陳紅威，魏國(guó)楫
(天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津300204)

　　摘　要：針對(duì)引灤系統(tǒng)內(nèi)已建的7條水源管線的實(shí)際情況，對(duì)大口徑預(yù)應(yīng)力混凝土輸水管在濱海軟土地基上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析和研究，并用大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了其技術(shù)改進(jìn)的可靠性。
　　關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土管；軟土地基；輸水管材
　　中圖分類號(hào)：TU991.36
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)10-0087-03

　　自1983年引灤入津工程通水后，天津市在引灤系統(tǒng)內(nèi)已建成7條水源管線，總長(zhǎng)約為416km，主要管材皆采用DN500～1400的預(yù)應(yīng)力混凝土輸水壓力管。泵站出口管線工作壓力為0.4～0.7MPa，按照GB 5695—94《預(yù)應(yīng)力混凝土輸水管(震動(dòng)擠壓工藝)》，在不同的安裝位置分別采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種等級(jí)的預(yù)應(yīng)力混凝土管材。
　　天津市地處華北平原北部濱海地帶，地下水埋深一般為0.8～1.5m，管線地基持力層多為淤泥質(zhì)粘土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，地質(zhì)條件較差，其中開(kāi)發(fā)區(qū)供水工程北塘段的地基條件最差。
　　與其他管材(如鋼管、夾砂玻璃鋼管)相比，預(yù)應(yīng)力混凝土管的最大優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低(單位造價(jià)僅為鋼管的60%左右)，最大缺點(diǎn)是對(duì)軟土地基不均勻沉降的適應(yīng)能力較差，其關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題是承插口連接的管口允許拔出量必須大于由于地基不均勻沉降引起的管口拔出量，解決方法為：①經(jīng)濟(jì)合理地處理地基以減小不均勻沉降量；②合理設(shè)計(jì)管口形式以增大允許拔出量。

1　地基處理

1.1 地基受力分析
　　盡管預(yù)應(yīng)力混凝土管的管體自重與管內(nèi)水重之和小于被置換的土體質(zhì)量，但由于管體和地基接觸面為弧形，在不同的基礎(chǔ)包角情況下，管體對(duì)地基接觸面的壓力(q₁)與原土體壓力(q₀)的比值有所不同，以YYG1400-Ⅱ級(jí)預(yù)應(yīng)力混凝土管為例，當(dāng)管頂覆土厚度為1.5m、地下水埋深為1.0m時(shí)不同基礎(chǔ)包角(α)下的q₁/q₀值不同(見(jiàn)表1)。?

表1　不同包角條件下的地基受力情況 α(°) 0 20 90 96.2 180 原土體壓力q₀(kPa) 39.3 管土接觸面積S(m²/m) 0 0.27 1.12 1.18 1.58 管體對(duì)地基壓力q₁(kPa) ∞ 168.4 42.0 39.0 30.90 K=q₁/q₀ ∞ 4.28 1.07 1.00 0.79 注：①根據(jù)GBJ 69—84，天然地基條件下的管體基礎(chǔ)包角 按20°計(jì)算；②管體壓力為平均值。

　　由表l可以看出：①原土體壓力并不大，在該力作用下地基已固結(jié)完畢；②隨著基礎(chǔ)包角α值的增大則管體對(duì)地基的壓力相應(yīng)減小；③當(dāng)α=96.2°時(shí)q0與q1 相近，當(dāng)α＞96.2°時(shí)則地基處于超固結(jié)狀態(tài)；④隨著管體沉降及地基變形的增大則α值增大，且管體對(duì)地基的壓力減小、沉降速度有所下降。
1.2 處理方法
　　對(duì)于大口徑預(yù)應(yīng)力混凝土管，若采用包角為90°～120°的混凝土管基礎(chǔ)則比較可靠，但其造價(jià)較高、工期較長(zhǎng)、施工難度較大，故采用碎石墊層基礎(chǔ)來(lái)代替(見(jiàn)圖l)，即根據(jù)不同管徑和地基情況在基底先鋪設(shè)200～300mm厚的碎石墊層，下管后再填90°包角的貼角碎石墊層，由于碎石墊層固結(jié)時(shí)間很短且其壓縮模量遠(yuǎn)高于地基土，故在管體發(fā)生少量沉降時(shí)即可使管體包角達(dá)90°。此外，由于管體沉降時(shí)半肋以下S區(qū)回填土受到壓縮，也相當(dāng)于增大了基礎(chǔ)包角，這樣就滿足了地基土處于超固結(jié)態(tài)的要求，減小了使用期的沉降量。

2　改進(jìn)管口形式

　　GB 5695—94中規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土管應(yīng)采用配有O形膠圈的承插式接口，不同口徑及壓力等級(jí)管的承插口長(zhǎng)度尺寸完全相同，僅環(huán)向直徑及所采用的膠圈直徑有所不同。同時(shí)還規(guī)定，DN800～1400的各壓力等級(jí)管的相對(duì)允許轉(zhuǎn)角為β=1°，相應(yīng)的管口允許拔出量最大值為28mm。
2.1 改進(jìn)依據(jù)
　　膠圈在承插口工作面之間受到擠壓，當(dāng)擠壓力＞滲壓力時(shí)膠圈能夠起到止水作用。
　　在安裝過(guò)程中膠圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是只滾不滑，若此時(shí)膠圈未貼在止膠臺(tái)上，則在內(nèi)水壓力Pa作用下膠圈處于開(kāi)始滑動(dòng)的臨界狀態(tài)。
?　　　Pa=2Pof/ha-μBf　　　(1)?
　　式中?Pa——膠圈在承插口工作面內(nèi)開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)的內(nèi)水壓力
?　　　　ha——壓縮后膠圈中心線位置的承插口工作面間隙量
　　　　?Po——膠圈由安裝前的直徑壓縮至ha的壓縮力，可由膠圈壓縮曲線查出
?　　　　μ——膠圈波桑比?
?　　　　f——膠圈與承插口工作面間的摩擦系數(shù)?
?　　　　B——膠圈與承插口工作面的接觸寬度?
　　當(dāng)管內(nèi)水壓力＞Pa時(shí)膠圈開(kāi)始滑動(dòng)，并貼到止膠臺(tái)上，當(dāng)管內(nèi)水壓達(dá)到Pb時(shí)則膠圈開(kāi)始滲水。?
?　　　　　　　　　P_b＝2P_o/(h_a+B-2_μB)　　(2)?
　　式中?Pb——膠圈在承插口工作面內(nèi)、膠圈開(kāi)始滲水時(shí)的內(nèi)水壓力
　　在廠家試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的多次試驗(yàn)證實(shí)了式(1)、(2)的可靠性，例如一對(duì)DN1200的預(yù)應(yīng)力管，若插口工作面負(fù)公差為1mm、承口工作面正公差為3mm、安裝后膠圈壓縮率為21.5%(正常條件下的壓縮率為47.3%)，則用式(2)計(jì)算出的膠圈滲水壓力理論值為Pb＝0.94MPa，在試壓機(jī)上的實(shí)測(cè)值為1.0MPa，兩者基本一致。?
　　對(duì)于DN1200的預(yù)應(yīng)力混凝土管，在最大公差條件下，即承口工作面直徑最大［(1386+3)mm］、插口工作面直徑最?。?1352-2)mm］、膠圈最細(xì)［(26-0.6)mm］、膠圈壓縮率僅為36.0%時(shí)，經(jīng)計(jì)算其Pb值為2.95MPa，仍大于最高等級(jí)(即V級(jí))管的抗裂壓力(2.17MPa)，安全系數(shù)K=2.95/2.17＝1.36＞1.30，表明其使用是安全的。而對(duì)于天津地區(qū)所使用的最高級(jí)別的Ⅲ級(jí)管，要求的抗?jié)B壓力僅為1.2MPa，安全系數(shù)K=2.95/1.2=2.461.3，表明尚有潛力可挖。因此，在滿足抗?jié)B要求的前提下，可改進(jìn)管口形式以提高管口允許拔出量。
2.2　改進(jìn)方法
　　以DN1200管為例進(jìn)行改進(jìn)(見(jiàn)圖2)。?

　?、俪锌谕鈱?dǎo)坡長(zhǎng)度
　　國(guó)標(biāo)規(guī)定外導(dǎo)坡(AB)長(zhǎng)度為50mm(見(jiàn)圖2)，并且其平面為脫模后的粗糙面，改進(jìn)后的外導(dǎo)坡(AE)長(zhǎng)度僅為30mm且必須磨至光滑平整的程度。將其長(zhǎng)度縮短是為了增加承口工作面長(zhǎng)度，將其磨光也可起到延長(zhǎng)工作面的作用。
　　②承口工作面長(zhǎng)度
　　國(guó)標(biāo)規(guī)定工作面(BC)長(zhǎng)度為60mm且須磨至光滑平整。改進(jìn)后工作面(EF)長(zhǎng)度增至100mm，磨光要求不改變，這樣增大了止水膠圈的工作范圍。
　?、鄢锌趦?nèi)倒坡形狀
　　國(guó)標(biāo)規(guī)定內(nèi)倒坡(CD)為70mm高的圓臺(tái)面，改進(jìn)后則為比承口工作面直徑小10mm的圓柱面，從而增加了承插口之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)余量。
　?、艹锌诳偵疃?br> 　　國(guó)標(biāo)規(guī)定承口總深度為180mm，改進(jìn)后增至190mm，從而增大了插口的允許壓入量。
2.3　允許拔出量
　　下管前先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)，在止膠臺(tái)前距離M點(diǎn)為60mm處沿管身畫(huà)一道紅線D(見(jiàn)圖2)，管口安裝并回彈后，紅線D應(yīng)與承口端面AA′對(duì)齊，此時(shí)止膠臺(tái)前沿M點(diǎn)進(jìn)入外導(dǎo)角E點(diǎn)的長(zhǎng)度為30mm、承插口之間的軸向間隙量b＝30mm，該狀態(tài)即為標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)。當(dāng)管口拔出量Δb=30mm時(shí)，止膠臺(tái)前沿M與外導(dǎo)角E在同一垂直面內(nèi)，膠圈狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相同，管口滿足抗?jié)B要求；當(dāng)管口拔出量Δb＝48mm時(shí)，壓縮后的膠圈中心與外導(dǎo)角E在同一垂直面內(nèi)，式(1)、(2)的理論計(jì)算和在試驗(yàn)機(jī)上的多次試驗(yàn)均說(shuō)明此時(shí)仍能滿足抗?jié)B要求；當(dāng)管口拔出量Δb＞48mm時(shí)，膠圈已不是在平行面中受壓，式(1)、(2)已不適用，為此選擇不同公差的管材多次在試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)，結(jié)果表明在允許公差范圍內(nèi)，即拔出量Δb=56mm時(shí)仍可滿足抗?jié)B要求。經(jīng)綜合分析，采用Δb=52mm作為設(shè)計(jì)最大允許拔出值，該值比GB5695—94中規(guī)定的拔出量增大了24mm。?

3　工程實(shí)測(cè)

3.1　地基不均勻沉降
　　對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土管地基的不均勻沉降量進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　沉降量統(tǒng)計(jì) 項(xiàng)目 測(cè)量管口數(shù)量(個(gè)) 平均值X(mm) 最大值Xmax(mm) 最小值Xmin(mm) 均方差S(mm) 沉降量 40 79.6 148 12 37.1 沉降差 39 22.5 101 0 23.1

3.2　管口拔出量
　　對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)工程的管口拔出量進(jìn)行了實(shí)測(cè)，即在每根管安裝結(jié)束后(回填土前)均鉆入管內(nèi)實(shí)測(cè)上、下、左、右四個(gè)位置的管口軸向間隙量bl(見(jiàn)圖2)，在荷載全部作用一段時(shí)間后，抽干管內(nèi)水體，再鉆入管內(nèi)量測(cè)各相應(yīng)的b2值，然后利用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)出每根管四個(gè)位置的管口拔出量(Δb=b2-b1)。
　　在一期工程中共測(cè)量866個(gè)管口的3464個(gè)拔出量值，在二期工程潮白新河灘地段共實(shí)測(cè)3787個(gè)管口的15148個(gè)拔出量值(見(jiàn)圖3)。?

　　由圖3可知：①管口拔出量基本呈正態(tài)分布，地基較差者其分布曲線的均方差σ較大；②相當(dāng)大比例的管口拔出量值并不大，如拔出量為-2～2mm的占42.42%，拔出量為-7～7mm的占79.71%；③有22處管口的拔出量＞28mm；④有12個(gè)管口拔出量＞30mm，其余99.94%的管口膠圈工作狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)完全相同；⑤最大管口拔出量為39mm，膠圈仍處在改進(jìn)后的承口工作面之內(nèi)，即使考慮到固結(jié)沉降尚未結(jié)束，其使用也是安全的。
　　《給水排水管道施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定，DN1400預(yù)應(yīng)力混凝土管的水壓試驗(yàn)允許滲水量為5L/(min·km)，而上述各段的滲水量平均值為1.2L/(min·km)，僅為規(guī)范允許值的24%。
　　該管線現(xiàn)已安全輸水4年以上，從未發(fā)生過(guò)漏水事故。在引灤系統(tǒng)的7項(xiàng)水源管線工程中，開(kāi)發(fā)區(qū)供水工程的地基條件相對(duì)最差且管徑最大，故其安全性表明其他6項(xiàng)工程的運(yùn)行也是可靠的。?

4　結(jié)語(yǔ)

　　采用對(duì)地基進(jìn)行處理以及改進(jìn)管口形式的方法，經(jīng)濟(jì)合理地解決了在軟土地基上使用大口徑、長(zhǎng)距離預(yù)應(yīng)力混凝土管的技術(shù)問(wèn)題。天津市科學(xué)技術(shù)信息研究所對(duì)該項(xiàng)目的查新檢索報(bào)告表明該技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

　　電　　話：(022)23282174
　　收稿日期：2002-06-14