2 为管道基础角度(取18 0)减去3 0,管道与砂石基础接触面宽度b可近似取管外径的圆心角弦长 8 ,即：b=(D+2t)sin。在不考虑基础对管底压力的扩散作用下，则管道基础底计算宽度B=b，则每米管道的基底压力计算如下：当hwh,时,=hw(D+2t)+|(D+2t)(h,-ha+F泽=wAo0当hhwhs+(D+2t)时,ha+(D+21(D+21)-Qe=2F泽=0。Ao=(D+2t);4G=%(D+21)-D;C.D;Gk=0+Gk+Gw;Pk=(Gk-F)/B+qk o式中：为管道上覆土的自重应力（地下水位以下的土取浮重度计算）,kPa;Gk、G w G 分别为管道结构自重、管道内水自重和管道基础底永久荷载之和，kN;qkvPk分别为地面荷载和管道基底压力，kPa;F浮胡小俊：开槽法施工排水管道地基承载力研究(3)D+2t12210(4)D+2t(5)-hw(6)D+2t2237为管道所受的浮力,kPa;为管顶以上土平均重度，取2 0 kN/m;为管顶以上土浮重度，kN/m;%p为管道自重，混凝土管取2 5 kN/m,塑料管取15 kN/m；为水重度，取10 kN/m;hh，分别为地下水位埋深和管道覆土厚度，m;D、t 分别为管道内径和管道壁厚，m;Ao、A w 分别为管道外径对应面积和管道被地下水淹没的面积,m;0为A对应管管中心夹角的一半(见图1,均取锐角值);B为管道基础底计算宽度,m。由上述公式可见，影响基底压力因素主要有管径、管道覆土厚度、地下水位和地面荷载，笔者将定量地对这几个因素进行对比分析,以明确各因素对管道基底压力的影响程度。3.1管径影响分析为明确管径对基底压力的影响，设计工况为：管道覆土厚度16 m,地下水位分别处于地表和管底，管内满水,地面荷载为10 kPa,根据式(3)(4)、(7)(12)计算不同直径钢筋混凝土管(D0.4D 2.0,即内径4002 0 0 0 m m 的管道的基底压力值。其结果见图2。由图2 可以看出，管道基底压力是随管径的增大而增大的。当地下水位位于地表时，管径每增加200mm,管道的基底压力增加1.16 kPa,D0.4D 2.0的总增幅为9.3 kPa；当地下水位位于管底时，管径每增加2 0 0 mm,管道的基底压力增加3.3 8 kPa,D0.4D2.0的总增幅为2 7.0 kPa。可见，管径的影响是不可忽略的，设计时若管径相差比较大，则应区别设计其地基承载力。102(7)(8)(9)(10)(11)(12)3.2管道覆土厚度影响分析为明确管道覆土对基底压力的影响，设计工况为：地下水位分别位于地表和管底，管内满水，地面荷载为10 kPa,根据式(3)(4)、（7)(12)计算钢筋混凝土管(D0.4D 2.0)的不同管道覆土的基底压力值。其结果见图2。由图2 可以看出，同一管径下，管底压力随管道覆土的增加而增大，且呈线性关系。在地下水位位于地表时,覆土每增加1m，管道的基底压力增加10kPa；在地下水位位于管底时，覆土每增加1m，管道的基底压力增加2 0 kPa。可见，管道覆土对管道基底压力的影响是非常大的，设计时必须考虑其影响。市放技术238Journal of Municipal Technology90DO.4DO.680DO.8D1.0一D1.270D1.4D1.660D1.8D2.0504030200180160140120100806040200图2 不同管径和不同覆土的管道基底压力值Fig.2 The base pressure values of pipe with different diametersand thickness of soil covering3.3土地下水位影响分析为明确地下水位对管道基底压力的影响，设计工况为：钢筋混凝土管（D0.4、D 0.8、D 1.2、D 2.0），管内满水,地面荷载为10 kPa,根据式(3)(12)计算管道覆土厚度3 m下的不同地下水位（地表以下0 5m)时管道基底压力值。其结果见图3。由图3 可以看出，当地下水位埋深越深且不大于覆土厚度时，管道基底压力就会越大且呈线性变化；当地下水位处于管道位置时，非线性变化增大；当地下水位降至管底以下时，管道基底压力不变。DO.4的管道，地下水位由地表降至管底时，管道基底压力增加约3 5.5 kPa。可见，地下水位对于管道基底压力的影响也是比较大的。鉴于此，地下水位逐渐降低对基底压力产生的是折减作用，则设计管道基底承载力时应按最不利工况考虑，即按地下水位位第41卷DO.4100DO.8D1.2D1.690807060504012管顶覆土厚度/ma）地下水位位于地表的情况DO.4DO.6DO.8D1.0D1.2-D1.4D1.6D1.8D2.01b）地下水位位于管底的情况323管顶覆土厚度/m4455660.00.5 1.0 1.52.02.5 3.03.54.04.55.0地下水位理深/m图3 不同地下水位的管道基底压力值Fig.3 The base pressure value of pipe with different groundwaterlevel于管底时考虑。3.4地面荷载影响分析为明确地面荷载对管道基底压力的影响，设计工况为：管道覆土厚度14m，管内满水，地下水位在管底,根据式(7)(12)计算钢筋混凝土管(D0.4D1.2)的不同地面荷载作用下的基底压力值。其结果见图4。由图4可以看出，地面荷载越大，管道的基底压力就越大，且呈线性关系。地面荷载每增加10 kPa，基底压力也增加10 kPa。由此可见，地面荷载对于浅埋的基底压力影响也是比较大的，但随着覆土厚度的增加,增加幅度的占比会越来越小，因此设计时应根据实际场地条件取值。同时，地面荷载为15 kPa、D 0.4的管道、管道覆土为4m时，管道基底压力(10 4.5 8 kPa)大于10 0 kPa,故地基承载力定义为10 0 kPa不满足要求；地面荷载达到3 5 kPa、D 1.2 的管道、管道覆土为1m时，管道基底压力（7 5.9 8 kPa)小于8 0 kPa，管道覆土为2 m的基底压力(9 6.6 9 kPa)小于10 0 kPa。故地基承载力定义为8 0 kPa或10 0 kPa都存在富余量的。且若考虑地面荷载随深度的折减时，根据条形均布荷载的竖向应力分布理论 3 ,当管道埋深达到2 B时，地面荷载可衰减约7 0%，如覆土2 m的D1.2管道当地面荷载达到3 5 kPa时，基底压力约为8 6.2 0 kPa，富余量更大。故同一工程中，不同管段的地基承载力特征值应在满足规范要求的前提下，根据实际工况具体设计，以防止出现承载力不足或者过于富余的情况。第11期140120100806040510a)管径为DO.4的情况160管顶覆土1m管顶覆土2 m140管顶覆土3 m管顶覆土4m1201008060405图4不同地面荷载的管道基底压力值Fig.4 The base pressure value of pipe with different ground load4结论基于地基承载力的基本概念和相关规范要求，通过简化推导出的开槽施工管道基底压力计算式(4)(10),定量地对比分析了管径、管道覆土厚度、地下水位和地面荷载对基底压力的影响程度。经研究认为：1)开槽法施工管道覆土的影响程度是最大的，其次是地下水位、地面荷载和管径。因此，在设计管道地基承载力时均应考虑这些因素。2)同一工程中，开槽法施工管道的地基承载力特征值应在满足规范要求的前提下，根据实际情况通过计算确定管道基底压力从而确定管道地基承载力特征值，不能一概而论，以免出现承载力不足或浪费资源的情况。笔者是在不考虑地基压缩和不均匀沉降以及胡小俊：开槽法施工排水管道地基承载力研究管顶覆土1m管顶覆土2 m管顶覆土3 m管顶覆土4m1520地面荷载/kPa1015地面荷载/kPab)管径为 D1.2 的情况239渗漏的情况下对地基承载力取值进行研究的，但并不影响其结论，读者如有兴趣，可在该结论的基础上结合这两者对开槽管道地基问题作进一步探讨。参考文献1王谭,安关峰，杨斌.关于给水排水管道工程的几点思考 J.市政技术,2 0 19,3 9(9):112-116.(WANG T,AN GF,YANGB.Thoughts on water and wastewater pipeline engineering J.Journal of municipal 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