软土地基综合管廊不均匀沉降计算与处理

陈伟 毛天野 方敏辉

(台州市城乡规划设计研究院 318000)

引言

不均匀沉降是已建管廊的主要病害之一,一般发生在管廊接缝处。箱体接缝处的不均匀沉降导致变形缝止水破坏失效,进而引发渗漏水,也是造成主体结构裂缝的主要原因。

台州市地下综合管廊一期工程建设总长度为32.2km,其中台州大道段(4.3km) 和市区段(15.3km)已开工建设。台州地区主要为软土地基,地基承载力及压缩模量低,工程性质极差,在荷载作用下易产生固结沉降。如何控制不均匀沉降是台州综合管廊面临的主要难题。

本文以台州市地下综合管廊一期工程为例,介绍了综合管廊沉降的计算方法。通过不同节点的沉降比较分析及经验总结,提出优化设计方案,为今后软土地区综合管廊地基处理及不均匀沉降防治措施提供借鉴。

1 工程概况

现代大道管廊为台州市地下综合管廊一期工程,西起教七路,东至东二路,长度约12.3km。管廊布置在道路南侧绿化带下,离道路边线1.5m,顶板覆土约2.5m。

管廊为三舱断面,拟容纳220kV 电缆、110kV 电缆、10kV 电缆、通讯电缆、给水管、中水管、燃气等市政管线。目前正在建设中。

2 地质概况

2.1 地形地貌

根据《台州市地下综合管廊一期工程(详勘)》,建设场地位于平原区,地势平坦开阔,总体呈西高东低的变化特征,地形坡度小于2°,地面高程2.0m～3.5m,地表水系纵横交错。表部主要由海积的粘土组成,下部为巨厚的淤泥质土。现状多为民宅、农田(荒地)、道路、河道等。

2.2 地基土层的分布与特征

本文节点位置勘探揭示土层自上而下分别为:

①2层: 粘土(m,灰黄色,俗称“硬壳层”,自上而下由可塑渐变为软塑,厚层状。该层场地表部分布,在河、塘、局部道路等处缺失,层厚0.50m～2.00m,层顶埋深0.00m～4.10m,具中偏高压缩性,工程性质一般。

③2层: 粘土(m),灰色,软塑,厚层状～细鳞片状。该层场地中部分布,揭露层厚0.50m～13.00m,层顶埋深20.00m～30.50m,相应高程为- 27.85m～- 17.05m,具高压缩性,工程性质差。

图1 管廊土层位置示意Fig.1 Utility tunnel location in soil layer

2.3 地基土设计参数

地基土设计参数见表1。

表1 地基土设计参数Tab.1 Design parameters of foundation soil

3 管廊地基处理设计

3.1 地基处理原则

综合管廊采用旋喷桩复合地基,旋喷桩桩径0.5m(单重管),桩距1.0m～1.2m,桩顶设20cm碎石褥垫层。设计桩长(不含30cm 凿桩头),桩顶设20cm 碎石褥垫层,桩顶标高同褥垫层底标高。旋喷桩桩身无侧限抗压强度为R90 =1.8MPa,参照设计强度R28 =1.2MPa[1]。水泥掺入量为22%～25%(占加固土重),水灰比控制在0.8～1.2。

3.2 节点设计

本文选取现代大道标准段及紧邻的通风口进行沉降分析、比较。荷载标准: 汽车荷载等级为城A 级,地面堆载10kN/m2,管廊内中板活荷载7kN/m2,底板活荷载4kN/m2。

标准段为单层结构,顶板顶距现状地面约0.5m,距设计地面约2.5m,地基处理桩间距1m×1m,桩长10m;通风口为两层结构,局部风井伸出地面,地基处理桩间距1m × 1m,桩长8m。其断面见图2、图3。

图2 标准段地基加固示意Fig.2 Ground strengthening treatment for standard segment

图3 通风口地基加固示意Fig.3 Ground strengthening treatment for air vent

4 沉降计算分析

4.1 计算原则

依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)第5.3.5 条[2],按修正的分层总和法计算:

复合土层的压缩模量按GB50007-2011 第7.2.12 条采用:

式中:Espi为第i层复合土层的压缩模量(MPa);ξ为复合土层的压缩模量提高系数;fspk为复合地基承载力特征值(kPa);fak为基础底面天然地基承载力特征值(kPa)。

根据《建筑地基基础设计规范》 式7.1.5-2计算,10m 和8m 旋喷桩加固后复合地基承载力特征值分别为120kPa 和100kPa。加固桩所处淤泥质粉质粘土层和淤泥质粘土层的原地基承载力特征值均为55kPa,根据本文公式(3),10m 和8m 加固后复合土层的压缩模量提高系数分别为2.182 和1.818。根据式(2)计算后上述土层不同桩长加固后其压缩模量见表2。

表2 复合地基压缩模量Tab.2 Compression modulus of the composite foundation

4.2 沉降计算

管廊沉降计算采用盈建科软件进行计算分析,在基础建模模块中,地质资料的标准孔点的土层参数采用复合地基压缩模量,进行复合地基沉降计算。

图4 管廊沉降值Fig.4 Settlement of of utility tunnel

本文选取了现代大道段勘探孔Z346 附近的标准段及紧邻的通风口。经计算,各节点加固前后的沉降值见图4,其中标准段未加固前最大沉降为97mm,加固后最大沉降为57mm。通风口未加固前最大沉降为42mm,加固后最大沉降为29mm。标准段及通风口加固后沉降等值线见图5、图6。

4.3 沉降分析及优化建议

从计算结果可知,标准段及紧邻的通风口,地基未加固前,相邻沉降差达55mm,加固后相邻沉降差为28mm。也就是说加固后,沉降差减小了27mm,节点差异沉降降低了49%。

图5 标准段加固后沉降等值线(单位： mm)Fig.5 Settlement contour after reinforcement of standard segment(unit: mm)

图6 通风口加固后沉降等值线(单位： mm)Fig.6 Settlement contour after reinforcement of air vent(unit: mm)

若标准段地基加固,紧邻的通风口不加固,相邻沉降差为15mm,沉降差与均未加固前的55mm 相比,降低了73%。

因此,通风口等节点地基处理可结合基坑围护被动区土体加固进行优化。

4.4 管廊地基变形允许值的建议

本文对其余标段的综合管廊标准段进行了沉降计算,设计地面高出现状地面最大约2.5m,此处沉降最大达85mm。

在现行《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838-2015)中,未明确规定综合管廊地基变形允许值。《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中第5.3.4 对建筑物地基变形允许值也是收集了大量建筑物的沉降观测资料,通过分析、统计其变形特征得出的。

管廊除了经验的积累,可从变形缝防水这一关键点给出试行地基变形允许值,为今后设计提供参考标准。管廊变形缝防水等级为一级,根据工程经验按30mm 设置,中间设置橡胶止水带,外侧为防水卷材或弹性防水涂料。根据《地下工程防水设计规范》(GB 50108-2008),防水材料的扯断伸长率达200%及以上,根据勾股定理计算相邻管节最大沉降差可达50mm,此为极限值。根据工程经验允许值不宜大于极限值的1/2,因此最大允许沉降差控制指标宜为20mm。

根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)第5.3.4 条要求,体型简单的基础平均沉降量不大于200mm。经计算,台州市地下综合管廊一期工程地基未处理管廊沉降量小于200mm,地基加固后管廊沉降量小于100mm。软土层为流塑状,稳定性差,易产生不均匀沉降,导致管廊变形缝渗水,对管廊危害大,因此建议对管廊提高标准。综合考虑周边场地的变形协调,建议按表3 控制管廊地基变形。

表3 综合管廊地基变形允许值Tab.3 Allowable deformation of foundation for utility tunnel

5 防不均匀沉降措施

5.1 设置变形缝

由于地下结构的伸缩缝、沉降缝等结构是防水防渗的薄弱部位,应尽可能减少,故将前述两种结构缝功能整合设置为变形缝。根据《 城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)[3],变形缝要求如下:

(1) 现浇管廊结构变形缝的最大间距宜为30m。

(2)结构纵向刚度突变处以及上覆荷载变化处或下卧土层突变处,应设置变形缝。

(3)变形缝的宽度不宜小于30mm。

(4)变形缝应设置带钢边橡胶止水带(CB350×8-30)、填缝材料和嵌缝材料等止水构造。

5.2 侧墙设置传力杆

传力杆指的是沿管廊侧墙变形缝处,每隔一定距离在壁厚中央布置的1～2 根圆钢筋。其一端固定在一侧墙壁内,另一端可以在邻侧墙壁内滑动,其作用是在两段管廊之间传递上部荷载和防止错缝,增加相邻管廊之间的应力传递以防止管廊局部受力较大造成两段管廊不均匀沉降,传递应力使相邻管廊共同受力,见图7。

图7 管廊侧壁变形缝节点详图Fig.7 Deformation joint on the side wall of utility tunnel

5.3 垫层设置搭板

为减少变形缝两侧管廊不均匀沉降,在变形缝处,将原垫层加强,设置2m 宽搭板,C12 钢筋双层双向布置,见图8。

图8 变形缝处垫层加强详图Fig.8 Cushion strengthening at deformation joint

5.4 褥垫层优化

《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)第7.4.6 条要求: 旋喷桩复合地基宜在基础和桩顶之间设置褥垫层[1]。由于淤泥质土的高压缩性,实际施工时桩顶的20cm 碎石褥垫层易嵌入旋喷桩之间的土体,造成管廊主体未施工就产生沉降。因此,软土地基的旋喷桩之间也宜采用碎石或片石嵌实。

6 结语

通过本文沉降计算、分析及经验总结,得出以下结论及建议:

(1)采用复合土层的压缩模型,利用盈建科软按修正的分层总和法计算综合管廊沉降,为今后综合管廊不均匀沉降设计提供一种客观、可行、高效的方法。

(2)从防水材料失效的角度,提出了综合管廊相邻变形缝最大允许沉降差50mm。根据计算统计,建议综合管廊平均沉降量: 中、低压缩性土60mm,高压缩性土100mm。

(3)采取垫层设置搭板、软土地基的旋喷桩之间采用碎石或片石嵌实等措施减少综合管廊沉降和节点间的不均匀沉降。