李文强,吴燕开,2,朱家毅,张 通,马艳慧

(1.山东科技大学 土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590; 2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室, 山东 青岛 266590)

0 引 言

现代化城市使用天然气量巨大,充足稳定的天然气供应是保证居民生产生活顺利进行的必要条件。为保证天然气供应,天然气管线在城市周边密布。然而在南方地区软土分布较广[1-3],致使埋设在软土中的天然气管线在邻近基础设施施工过程会对其造成较大的影响,需采取相应的保护措施[4-5]。

本文以某软土地区新建路基施工对周边天然管线的影响为工程背景,采用ABAQUS有限元软件进行模拟,深入分析距坡脚不同距离处管线的水平和竖向位移,确定施工造成的影响范围,并根据影响程度提出相应的保护措施。

1 工程背景

1.1 工程概况

新建园区道路位于广州番禺某在建的新工业园区,道路设计宽度30 m,砂垫层厚0.5 m,路基高度为4.5 m,按1∶1.5放坡,根据勘察地层从上到下分别为:素填土、淤泥、淤泥质土、粉质黏土和粉细砂。现查明地下距坡脚5 m处有一组天然气管,埋深为2 m。由于地基土中存在软土,在路基填筑前对地基土采用塑料排水板+水泥土搅拌桩处理。在填筑砂垫层时,附近地面出现开裂,如图1所示。

该道路地基土体以淤泥和淤泥质土为主,含水量低,孔隙比大,强度低、变形大。新建道路施工必定会对临近既有管线造成影响。为确保既有管线的安全,需对管线进行保护加固处理。

1.2 管线控制保护标准

根据《关于处理石油管道和天然气管道与公路相互关系的若干规定》文件,地形受限地段管线中心线与路基边线最小不可小于1 m[6]。根据《城镇燃气设计规范》,天然气管道要与防护桩最小平净距为1 m,管线的位移允许值为10 mm[7]。

2 数值计算模型

2.1 模型建立

采用ABAQUS有限元软件对软土路基施工进行模拟,考虑对称性取断面右半边进行分析。为消除边界尺寸影响,模型长60 m,高30 m,砂垫层宽15 m,高0.5 m,路基宽15 m,高4.5 m,按1∶1.5放坡。

本文选取塑料排水板渗透系数为10-2cm/s,宽度为0.1 m,间距1.3 m,深度为23 m。软基下方水泥土搅拌桩长为15 m,桩径为0.5 m,间距为1.3 m。计算模型如图2所示,边界条件如图3所示。并对模型作基本假设:①同一层土体是均匀连续、各向同性且饱和的;②孔隙水的渗透流动符合达西定律,水、土为流固耦合体;③土体的渗透系数保持不变;④不考虑堆载过程中地下水位的变化。

图2 计算模型示意图Fig.2 Schematic diagram of calculation model

图3 边界条件Fig.3 Boundary conditions

软土采用修正剑桥模型,采用CPE4P单元;砂垫层采用线弹性模型,路基填土采用摩尔库伦模型进行平面应变分析,建立的天然气管、桩和反压护道采用线弹性模型,均采用CPE4R单元[8-12]。

2.2 材料计算参数

依据工程勘察以及室内补充相关试验土体计算参数见表1,其他参数见表2、表3所示。

表1 软土计算参数Table 1 Soft soil calculation parameters

表2 其余土体计算参数Table 2 Calculation parameters of other soils

表3 天然气管和保护措施计算参数Table 3 Calculation parameters of natural gas pipes and protective measures

2.3 模型计算简化及计算公式

有限元计算中把塑料排水板按照二维平面应变问题处理,将其等效为砂墙[13-16],进而按照二维平面应变问题处理,分别设置接触面使其与水泥土搅拌桩协同作用[17-18]。保护措施控制效率见式(1)。合位移为水平和竖向位移的矢量和。

控制效率η为

η=(D1-D2)/D1。

(1)

式中:D1为未做保护措施堆载后引起的管线位移;D2为使用保护措施堆载后引起的管线位移。

2.4 计算工况

设管线到坡脚的距离(平净距)为L。

工况一:未做保护措施进行路基堆载,分别模拟管线距坡脚5、10、15、20、25、30、35、40 m的情况,确定影响范围。

工况二:根据对管线的影响程度,采用相应的保护措施进行防护对比,提出完整合理的保护方案。

2.5 堆载过程

本文设置了8个分析步来模拟施工,分别为1个Geo(用于平衡地应力)和7个Soils(用于路基堆载和土体固结分析)分析步。

施工步骤:(完成塑料排水板和桩基工作后)铺垫0.5 m砂垫层作为保护层,时间为15 d。路基土分三级堆载,每次堆载1.5 m,时间为20 d,稳定静压时间为10 d。堆载完毕后进行105 d的稳定静压,工期共计200 d,堆载过程曲线如图4所示。

图4 堆载过程曲线Fig.4 Curve of stacking process

3 计算结果分析

3.1 未做保护措施进行路基堆载

3.1.1 管线水平位移

未做保护措施路基堆载对不同距离管线造成的水平位移如图5所示,水平位移为正表示向远离堆载区方向移动。在堆载阶段位移呈线性增加,在第三级堆载结束(95 d)后位移达到最大值,且在工后还将长期存在,在预压过程中水平位移出现“回缩”,向堆载区方向发展但发展趋势缓慢。

图5 未做保护措施不同距离管线水平位移Fig.5 Horizontal displacements of pipelines at different distances in the absence of protective measures

软土路基堆载施工影响范围较大,管线距离坡脚越远,路基堆载对管线造成的水平位移越小。当管线距坡脚30 m处时,堆载阶段结束后管线位移为14.01 mm,不满足安全要求;当管线距坡脚35 m处时,堆载阶段结束后管线水平位移为9.56 mm,满足安全要求;所以当管线距坡脚距离<35 m时,需要考虑施工对管线造成的水平位移,防止管线变形要进一步采取保护措施保证管线安全。

3.1.2 管线竖向位移

未做保护措施进行路基堆载对不同距离管线造成的竖向位移如图6所示。竖向位移为正表示发生向上隆起。大部分竖向位移是在堆载阶段完成,在第三级堆载结束(95 d)后竖向位移达到最大值。在预压过程中竖向位移出现回缩,向地下方向发展。

图6 未做保护措施不同距离管线竖向位移Fig.6 Vertical displacements of pipelines at different distances in the absence of protective measures

随着管线距坡脚距离的增大,管线的竖向位移呈先增大后减小的趋势。当管线距离坡脚35 m时,堆载阶段结束后的竖向位移达到11.6 mm,不满足安全要求;当管线距离坡脚40 m时堆载阶段结束后的竖向位移达到9.35 mm,满足安全要求。所以当管线距坡脚<40 m时,需要考虑施工对管线造成的竖向位移。

软土地基处理后进行路基施工会对距坡脚40 m内的管线产生影响,需同时考虑管线的水平和竖向位移。水平和竖向位移最大值均在堆载阶结束后出现,需控制好堆载阶段结束后的管线位移。

3.2 管线距坡脚5 m

当管线距坡脚5 m时,在距坡脚0～3 m范围内处使用地下连续墙、变截面素混凝土桩进行防护对比。

3.2.1 使用地下连续墙保护措施

使用地下连续墙路基施工管线位移如图7所示。水平和竖向位移均在安全范围内,当桩距坡脚0～2 m处时管线位移不断减小,在距坡脚3 m处时管线位移反而增大,故将地下连续墙埋设在距坡脚2 m处效果最佳,堆载阶段结束后水平位移由33.58 mm减小到2.23 mm,控制效率达到93.36%,竖向位移由14.68 mm减小到1.84 mm,控制效率达到87.47%,合位移2.89 mm,满足要求。

图7 地下连续墙保护措施管线位移(L=5 m)Fig.7 Pipeline displacements in the presence of under-ground diaphragm wall protection measure (L=5 m)

3.2.2 变截面素混凝土桩保护措施

变截面素混凝土桩示意图如图8所示,使用变截面素混凝土桩路基施工管线位移如图9所示。在距坡脚2 m处时,水平位移为7.22 mm,控制效率为78.50%,竖向位移为2.86 mm,控制效率为80.52%,合位移7.77 mm,满足要求。

图8 变截面素混凝土桩示意图Fig.8 Schematic diagram of plain concrete pile with variable section

图9 变截面素混凝土桩保护措施管线位移(L=5 m)Fig.9 Pipeline displacements in the presence of plain concrete pile with variable section (L=5 m)

地下连续墙与变截面素混凝土桩均埋设在距坡脚2 m处效果最佳,前者水平位移控制效率高于后者14.86%,竖向位移控制率高6.95%。但变截面素混凝土桩在满足管线位移保护范围的同时,更加地节省成本。综合经济因素、防护效果因素,当管线距坡脚5 m时,在距坡脚2 m处埋置变截面素混凝土桩效果最佳。

3.2.3 数值模拟结果与现场实测值对比

整理现场数据,将数值模拟计算值与实测值进行对比分析,管线位移随堆载时间t变化的曲线如图10所示。由图10可以看出,堆载结束后(第95天)管线位移计算值和实测值均达到最大值。计算值和实测值存在较小偏差,是因为在数值模拟计算中塑料排水板渗透系数是不变的,而实际工程中塑料排水板渗透系数在不断变化,地基排水速率不稳定,数值模拟中地基排水速率要比实际工程偏大,地基固结沉降速率快[12]。

图10 管线位移计算值与实测值对比Fig.10 Comparison of pipeline displacement between calculation and measurement

在堆载阶段,实测值曲线比计算值曲线更陡一些,证明了实际工程中地基固结沉降缓慢的现象,地下水不能及时排除,导致堆载时对管线影响偏大,该现象在预压阶段第96—第200天比较明显,管线位移实测值“回缩”速率缓慢。

从整体上看,管线水平和竖向位移的数值模拟曲线和实测曲线变化趋势基本一致。实测最大水平位移为7.93 mm,最大竖向位移为3.32 mm,合位移为8.60 mm,满足安全规范要求,进一步说明了计算模型的简化方法以及土体参数是合理的。

3.3 管线距坡脚10 m

当管线距坡脚10 m时,在距坡脚0～8 m处使用变截面素混凝土桩、素混凝土长桩进行防护对比。

3.3.1 变截面素混凝土桩保护措施

使用变截面素混凝土桩路基施工管线位移如图11所示。桩在距坡脚0～6 m时管线水平位移呈减小趋势,在8 m处管线位移反而增大;竖向位移和水平位移变化趋势相同。在距坡脚6 m时效果最佳,堆载阶段结束后管线水平位移由29.92 mm减小到5.03 mm,控制效率达到83.19%,管线竖向位移由18.25 mm减小到3.23 mm,控制效率达到82.30%,合位移5.98 mm,满足要求。

图11 变截面素混凝土桩保护措施管线位移(L=10 m)Fig.11 Pipeline displacements in the presence of plain concrete pile with variable section (L=10 m)

3.3.2 素混凝土长桩保护措施

使用素混凝土长桩路基施工管线位移如图12所示。桩在距坡脚0～2 m处管线水平位移呈增大趋势,在2～6 m呈减小趋势,6～8 m呈增大趋势;水平和竖向位移的变化趋势相同。在距坡脚6 m时效果最佳,堆载阶段结束后管线水平位移达到7.18 mm,控制效率达到76%;管线竖向位移达到5.10 mm,控制效率达到72.05%,合位移8.81 mm,满足要求。

图12 素混凝土长桩保护措施管线位移(L=10 m)Fig.12 Pipeline displacements in the presence of plain concrete long pile (L=10 m)

前者比后者水平位移控制率高7.19%,竖向位移控制率高10.25%,综合经济因素,当管线距坡脚10 m时,在距坡脚6 m处埋置素混凝土长桩效果最佳。

3.4 管线距坡脚15 m

当管线距坡脚15 m时,在距坡脚0～13 m处使用素混凝土长桩和变截面水泥土桩进行防护对比。

3.4.1 素混凝土长桩保护措施

使用素混凝土长桩路基施工管线位移如图13所示。当素混凝土桩距坡脚12 m时效果最佳,堆载阶段结束管线水平位移由26.41 mm减小到6.35 mm,控制效率达到75.96%;堆载阶段结束管线竖向位移由17.17 mm减小到3.07 mm,控制效率达到82.12%,合位移7.05 mm,满足要求。

图13 素混凝土长桩保护措施管线位移(L=15 m)Fig.13 Pipeline displacements in the presence of plain concrete long pile (L=15 m)

3.4.2 变截面水泥土桩保护措施

使用变截面水泥土桩路基施工管线位移如图14所示。当桩埋置在距坡脚0～3 m处时,桩体变形过大发生破坏,计算不收敛,故从距坡脚4 m处埋置。堆载阶段结束后水平位移均>10 mm,不满足安全要求。当管线距坡脚15 m时,在距坡脚12 m处埋置素混凝土长桩效果最佳。

图14 变截面水泥土桩保护措施管线位移(L=15 m)Fig.14 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile with variable section (L=15 m)

3.5 管线距坡脚20 m

当管线距坡脚20 m时,在距坡脚0～18 m使用变截面水泥土桩和水泥长土桩进行防护对比。

3.5.1 变截面水泥土长桩保护措施

使用变截面水泥土桩路基施工管线位移如图15所示。当桩布置在距坡脚12～18 m时,管线水平和竖向位移均满足要求。考虑桩施工影响,将桩埋置在距坡脚16 m处效果最佳,且堆载阶段结束后水平位移由23.14 mm减小到7.96 mm,控制效率达到65.60%,竖向位移由16.07 mm减小到4.23 mm,控制效率达到73.68%,合位移9.01 mm,满足要求。

图15 变截面水泥土桩保护措施管线位移(L=20 m)Fig.15 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile with variable section (L=20 m)

3.5.2 水泥土长桩保护措施

使用水泥土长桩路基施工管线位移如图16所示。当桩分别埋置在距坡脚0～4 m处时,桩体发生破坏,故从距坡脚5m处埋置。使用水泥土长桩后水平位移不满足安全要求。当管线距坡脚20 m时,在距坡脚16 m处埋置变截面水泥土桩效果最佳。

图16 水泥土桩保护措施管线位移(L=20 m)Fig.16 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile (L=20 m)

3.6 管线距坡脚25 m

当管线距坡脚25 m时,在距坡脚0～23 m使用变截面水泥土桩和水泥土长桩进行防护对比。

3.6.1 变截面水泥土桩保护措施

使用变截面水泥土桩路基施工管线位移如图17所示。考虑桩施工影响,将桩埋置在距坡脚22 m效果最佳,堆载阶段结束后管线水平位移由18.73 mm减小到6.03 mm,控制效率达到67.81%;竖向位移由14.11 mm减小到3.64 mm,控制效率达到74.20%,合位移7.04 mm,满足要求。

图17 变截面水泥土桩保护措施管线位移(L=25 m)Fig.17 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile with variable section (L=25 m)

3.6.2 水泥土长桩保护措施

使用水泥土长桩路基施工管线位移如图18所示。考虑桩施工影响,桩埋置在距坡脚22 m时效果最佳,堆载结束后管线水平位移达到7.52 mm,控制效率达到59.85%;管线竖向位移达到4.74 mm,控制效率达到66.41%,合位移为8.89 mm,满足要求。

图18 水泥土桩保护措施管线位移(L=25 m)Fig.18 Pipeline displacements in the presence of cement-soil pile (L=25 m)

前者比后者水平位移控制率高7.96%,竖向位移控制率高7.79%,综合经济因素,当管线距坡脚25 m时,在距坡脚22 m处埋置水泥土长桩效果最佳。

3.7 管线距坡脚30 m

当管线距坡脚30 m时,在距坡脚0～28 m使用水泥土长桩和水泥土短桩进行防护对比。

3.7.1 水泥土长桩保护措施

使用水泥土长桩路基施工管线位移如图19所示。考虑桩施工影响,将桩埋置在距坡脚27 m时效果最佳,堆载阶段结束后管线水平位移由14.01 mm减小到5.71 mm,控制效率达到59.24%,管线竖向位移由12.28 mm减小到3.13 mm,控制效率达到74.51%,合位移为6.51 mm,满足要求。

图19 水泥土长桩保护措施管线位移(L=30 m)Fig.19 Pipeline displacements in the presence of cement-soil long pile(L=30 m)

3.7.2 水泥土短桩保护措施

使用水泥土短桩路基施工管线位移如图20所示。桩在距坡脚0～4 m处时桩身破坏,从距坡脚5 m处埋置。使用该桩可减小一部分堆载造成的位移,由于桩底没有达到较好的土层中,堆载阶段完成后管线水平位移均达不到控制要求。当管线距坡脚30 m时,在距坡脚27 m处埋置水泥土长桩效果最佳。

图20 水泥土短桩保护措施管线位移(L=30 m)Fig.20 Pipeline displacements in the presence of cement-soil short pile (L=30 m)

3.8 管线距坡脚35 m

当管线位于35 m时,未使用保护措施时路基堆载完成后水平位移满足要求,竖向位移不满足,在管线上方使用反压护道进行保护。在不同堆载阶段使用反压护道路基堆载施工管线竖向位移如图21(a)所示,水平位移如图21(b)所示。

图21 反压护道保护措施管线位移(L=35 m)Fig.21 Pipeline displanements in the presence of back pressure protection road(L=35 m)

由图21(a)可知当反压护道与砂垫层同时一起施工时,会在第15天位移出现最大值-6.59 mm;与第一级路基堆载施工时,会在第45天位移出现最大值-2.93 mm;与第二级路基堆载施工时,会在第35天位移出现最大值4.71 mm;与第三级路基堆载施工时,会在第65天位移出现最大值7.94 mm;由图21(b)可知,水平位移最大值均满足安全要求,故反压护道与第一级堆载施工时效果最佳,其水平位移最大值为6.95 mm,合位移为7.54 mm,满足安全要求。

综上所述,防护桩的埋设可以减小堆载对周围既有管线造成的影响,防护桩需穿越软弱地层落在地质条件好的地层中,应选取较靠近管线的位置设置,同时需考虑防护桩施工影响,使用素混凝土桩时,成桩尽量采用非挤土成孔方式;使用水泥土搅拌桩时,施工过程控制好喷浆压力,使桩施工对管线的影响降到最低,同时加强监测。合理使用保护措施能够提高保护效果的同时能更好地节省成本。

4 结 论

本文通过使用ABAQUS有限元软件对施工过程进行模拟分析,研究了处治后的软土路基堆载过程对既有管线的影响,提出了相应的保护措施,对比实测值验证了其合理性,结合实际工程提出完整的保护方案。主要结论如下:

(1)软土路基采用塑料排水板和水泥土搅拌桩处治后不能有效的控制堆载对周围既有管线造成的影响。处理后的软土路基进行堆载施工会对距坡脚40 m之内的管线产生影响,需综合考虑管线的水平和竖向位移。管线的水平和竖向位移最大值出现在堆载阶段完成后,要控制好堆载阶段结束后的管线位移。

(2)防护桩的埋设可以减小堆载对周围既有管线造成的影响。防护桩需穿越软弱地层落在地质条件好的地层中,且应选取较靠近管线的位置设置,同时考虑防护桩施工影响。

(3)结合工程实际提出保护方案,当5 m≤L(管线距路基坡脚距离)<10 m时,在距坡脚2 m处使用变截面素混凝土桩进行保护;当10 m≤L<15 m,在距坡脚6 m处使用素混凝土长桩进行保护;当15 m≤L<20 m,在距坡脚12 m处使用素混凝土长桩进行保护;当20 m≤L<25 m,在距坡脚16 m处使用变截面水泥土桩进行保护;当25 m≤L<30 m,在距坡脚22 m处使用水泥土长桩进行保护;当30 m≤L<35 m,在距坡脚27 m处使用水泥土长桩进行保护;当35 m≤L<40 m,使用反压护道,与第一级堆载同时施工;当L≥40 m,管线处于安全状态,只需加强监测,必要时采取保护措施。