何江，劉聽移
(廣州市自來水工程公司，廣東廣州510160)

　　摘　要：通過兩個工程實例，針對在飽和淤泥類土質(zhì)條件下管道施工的溝槽支護整體失穩(wěn)和基底隆起現(xiàn)象，分析了其成因并介紹了相應的施工措施和處理辦法。
　　關鍵詞：支護；淤泥類土；抗剪強度
　　中圖分類號：TU991.36
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)12-0079-03

　　在室外管道施工中，直槽開挖是一種常見的開挖方式。但是當溝槽土質(zhì)較差、開挖深度較大時，易出現(xiàn)槽壁失穩(wěn)現(xiàn)象，引發(fā)塌方、滑坡等影響施工甚至威脅人身安全的事故，因此必須對溝槽兩側(cè)進行有效支護，加固兩側(cè)槽壁土的穩(wěn)定性。常用的支護形式有撐板支護、鋼板樁支護等。
　　在濱湖相、濱海相等地區(qū)進行直槽開挖時，經(jīng)常遇到飽和淤泥類土(包括淤泥和淤泥質(zhì)土)，這類土屬于軟弱土，力學性能差，主要力學特征為：①天然含水量大于液限；②孔隙比e＞1，且變化幅度大；③壓縮性高，壓縮性系數(shù)a1-2=0.7～1.5MPa^-1；④抗剪強度低且變化幅度大，為1.0～2.7；⑤透水性差；⑥具有顯著的結(jié)構(gòu)性，靈敏度達4～10。由于淤泥類土具有一定連結(jié)作用，在未受到擾動時常處于軟塑狀態(tài)，有一定的結(jié)構(gòu)性。但一經(jīng)開挖擾動，其結(jié)構(gòu)就會被完全破壞，呈現(xiàn)流動狀態(tài)，類似于“芝麻糊”狀，從而導致溝槽失穩(wěn)、基底隆起，引發(fā)安全事故或返工，造成較大經(jīng)濟損失。因此，預先做好溝槽支護對施工安全及成本控制等具有極為重要的意義。

1　溝槽支護整體失穩(wěn)現(xiàn)象

　　某市DN2400原水輸水管道工程的管頂覆土厚度為1.0m，施工環(huán)境為農(nóng)田，淤泥質(zhì)土，開挖時余泥堆于溝槽兩側(cè)。溝槽支護采用鋼制半圓形護管(其作用同鋼板樁)，橫向支撐采用槽鋼，與護管焊接為一體。當開挖安裝第一條鋼管時，溝槽支護突然出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象，槽鋼端焊接被拉斷，護管被擠壓傾斜，槽底土及鋼管被頂起，如圖1所示。

　　按照設計規(guī)范，給水管道管頂覆土厚度通常不小于0.7m，一般為0.8～1.2m，開挖深度相對較淺，施工時只能在管頂上設置一道橫向支撐(一般采用方木、鋼制撐桿、工字型鋼等)，它只承受壓力，不承受拉力。
　　有時為了加強支護結(jié)構(gòu)的整體性，通常將橫向支撐、橫梁與兩側(cè)鋼板樁焊接起來，使其拉結(jié)牢固。當支護結(jié)構(gòu)發(fā)生整體滑動時，撐杠的抗拉能力很小，在桿端處會被拉脫或剪斷，因此可完全忽略由撐杠的豎向剪力所產(chǎn)生的抵抗力矩。
　　此時的支護體系為懸臂式支護結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性主要與樁身入土部分的長度、基底土的抗剪強度、施工動荷載、堆土荷載等有關。由于安裝鋼管口徑大，開挖一般較深，故護管打設土層的深度有限(護管長度通常為5m)。而此時的地基土為軟弱淤泥質(zhì)土，強度很低，所以當溝槽兩側(cè)堆土較多時將對支護產(chǎn)生較大側(cè)壓力，土壓力過大，支護結(jié)構(gòu)就會發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象。
　　因此，在給水管道工程中需要對支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進行詳細分析。其計算方法是圓弧滑動法，通過對各溝槽兩側(cè)分割的土條進行具體分析，得出其整體穩(wěn)定安全系數(shù)值。
　　支護整體穩(wěn)定安全系數(shù)K需滿足下式：?
　　　?K=［∑Ci·Li+∑(qi·bi+Wi)·cosa i·tgφi］／［∑(qi·bi+Wi)·sina_i］≥1.25　　　　(1)?
　　式中?Ci——第i條土條滑動面上的粘聚力，kPa
?　　　　Li——第i條土條的弧長，m?
?　　　　qi——第i條土條頂面的作用荷載，kPa
?　　　　bi——第i條土條的寬度，m?
?　　　　Wi——第i條土條自重，kN，不計滲透力時，坑底地下水位以上取天然重度計算；計滲透力時，在計算滑動力矩時取飽和重度，在計算抗滑力矩時取浮重度
?　　　　ai——第i條滑弧中點的切線與水平線的夾角
?　　　　φi——第i條土條內(nèi)摩擦角
　　由式(1)可知，提高支護整體穩(wěn)定安全系數(shù)K值的可行方法是減小頂面荷載qi值和土條自重Wi值。故當實例工程發(fā)生溝槽支護整體失穩(wěn)后，結(jié)合實際情況采取了以下處理措施：
　　①將開挖的泥土外運，遠離溝槽，以減小臨時堆土分布荷載qi值。
　　②溝槽支護外側(cè)土適當降坡以減輕土條自重Wi值。
　　③管道安裝完畢應及時回填以防止空槽時間過長，淤泥蠕變破壞而導致溝槽支護失穩(wěn)。
　　一般排水管道埋設較深，溝槽支護時設置多層橫向支撐，屬于多點支護結(jié)構(gòu)。只要支護及橫向支撐選擇合理并具有足夠的強度和剛度，那么支護結(jié)構(gòu)就不會發(fā)生整體穩(wěn)定破壞，因此無需作支護整體穩(wěn)定性的驗算。

2　溝槽基底隆起現(xiàn)象

　　當排水管道埋設較深時，如基底剛好處于淤泥等軟弱土層，那么隨著溝槽深度增大，作用在支護外側(cè)水平面上的荷載也相應增大。當外側(cè)水平面底部軟弱土的承載力不足、上部土體質(zhì)量超過其承載力時，將導致支護外側(cè)土體流動而發(fā)生槽底軟土隆起現(xiàn)象，造成返工。因此，溝槽支護時需驗算槽底軟弱土的承載力。
　　在給水管道工程中，埋設深度一般較淺，基底隆起現(xiàn)象相對較少。但是，當管徑大、開挖較深、槽側(cè)堆土較多且基底淤泥抗剪強度低、含水量過大、淤泥結(jié)構(gòu)完全破壞時，同樣會發(fā)生溝槽基底隆起現(xiàn)象，破壞槽底基礎，此時也需要驗算槽底軟弱土的承載力。
　　在某市DN1200輸水管道工程中，管頂覆土厚度為1.0m。施工環(huán)境是農(nóng)田，土質(zhì)為淤泥并夾有沙層，含水量極大。淤泥結(jié)構(gòu)完全被坡壞，呈流動狀態(tài)，且施工期處于雨季。開挖余泥堆于溝槽一側(cè)，溝槽支護采用鋼制半圓形護管。施工至0+944里程時，出現(xiàn)溝槽基底隆起現(xiàn)象，淤泥淹沒焊接工作位，致使無法施焊。
　　采用圖2所示的滑動模式進行基底抗隆起穩(wěn)定性分析。

　　假設此時溝槽開挖深度為H，溝槽一側(cè)地面有臨時堆土，其分布荷載大小為q，槽底隆起時支護不發(fā)生移動。
　　以O點為圓心，以OB為半徑作圓，與槽底水平線相交于A和C點。再由C點作垂直線交地面線于D點。假設滑動面為ABCD，土體OCDE將下滑。此時在滑動面CD上有抗剪力，大小為C₁H(C1為土的抗剪強度)。那么槽底外平面OC段上有壓應力為：
?　　　　　PV=q+γ·H?　　　　　　(2)?
　　式中?q——溝槽側(cè)地面臨時堆土的分布荷載大小，kPa
?　　　　γ——各層土的重度(地下水位以下取浮重度)，kN/m³
?　　　　H——各層土的厚度，m
　　滑動驗算時以O點為矩心。兩個扇形土體OBA與OBC左右對稱，其土體質(zhì)量對于O點的力矩大小相等、方向相反，故作用效果抵消。而在滑動面ABC圓弧上還作用有抗剪力，大小為C₂πOB。此時，整個土體的抗滑安全系數(shù)K為：
　　K=[(C₁HOB+C₂πOB²)]／(1/2)(q+γ·H)OB²?=2(C₁H+C₂πOB)／(q+γ·H)OB　　　(3)?
　　式中?C₁H——各層土的抗剪強度與其厚度的乘積之和
?　　　　C₂πOB——各層土的抗剪強度與其弧長的乘積之和
　　當安全系數(shù)K≥1.2時，不會發(fā)生溝槽基底隆起的現(xiàn)象，而當K＜1.2時則會發(fā)生溝槽基底隆起。由式(3)可知，要提高整個土體的抗滑動安全系數(shù)K值，可行的方法是：①減小q值和H值以提高抗滑動安全系數(shù)K值；②增大OB值至大于溝槽寬度B，以切斷滑動面，防止基底隆起。
　　當實例工程發(fā)生溝槽支護整體失穩(wěn)后，結(jié)合實際情況采取了以下處理措施：
　　①增加一臺挖掘機，將余泥及時清散以減小臨時堆土分布荷載q值以適當降坡減小H值以提高抗滑安全系數(shù)K值。
　　②兩臺挖掘機同時作用打設護管，增大護管入土深度OB，切斷滑動面。
　　③針對淤泥淹沒焊接工作位的情況，制作并使用“底焊焊接專用護艇”，確保有效的工作空間。
　　④管道安裝完畢應及時回填以防止因空槽時間過長而導致淤泥結(jié)構(gòu)蠕變發(fā)生基底隆起。

3　結(jié)語

　　在兩項工程實例中，針對溝槽失穩(wěn)、隆起現(xiàn)象進行了認真的計算分析并采取了相應的處理措施，取得了良好效果，避免了再次發(fā)生失穩(wěn)、隆起現(xiàn)象，減少了經(jīng)濟損失。在直槽開挖安裝管道時，應預先對管線的地質(zhì)資料進行研究并對溝槽各層土進行系統(tǒng)分析和計算以合理評估其受力狀況，為選擇一種經(jīng)濟、合理的支護結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。與此同時，施工時還要采取相應的事故預防措施，關鍵是減輕土壓、深入打樁。

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　　收稿日期：2002-06-03