预应力混凝土管在滨海软土地基上的应用

陈红威，魏国楫
(天津市水利勘测设计院，天津300204)

　　摘　要：针对引滦系统内已建的7条水源管线的实际情况，对大口径预应力混凝土输水管在滨海软土地基上应用的关键技术问题进行了分析和研究，并用大量的实测数据证实了其技术改进的可靠性。
　　关键词：预应力混凝土管；软土地基；输水管材
　　中图分类号：TU991.36
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)10-0087-03

　　自1983年引滦入津工程通水后，天津市在引滦系统内已建成7条水源管线，总长约为416km，主要管材皆采用DN500～1400的预应力混凝土输水压力管。泵站出口管线工作压力为0.4～0.7MPa，按照GB 5695—94《预应力混凝土输水管(震动挤压工艺)》，在不同的安装位置分别采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种等级的预应力混凝土管材。
　　天津市地处华北平原北部滨海地带，地下水埋深一般为0.8～1.5m，管线地基持力层多为淤泥质粘土与淤泥质粉质粘土，地质条件较差，其中开发区供水工程北塘段的地基条件最差。
　　与其他管材(如钢管、夹砂玻璃钢管)相比，预应力混凝土管的最大优点是造价低(单位造价仅为钢管的60%左右)，最大缺点是对软土地基不均匀沉降的适应能力较差，其关键性技术问题是承插口连接的管口允许拔出量必须大于由于地基不均匀沉降引起的管口拔出量，解决方法为：①经济合理地处理地基以减小不均匀沉降量；②合理设计管口形式以增大允许拔出量。

1　地基处理

1.1 地基受力分析
　　尽管预应力混凝土管的管体自重与管内水重之和小于被置换的土体质量，但由于管体和地基接触面为弧形，在不同的基础包角情况下，管体对地基接触面的压力(q₁)与原土体压力(q₀)的比值有所不同，以YYG1400-Ⅱ级预应力混凝土管为例，当管顶覆土厚度为1.5m、地下水埋深为1.0m时不同基础包角(α)下的q₁/q₀值不同(见表1)。?

表1　不同包角条件下的地基受力情况 α(°) 0 20 90 96.2 180 原土体压力q₀(kPa) 39.3 管土接触面积S(m²/m) 0 0.27 1.12 1.18 1.58 管体对地基压力q₁(kPa) ∞ 168.4 42.0 39.0 30.90 K=q₁/q₀ ∞ 4.28 1.07 1.00 0.79 注：①根据GBJ 69—84，天然地基条件下的管体基础包角 按20°计算；②管体压力为平均值。

　　由表l可以看出：①原土体压力并不大，在该力作用下地基已固结完毕；②随着基础包角α值的增大则管体对地基的压力相应减小；③当α=96.2°时q0与q1 相近，当α＞96.2°时则地基处于超固结状态；④随着管体沉降及地基变形的增大则α值增大，且管体对地基的压力减小、沉降速度有所下降。
1.2 处理方法
　　对于大口径预应力混凝土管，若采用包角为90°～120°的混凝土管基础则比较可靠，但其造价较高、工期较长、施工难度较大，故采用碎石垫层基础来代替(见图l)，即根据不同管径和地基情况在基底先铺设200～300mm厚的碎石垫层，下管后再填90°包角的贴角碎石垫层，由于碎石垫层固结时间很短且其压缩模量远高于地基土，故在管体发生少量沉降时即可使管体包角达90°。此外，由于管体沉降时半肋以下S区回填土受到压缩，也相当于增大了基础包角，这样就满足了地基土处于超固结态的要求，减小了使用期的沉降量。

2　改进管口形式

　　GB 5695—94中规定，预应力混凝土管应采用配有O形胶圈的承插式接口，不同口径及压力等级管的承插口长度尺寸完全相同，仅环向直径及所采用的胶圈直径有所不同。同时还规定，DN800～1400的各压力等级管的相对允许转角为β=1°，相应的管口允许拔出量最大值为28mm。
2.1 改进依据
　　胶圈在承插口工作面之间受到挤压，当挤压力＞渗压力时胶圈能够起到止水作用。
　　在安装过程中胶圈的运动状态是只滚不滑，若此时胶圈未贴在止胶台上，则在内水压力Pa作用下胶圈处于开始滑动的临界状态。
?　　　Pa=2Pof/ha-μBf　　　(1)?
　　式中?Pa——胶圈在承插口工作面内开始滑动时的内水压力
?　　　　ha——压缩后胶圈中心线位置的承插口工作面间隙量
　　　　?Po——胶圈由安装前的直径压缩至ha的压缩力，可由胶圈压缩曲线查出
?　　　　μ——胶圈波桑比?
?　　　　f——胶圈与承插口工作面间的摩擦系数?
?　　　　B——胶圈与承插口工作面的接触宽度?
　　当管内水压力＞Pa时胶圈开始滑动，并贴到止胶台上，当管内水压达到Pb时则胶圈开始渗水。?
?　　　　　　　　　P_b＝2P_o/(h_a+B-2_μB)　　(2)?
　　式中?Pb——胶圈在承插口工作面内、胶圈开始渗水时的内水压力
　　在厂家试验机上进行的多次试验证实了式(1)、(2)的可靠性，例如一对DN1200的预应力管，若插口工作面负公差为1mm、承口工作面正公差为3mm、安装后胶圈压缩率为21.5%(正常条件下的压缩率为47.3%)，则用式(2)计算出的胶圈渗水压力理论值为Pb＝0.94MPa，在试压机上的实测值为1.0MPa，两者基本一致。?
　　对于DN1200的预应力混凝土管，在最大公差条件下，即承口工作面直径最大［(1386+3)mm］、插口工作面直径最小［(1352-2)mm］、胶圈最细［(26-0.6)mm］、胶圈压缩率仅为36.0%时，经计算其Pb值为2.95MPa，仍大于最高等级(即V级)管的抗裂压力(2.17MPa)，安全系数K=2.95/2.17＝1.36＞1.30，表明其使用是安全的。而对于天津地区所使用的最高级别的Ⅲ级管，要求的抗渗压力仅为1.2MPa，安全系数K=2.95/1.2=2.461.3，表明尚有潜力可挖。因此，在满足抗渗要求的前提下，可改进管口形式以提高管口允许拔出量。
2.2　改进方法
　　以DN1200管为例进行改进(见图2)。?

　　①承口外导坡长度
　　国标规定外导坡(AB)长度为50mm(见图2)，并且其平面为脱模后的粗糙面，改进后的外导坡(AE)长度仅为30mm且必须磨至光滑平整的程度。将其长度缩短是为了增加承口工作面长度，将其磨光也可起到延长工作面的作用。
　　②承口工作面长度
　　国标规定工作面(BC)长度为60mm且须磨至光滑平整。改进后工作面(EF)长度增至100mm，磨光要求不改变，这样增大了止水胶圈的工作范围。
　　③承口内倒坡形状
　　国标规定内倒坡(CD)为70mm高的圆台面，改进后则为比承口工作面直径小10mm的圆柱面，从而增加了承插口之间的相对转动余量。
　　④承口总深度
　　国标规定承口总深度为180mm，改进后增至190mm，从而增大了插口的允许压入量。
2.3　允许拔出量
　　下管前先设定标准安装状态，在止胶台前距离M点为60mm处沿管身画一道红线D(见图2)，管口安装并回弹后，红线D应与承口端面AA′对齐，此时止胶台前沿M点进入外导角E点的长度为30mm、承插口之间的轴向间隙量b＝30mm，该状态即为标准安装状态。当管口拔出量Δb=30mm时，止胶台前沿M与外导角E在同一垂直面内，胶圈状态与标准状态相同，管口满足抗渗要求；当管口拔出量Δb＝48mm时，压缩后的胶圈中心与外导角E在同一垂直面内，式(1)、(2)的理论计算和在试验机上的多次试验均说明此时仍能满足抗渗要求；当管口拔出量Δb＞48mm时，胶圈已不是在平行面中受压，式(1)、(2)已不适用，为此选择不同公差的管材多次在试验机上试验，结果表明在允许公差范围内，即拔出量Δb=56mm时仍可满足抗渗要求。经综合分析，采用Δb=52mm作为设计最大允许拔出值，该值比GB5695—94中规定的拔出量增大了24mm。?

3　工程实测

3.1　地基不均匀沉降
　　对预应力混凝土管地基的不均匀沉降量进行了测量，结果见表2。

表2　沉降量统计 项目 测量管口数量(个) 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
　　对开发区工程的管口拔出量进行了实测，即在每根管安装结束后(回填土前)均钻入管内实测上、下、左、右四个位置的管口轴向间隙量bl(见图2)，在荷载全部作用一段时间后，抽干管内水体，再钻入管内量测各相应的b2值，然后利用计算机统计出每根管四个位置的管口拔出量(Δb=b2-b1)。
　　在一期工程中共测量866个管口的3464个拔出量值，在二期工程潮白新河滩地段共实测3787个管口的15148个拔出量值(见图3)。?

　　由图3可知：①管口拔出量基本呈正态分布，地基较差者其分布曲线的均方差σ较大；②相当大比例的管口拔出量值并不大，如拔出量为-2～2mm的占42.42%，拔出量为-7～7mm的占79.71%；③有22处管口的拔出量＞28mm；④有12个管口拔出量＞30mm，其余99.94%的管口胶圈工作状态与标准状态完全相同；⑤最大管口拔出量为39mm，胶圈仍处在改进后的承口工作面之内，即使考虑到固结沉降尚未结束，其使用也是安全的。
　　《给水排水管道施工及验收规范》中规定，DN1400预应力混凝土管的水压试验允许渗水量为5L/(min·km)，而上述各段的渗水量平均值为1.2L/(min·km)，仅为规范允许值的24%。
　　该管线现已安全输水4年以上，从未发生过漏水事故。在引滦系统的7项水源管线工程中，开发区供水工程的地基条件相对最差且管径最大，故其安全性表明其他6项工程的运行也是可靠的。?

4　结语

　　采用对地基进行处理以及改进管口形式的方法，经济合理地解决了在软土地基上使用大口径、长距离预应力混凝土管的技术问题。天津市科学技术信息研究所对该项目的查新检索报告表明该技术处于国内领先水平。

　　电　　话：(022)23282174
　　收稿日期：2002-06-14