土工合成材料在市政管道工程中的应用

□文/高 艳 浮霄菊 史志利

近年来，市政管道工程，特别是软土、流砂地质地区修建的市政管道工程，经常出现管口脱开漏水、路面塌陷、盲沟管淤堵等问题，维修工作耗费大量的人力、物力和财力。究其原因，软土地区的管道出现问题大多是由于采用砂石基础的柔性接口管道在相对较差的地基条件下，后期不均匀沉降导致管道接口破坏漏水；流砂地质条件下管道的问题大多是由于施工期间降水措施不当对地基土的扰动而引起的。天津地区配合修路，管槽大多回填碎石料，级配不良时，随地下水位变动周围土体颗粒充填碎石孔隙进而扰动地基，严重的会引起路面塌陷。土工合成材料是以人工合成的聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成的产品，置于土体内部、表面或各种土体之间，能发挥加强土体、排水、防渗、反滤、隔离和保护土体等作用。土工合成材料的迅速发展和广泛的工程应用为解决市政管道工程的常见问题提供了新的途径。

基础加筋解决软土区管道地基的承载力和不均匀沉降

管道加筋垫层的做法

滨海地区软土地基分布广泛，地基承载力低（一般均＜100 kPa），后期沉降量大且不均匀，沉降持续时间较长，特别是在一些新近吹填的近海区域进行市政基础设施建设时这一问题尤其突出。目前在软土地区修建市政管道，地基承载力很低时（＜70 kPa）多采用钢筋混凝土基础，地基承载力相对较低时（70 kPa≤f＜100 kPa），采用砂石基础，其下超挖一定厚度的软土，采用换填垫层法处理。而超挖地基对于开槽本来就困难的滨海地区，更是增加了难度且采用常规的换填垫层处理后，对控制管道的不均匀沉降效果并不明显。

采用土工合成材料对软土地基进行加筋处理，不仅可以减小超挖换填的厚度，而且在提高地基承载力的同时，对控制管道的不均匀沉降有明显效果。其基本做法是在软弱基土顶面铺设200mm厚的中粗砂，其上铺设土工织物，见图1；然后再施做砂石基础，铺设管道。用于强化地基的土工合成材料可以选用土工格栅、土工网、土工筋带、高强土工布等。

图1 管道基础加筋

加筋垫层对地基承载力的作用

加筋垫层可以提高地基承载力，其机理是荷载作用下垫层土料与筋材之间产生相对位移，界面上的剪应力使得土工合成材料中产生拉力，从而增加对土横向变形的限制，同时处于受拉状态的土工合成材料，起到张力膜的作用，可以大幅度提高了垫层的抗剪强度，从而提高地基承载力。

通常情况下，由于铺设筋材而提高的地基承载力可以按下式计算

式中：△f——地基承载力，kN/m；

α——筋材拉力与水平面夹角，（°），取α=45°+φ/2，即筋材变形后沿朗肯主动滑动面方向，φ为垫层的内摩擦角；

N——筋材层数；

Tα——筋材的抗拉强度，kN/m；

θ——应力扩散角，（°）；

zn——最下一层筋材的深度，m；

Fs——地基承载力安全系数，一般可取2.5～3.0；

Du——滑动面的最大深度,一般Du不超过2倍基础宽度，m。

加筋垫层对控制不均匀沉降的作用

当管道上部受荷不均匀或基底软土分布不均匀，管道本身有发生不均匀变形的趋势时，加筋垫层可以均化地基附加应力的分布，同时整体铺设的筋材在限制土体横向变形的同时受拉，起到张力膜的作用，从而减小管道结构的不均匀沉降。加筋垫层对不均匀沉降控制的定量计算，取决于所选用土工合成材料本身的抗拉强度、变形模量和延伸率。原则上，用于增加管道基础地基承载力和减小不均匀沉降的垫层加筋材料，应选用拉伸强度高、模量大、延伸率小、蠕变性能低的土工合成材料。

沟槽铺设土工合成材料防治流砂区管道病害

流砂土质区常见管道病害原因

流砂是一种地基发生渗透破坏的不良工程地质现象，是地下水渗流产生的渗流力对土体作用的结果。流砂现象发生、发展过程与土体自身组织结构条件、水力条件、渗流通道等因素有关。易产生流砂的土层一般需满足如下条件：

（1）土的颗粒组成中，粘粒含量＜10%，粉粒含量＞75%；

（2）土的不均匀系数＜5；

（3）土的孔隙比＞0.75或孔隙率＞43%；

（4）处于饱和状态，含水量＞30%；

（5）地层中粉土层或粉细砂层厚度＞25 cm。

一般来讲，饱和、松散的砂土、粉土、粉砂地质易产生流砂现象。在砂性土层中，流砂是一个土体颗粒由细到粗、由少到多的渐进过程；而在粉砂、粉土层内，由于其渗透系数较小，往往表现为突然产生的流砂或塑性泥流。

在流砂土质区，特别是地下水位较高的情况下，明开槽铺设市政管道时，其病害主要表现在2个方面。

（1）施工开槽期间，基坑支护和施工降排水的控制非常关键。基坑支护和降水措施不当，基槽底部、侧壁渗漏处可能出现土体的跑冒流失，在降水井处，土中的粉粒、粉砂甚至细砂粒会随地下水抽走。随着土体颗粒的流失，管槽周边的土体受到扰动，为将来地面的沉降留下隐患，更严重的情况会至使基坑工程施工条件恶化，边坡塌方，附近已建成的工程会出现开裂、下沉。

（2）管道运行期间。天津地区为配合当年修路，沟槽的回填大多采用碎石料，如果管道砂石基础及周边回填的碎石料级配不良而导致孔隙率较大，在流砂地质条件下，施工结束后地下水位回升或其他原因导致的地下水位变动都会使周围的土体颗粒随渗透水流充填入管周碎石的孔隙内，扰动原状的地基土。当管道出现脱口、局部破裂时，土体颗粒会沿缝隙进入管道，随管道内的水流不断流失，掏空管周土体，导致地面沉陷甚至影响周边建筑物。

应用土工合成材料解决沟槽回填病害的做法

易发生流砂的土质一般为粉土、粉砂土层，其地基承载力一般＞100 kPa，可以按照04S516《混凝土排水管道基础及接口》选用砂石基础。当场区地下水位较高、管上地面回填碎石料时，可以选用以下做法：沿槽底和侧壁铺设土工合成材料，其上施作砂石基础，管侧及管顶以上≮40 cm的范围内回填级配良好的碎石料，密实度≮90%，土工合成材料应在回填的碎石料顶面搭接封闭，见图2，其上按道路要求回填。此处土工合成材料主要起反滤、保土作用，一般可以选择有纺或无纺土工织物，土工织物的质量宜为300～500 g/m2。

图2 管道沟槽回填

土工合成材料的选择

用于反滤、保土的土工合成材料应具有以下功能：保土性，防止被保护土土粒随水流流失；透水性，保证渗流水通畅排走；防堵性，防止材料被细土粒堵塞失效。用于流砂地质区包覆沟槽回填的土工织物，保土性和防堵性是关键的控制指标。

为满足保土性要求，所选用土工织物应符合

式中：O95——所选土工织物的等效孔径，mm；

d85——场地土的特征粒径，mm，按土中小于该粒径的土粒质量占总土粒质量的85%确定；

B——按工程经验确定的系数，宜按1～2采用，土中细粒含量高时取小值。

为满足透水性要求，所选用土工织物应符合

式中：kg——所选土工织物的垂直渗透系数，cm/s；

ks——场地土的垂直渗透系数，cm/s；

A——按工程经验确定的系数，不宜＜10。

为满足防堵性要求，所选用土工织物应符合

式中：GR——所选土工织物与现场土料制成试样进行淤堵试验所得的梯度比，当细粒土中粉粒含量不是很大时，针刺土工织物和扁丝机织物一般均可满足此项要求。

土工合成材料用于盲沟排水

在地道、挡土墙、填埋场库区、明开槽施工降水等工程中，经常会遇到盲沟排水。传统的盲沟排水做法是在滤水管的周围回填级配良好的砂石料作为反滤层。实践表明，由于盲沟管断面较小，施工期间反滤料的级配很难控制，很多工程运行时间不长盲沟管就出现堵塞。天津地区滤水管大多采用水泥砾石管，该管材本身强度较低，管道铺设和上部土层碾压期间容易破损；此外级配不良的反滤层起不到反滤效果，大量土体颗粒随地下水的流动充填滤料和滤水管的孔隙，这些情况都容易导致盲沟排水失效。

应用土工合成材料的排水盲沟基本做法

近些年，随着土工合成材料的迅速发展，新产品不断出现，目前组合使用塑料盲沟管材和土工织物用于盲沟排水在工程中已有应用，塑料排水盲沟管孔隙率最大可达90%，抗压能力和适应不均匀变形能力强，结合土工布良好的反滤功能，一种比较可靠的做法是沿槽底和侧壁铺设土工合成材料，其上铺设10 cm级配砂石料，铺设塑料盲沟管材，回填级配砂石料至管顶以上15 cm，土工合成材料在回填的级配砂石料顶面搭接封闭，见图3，其上按工程要求回填。此处土工合成材料主要起反滤、保土作用且应具有良好的排水能力。当工程要求比较高时，建议在排水管的外侧再包覆一层土工织物，目前也有土工布与塑料盲沟管复合的成品管材。

图3 盲沟管道做法

土工合成材料的选择

用于盲沟排水的土工合成材料除应符合式（2）～（4）的保土性、透水性、防堵性要求外，尚应验算土工合成材料的排水能力。

为满足排水要求，所选用土工织物应符合

式中：θα——所选土工织物的导水率；

θr——盲沟排水所要求的导水率；

Fs——安全系数，一般取3～5；

kg——土工织物的渗透系数；

δ——土工织物在预计现场压力下的厚度；

q——预计单宽来水量；

i——盲沟管的水力梯度。

结论

土工合成材料的迅速发展和在工程领域的成功应用，为市政管道工程一些常见问题的处理和防治提供了新的途径。土工合成材料具有良好的加筋、过滤、排水、隔离、防渗、防护等功能，在具体应用中需根据应用目的和具体的工程结构合理进行材料选择。

（1）在软土地区的管道基础下铺设土工格栅、土工筋带、高强土工布等土工合成材料，不仅可以提高软土地基的承载力，而且可以有效减小管道运行期间的不均匀沉降，相比换填垫层法和其他复合地基处理措施，更加经济有效。

（2）在流砂地质区（粉土、粉砂等），当地下水位较高时，为防止地下水位变动等原因引起土体颗粒充填碎石填料的孔隙，扰动周边地基，沿管槽周边铺设土工布等土工织物类合成材料能起到良好的保土、反滤功能，弥补沟槽回填料级配不良、孔隙率大的缺陷，避免管道回填引起路面塌陷。

（3）在一些排水盲沟管的管周包裹透水性能良好的土工织物，可以替代或简化常规碎石反滤层的做法，配合一些新型塑料盲沟管的应用，能有效防止盲沟管淤堵，保证排水畅通。

［1］GB 50290—98，土工合成材料应用技术规范［S］.

［2］JTJ/T 019—98，公路土工合成材料应用技术规范［S］.

［3］王 钊.土工合成材料［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］龚晓南.复合地基设计和施工指南［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［5］史志利.流砂地质中钢筋混凝土管道结构设计探讨［J］.特种结构，2008，25（1）：83-86.

［6］JGJ 79-2002/J220—2002，建筑地基处理技术规范［S］.