陳紅威，魏國楫
(天津市水利勘測設計院，天津300204)

　　摘　要：針對引灤系統內已建的7條水源管線的實際情況，對大口徑預應力混凝土輸水管在濱海軟土地基上應用的關鍵技術問題進行了分析和研究，并用大量的實測數據證實了其技術改進的可靠性。
　　關鍵詞：預應力混凝土管；軟土地基；輸水管材
　　中圖分類號：TU991.36
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)10-0087-03

　　自1983年引灤入津工程通水后，天津市在引灤系統內已建成7條水源管線，總長約為416km，主要管材皆采用DN500～1400的預應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《預應力混凝土輸水管(震動擠壓工藝)》，在不同的安裝位置分別采用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種等級的預應力混凝土管材。
　　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粘土與淤泥質粉質粘土，地質條件較差，其中開發區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，預應力混凝土管的最大優點是造價低(單位造價僅為鋼管的60%左右)，最大缺點是對軟土地基不均勻沉降的適應能力較差，其關鍵性技術問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經濟合理地處理地基以減小不均勻沉降量；②合理設計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
　　盡管預應力混凝土管的管體自重與管內水重之和小于被置換的土體質量，但由于管體和地基接觸面為弧形，在不同的基礎包角情況下，管體對地基接觸面的壓力(q₁)與原土體壓力(q₀)的比值有所不同，以YYG1400-Ⅱ級預應力混凝土管為例，當管頂覆土厚度為1.5m、地下水埋深為1.0m時不同基礎包角(α)下的q₁/q₀值不同(見表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GBJ 69—84，天然地基條件下的管體基礎包角 按20°計算；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完畢；②隨著基礎包角α值的增大則管體對地基的壓力相應減小；③當α=96.2°時q0與q1 相近，當α＞96.2°時則地基處于超固結狀態；④隨著管體沉降及地基變形的增大則α值增大，且管體對地基的壓力減小、沉降速度有所下降。
1.2 處理方法
　　對于大口徑預應力混凝土管，若采用包角為90°～120°的混凝土管基礎則比較可靠，但其造價較高、工期較長、施工難度較大，故采用碎石墊層基礎來代替(見圖l)，即根據不同管徑和地基情況在基底先鋪設200～300mm厚的碎石墊層，下管后再填90°包角的貼角碎石墊層，由于碎石墊層固結時間很短且其壓縮模量遠高于地基土，故在管體發生少量沉降時即可使管體包角達90°。此外，由于管體沉降時半肋以下S區回填土受到壓縮，也相當于增大了基礎包角，這樣就滿足了地基土處于超固結態的要求，減小了使用期的沉降量。

2　改進管口形式

　　GB 5695—94中規定，預應力混凝土管應采用配有O形膠圈的承插式接口，不同口徑及壓力等級管的承插口長度尺寸完全相同，僅環向直徑及所采用的膠圈直徑有所不同。同時還規定，DN800～1400的各壓力等級管的相對允許轉角為β=1°，相應的管口允許拔出量最大值為28mm。
2.1 改進依據
　　膠圈在承插口工作面之間受到擠壓，當擠壓力＞滲壓力時膠圈能夠起到止水作用。
　　在安裝過程中膠圈的運動狀態是只滾不滑，若此時膠圈未貼在止膠臺上，則在內水壓力Pa作用下膠圈處于開始滑動的臨界狀態。
?　　　Pa=2Pof/ha-μBf　　　(1)?
　　式中?Pa——膠圈在承插口工作面內開始滑動時的內水壓力
?　　　　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?
?　　　　B——膠圈與承插口工作面的接觸寬度?
　　當管內水壓力＞Pa時膠圈開始滑動，并貼到止膠臺上，當管內水壓達到Pb時則膠圈開始滲水。?
?　　　　　　　　　P_b＝2P_o/(h_a+B-2_μB)　　(2)?
　　式中?Pb——膠圈在承插口工作面內、膠圈開始滲水時的內水壓力
　　在廠家試驗機上進行的多次試驗證實了式(1)、(2)的可靠性，例如一對DN1200的預應力管，若插口工作面負公差為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)計算出的膠圈滲水壓力理論值為Pb＝0.94MPa，在試壓機上的實測值為1.0MPa，兩者基本一致。?
　　對于DN1200的預應力混凝土管，在最大公差條件下，即承口工作面直徑最大［(1386+3)mm］、插口工作面直徑最小［(1352-2)mm］、膠圈最細［(26-0.6)mm］、膠圈壓縮率僅為36.0%時，經計算其Pb值為2.95MPa，仍大于最高等級(即V級)管的抗裂壓力(2.17MPa)，安全系數K=2.95/2.17＝1.36＞1.30，表明其使用是安全的。而對于天津地區所使用的最高級別的Ⅲ級管，要求的抗滲壓力僅為1.2MPa，安全系數K=2.95/1.2=2.461.3，表明尚有潛力可挖。因此，在滿足抗滲要求的前提下，可改進管口形式以提高管口允許拔出量。
2.2　改進方法
　　以DN1200管為例進行改進(見圖2)。?

　　①承口外導坡長度
　　國標規定外導坡(AB)長度為50mm(見圖2)，并且其平面為脫模后的粗糙面，改進后的外導坡(AE)長度僅為30mm且必須磨至光滑平整的程度。將其長度縮短是為了增加承口工作面長度，將其磨光也可起到延長工作面的作用。
　　②承口工作面長度
　　國標規定工作面(BC)長度為60mm且須磨至光滑平整。改進后工作面(EF)長度增至100mm，磨光要求不改變，這樣增大了止水膠圈的工作范圍。
　　③承口內倒坡形狀
　　國標規定內倒坡(CD)為70mm高的圓臺面，改進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轉動余量。
　　④承口總深度
　　國標規定承口總深度為180mm，改進后增至190mm，從而增大了插口的允許壓入量。
2.3　允許拔出量
　　下管前先設定標準安裝狀態，在止膠臺前距離M點為60mm處沿管身畫一道紅線D(見圖2)，管口安裝并回彈后，紅線D應與承口端面AA′對齊，此時止膠臺前沿M點進入外導角E點的長度為30mm、承插口之間的軸向間隙量b＝30mm，該狀態即為標準安裝狀態。當管口拔出量Δb=30mm時，止膠臺前沿M與外導角E在同一垂直面內，膠圈狀態與標準狀態相同，管口滿足抗滲要求；當管口拔出量Δb＝48mm時，壓縮后的膠圈中心與外導角E在同一垂直面內，式(1)、(2)的理論計算和在試驗機上的多次試驗均說明此時仍能滿足抗滲要求；當管口拔出量Δb＞48mm時，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機上試驗，結果表明在允許公差范圍內，即拔出量Δb=56mm時仍可滿足抗滲要求。經綜合分析，采用Δb=52mm作為設計最大允許拔出值，該值比GB5695—94中規定的拔出量增大了24mm。?

3　工程實測

3.1　地基不均勻沉降
　　對預應力混凝土管地基的不均勻沉降量進行了測量，結果見表2。

表2　沉降量統計 項目 測量管口數量(個) 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
　　對開發區工程的管口拔出量進行了實測，即在每根管安裝結束后(回填土前)均鉆入管內實測上、下、左、右四個位置的管口軸向間隙量bl(見圖2)，在荷載全部作用一段時間后，抽干管內水體，再鉆入管內量測各相應的b2值，然后利用計算機統計出每根管四個位置的管口拔出量(Δb=b2-b1)。
　　在一期工程中共測量866個管口的3464個拔出量值，在二期工程潮白新河灘地段共實測3787個管口的15148個拔出量值(見圖3)。?

　　由圖3可知：①管口拔出量基本呈正態分布，地基較差者其分布曲線的均方差σ較大；②相當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個管口拔出量＞30mm，其余99.94%的管口膠圈工作狀態與標準狀態完全相同；⑤最大管口拔出量為39mm，膠圈仍處在改進后的承口工作面之內，即使考慮到固結沉降尚未結束，其使用也是安全的。
　　《給水排水管道施工及驗收規范》中規定，DN1400預應力混凝土管的水壓試驗允許滲水量為5L/(min·km)，而上述各段的滲水量平均值為1.2L/(min·km)，僅為規范允許值的24%。
　　該管線現已安全輸水4年以上，從未發生過漏水事故。在引灤系統的7項水源管線工程中，開發區供水工程的地基條件相對最差且管徑最大，故其安全性表明其他6項工程的運行也是可靠的。?

4　結語

　　采用對地基進行處理以及改進管口形式的方法，經濟合理地解決了在軟土地基上使用大口徑、長距離預應力混凝土管的技術問題。天津市科學技術信息研究所對該項目的查新檢索報告表明該技術處于國內領先水平。

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