PVC,管桩在既有地下管线保护中的应用

王贤

中铁建设集团中南建设有限公司，湖北 武汉 430080

工程建设中的施工作业活动对地面产生荷载作用，会造成地基的沉降。地基土体的沉降作用使既有地下管线承受附加应力和推力，从而造成管线的变形和位移，进而引发管线的错位甚至破裂［1］。这将导致管线无法发挥正常使用功能，严重影响相关设施的运行。此外，地下管线的修复困难，在修复过程中可能导致严重的交通堵塞问题，进一步造成社会经济损失。因此，对该问题的解决方案进行研究至关重要。

采取措施对地基进行加固处理，可以很大程度提高地基的整体刚度，从而减弱地面荷载对既有地下管线的影响，起到对管线的保护作用。目前比较常见的是将混凝土桩沉入地基中，以达到加固地基的目的，因此近年来许多学者从事混凝土桩复合地基的研究。于伟刚等根据实际工程案例详细阐述了CFG 桩复合地基的设计、施工和应用效果［2］。马秉务及戚英杰等采用有限元方法分析了CFG 桩复合地基的力学性状［3-4］。张振等对劲芯水泥土桩承载路堤的桩体破坏形式进行了试验和数值模拟分析［5］。郑刚等采用现场单桩静载试验方法研究了超长水泥搅拌桩复合地基的承载力影响因素［6］。冯震等对轴向荷载作用下CFG 桩的水平位移和附加弯矩进行了试验研究［7］。叶观宝等针对加芯水泥土桩复合地基提出了一种桩土应力比的实用计算方法［8］。

然而临时性的地基加固若采用CFG 桩，成本较高，施工工期比较长。文章提出了一种使用PVC管作为桩体对地基进行加固的方案。PVC 管价格便宜，施工快捷，应用于临时性地基加固中可以产生很好的经济效益。此外，采用数值模拟方法对PVC管桩复合地基进行计算分析，并通过与天然地基的计算结果对比，验证了该方案的有效性。

以江西南城工业园区污水处理厂出水提标技术改造项目中污泥脱水间脱水机吊装为例，由于场地狭小，而且场地地下布满了进出水管道，其吊装不得不占用道路边的绿化地。绿化地由于管道的安装，多为未经处理的松软回填土，吊装过程中极易出现吊车倾斜和因为重载影响地下管道的情况。传统的地基处理方法工期长、费用高，为解决实际工程的需求，本文提出了采用塑料管桩进行地基处理的思路。如图1 所示，由于工程建设，起重机需在预埋有地下管线的回填土地基上进行作业。起重机作业时产生的荷载作用使回填土地基产生沉降，可能导致埋置于其中的既有地下管线发生变形甚至破裂。为了保护既有地下管线，该回填土地基需要进行有效的加固处理。该工程地基上层土为普通回填土，厚度为3 m，下层土为砂质粉土。

图1 工程案例情况

考虑到经济效益，拟采用PVC 管代替传统的混凝土桩来对地基进行加固处理，采用正方形布桩模式，桩径0.6 m，桩间距2.4 m，桩长10 m。为了方便起重机作业，使桩体共同受力，桩顶部放置承压钢板。该地基加固方案是否对既有地下管线起到有效的保护作用需要进一步计算分析。

为了分析PVC 管桩加固地基的效果，采用了ABAQUS 有限元商业软件，这个软件具有丰富的材料本构模型和单元模型，计算效率高，计算能力强大，能够很好地适应一般非线性问题的求解。其包含许多功能模块，在求解岩土工程相关问题上表现出优异的能力，被广泛地用于各种实际岩土工程的分析。

3.1 模型建立

如图2 所示，承压钢板厚度为0.04 m，水平宽度均为14.4 m。为了减小边界条件对计算结果的影响，模型侧面边界取承压钢板外12.8 m，大于20 倍桩径，深度取2 倍桩长。故整个模型的水平宽度均为40 m，深度为20 m。地下圆形管线直径为0.6 m，中心位于地面以下4.2 m 处。

图2 模型

外部荷载主要由起重机作业产生，起重机自重和最大起重分别为31.5 t 和30 t，起重机占地面积为4.55×4.85 m2。根据实际工程情况，同时考虑最不利荷载，该模型中部竖向均布荷载取30 kPa，作用面积取4.8×4.8 m2。此外模型还考虑了PVC 管桩、承压钢板、土体和管线的重力作用。该模型约束了四侧面的法向位移，并在底面采用全约束，同时考虑桩体和土体的相互接触。

该模型的桩、土和线均采用八节点实体单元，承压板采用四节点壳单元。由于管内土体存在，根据刚度等效，PVC 空心管桩被等效为各向均匀的实心圆桩，此外管线也被简化建模为与空心水管等刚度的实心圆管。PVC 管桩、承压钢板和管线采用线弹性本构模型，土体假定为理想的弹塑性体，采用Mohr-Coulomb 模型进行模拟，模型各部分材料参数如表1 所示。

表1 模型各部分材料参数

3.2 计算结果与分析

在外部荷载作用下，既有地下管线由于地基的沉降和水平挤压会产生变形，过大的变形会造成管线的接头拉开、管道开裂等。地面过大的沉降会影响吊车的正常工作甚至造成事故。因此本文的模拟主要计算外载作用下PVC 管桩复合地基的整体沉降和既有地下管线的位移与应力，同时对相同荷载条件下天然地基模型进行计算分析，以探究PVC管桩在加固地基和保护地下管线中的作用。为了便于比较，本文对有桩和无桩两种情况下的地基表面中线路径和地下管线表面轴向路径上的结果进行对比分析。

3.2.1 地基整体沉降对比分析

天然地基和加固后地基这两种情况下的地基表面沉降对比如图3 所示。从图中可以看出：在两种情况下，荷载作用中心均发生最大沉降，这符合外部荷载作用在地基中部的实际情况；
使用PVC管对地基进行加固处理情况下的地基沉降均小于天然地基情况下的地基沉降，在出现最大沉降的地基中心处减小了42.83%，说明使用PVC 管桩同样能够有效提高地基的整体刚度，达到加固地基的效果。PVC 管桩的刚度没有混凝土桩的刚度大，地基变形的改善达不到混凝土桩的效果，但能够满足现场吊装的要求。

图3 两种情况下的地基整体沉降对比

3.2.2 既有地下管线的变形对比分析

两种情况下的既有地下管线各方向上的位移对比如图4 和图5 所示，由于沿着x轴方向（沿着管线轴线方向）的水平位移几乎为零，故在此不再讨论。从图4 可以看出：两种情况下的既有地下管线沿着y轴方向（垂直于管线轴线方向）的水平位移呈现反对称分布，说明管线并未发生明显的水平刚体位移；
与未加固地基情况下的计算结果相比，使用PVC 管对地基进行加固有效减小了既有地下管线的水平变形，最大水平变形减小了29.48%。管道的水平位移不会影响管道的正常工作。从图5 可以看出：在两种情况下，既有管线的竖向位移在中部均出现最大值；
使用PVC 管对地基进行加固处理情况下的既有地下管线竖向位移均小于未加固地基情况下的既有地下管线竖向位移，在出现最大竖向位移的管线中部减小了19.43%。结果表明，以PVC 管作为桩体对地基进行加固处理能够有效减小既有地下管线的变形，保证管道的正常使用，对既有地下管线起到很好的保护作用。

图4 地下管线沿y 轴方向的水平位移对比

图5 地下管线的竖向位移对比

3.2.3 地下管线的应力对比分析

两种情况下既有地下管线的各个方向应力对比如图6、 图7 和图8 所示。从图中可以看出：x轴方向上的应力相较于其他两个方向上的应力很小；
在两种情况下，既有地下管线的y轴方向上和z轴方向上的应力分布均呈现对称分布，这与其变形特征相对应；
使用PVC 管对地基进行加固处理情况下的既有地下管线沿着y轴和z轴方向的应力结果均小于未加固地基情况下的应力结果，两个方向上的最大应力值分别减小了10.51%和7.11%。结果表明，使用PVC管作为桩体对地基进行加固处理的手段有效减小了既有地下管线的应力，对管线起到保护作用。

图6 地下管线在x 轴方向上的应力对比

图7 地下管线在y 轴方向上的应力对比

图8 地下管线在z 轴方向上的应力对比

根据实际工程设备吊装的需要，为保护预埋于回填土地基中的地下管线，提出了一种采用PVC管作为桩体对地基进行加固的处理方案，采用数值模拟的方法分析了荷载作用下PVC 管桩复合地基的整体沉降和既有管线的位移与应力状态，并与相同条件下天然地基模型的计算结果进行比较，得到如下结论。

（1）相同荷载条件下，PVC 管桩复合地基的地面沉降较天然地基小得多，因此该地基加固处理方案能够有效提高地基的整体刚度，使吊装过程不会受地基沉降的影响。

（2）与天然地基相比，PVC 管桩复合地基的既有地下管线的变形明显减小，从而使管线不会出现变形过大造成的破坏，对地下管线起到很好的保护效果。

（3）与天然地基相比，PVC 管桩复合地基的既有地下管线的应力在管道轴向方向略有增加，而在其他方向有所减小，但是总的应力值不大。因此该地基加固方案能够有效减弱管线受到的各个方向的附加应力，可以起到保护地下管线的效果。

（4）文章提出的PVC 管桩地基加固方案能够有效地解决回填土地基中既有地下管线保护的实际工程问题，相较于采用传统的复合地基，经济效应明显，在今后临时性地基加固工程中具有一定的参考价值。

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