摘要：本文对水泥搅拌桩加固地基原理及优点进行了论述，针对具体工程南方某高速公路改扩建项目采用水泥搅拌桩减弱填筑路基对毗邻的引水管线的影响进行了数值模拟分析，得到本项目切实可行的引水管线保护方案，并提供了有限元计算的一般模型，为解决此类问题提供了参考。
关键词：管线保护，水泥搅拌桩，公路对管线的影响
1.工程概况
随着经济的发展，交通设施改扩建工程越来越多，受用地、房屋拆迁限制等，城市及城市周边道路的新建及改建项目与城市既有地下管线的临近、占压或者交叉的现象越来越多，而地下管线尤其是大型输水干线，征拆费费用高、征拆难度大且和人民的生产生活密切相关且，如何减弱道路施工对毗邻的引水管线的影响，对既有管线进行原位保护以避免拆迁成为了许多工程亟需解决的关键问题。
南方某市一环城公路拟改造为封闭式的高速公路，改造后为双向八车道，路基宽度42m，设计速度为100公里/小时。引水管线位于该环城公路南侧，多处存在临近或交叉情况。该饮水管线为一大型民生引水管线工程。包括2条直径为3.6米、单管长46.5公里的原水主干管，以及共计23.8公里的原水支管，以“全密封”的方式输送到多家水厂。该工程事关600多万市民的饮水问题，因此通过采取工程措施减小道路施工对饮水管线的影响，避免管线拆迁改移意义重大。
本项目公路路基边线与该引水管线临近的路段，最大距离为9.7m，最小距离为2.6m。路基最大填土高度1.35m，对应与管线最小净距2.9m，引水管线上方覆土厚度2m。
为避免路基施工及地基处理施工对西江引水管线的影响，施工路基前拟对距离路基占地线不大于5m的西江引水管线进行保护，增加支护措施。支护水泥搅拌桩径采用50cm，针对不同段落填土高度、地层分布而不同设置桩长、排数等。
图1 公路与饮水管线位置示意图
2.水泥搅拌桩加固地基原理
水泥搅拌桩采用水泥作为主固化剂，是地基处理的的一种有效形式，通过特制的深层搅拌桩施工机械，在地基深处将水泥喷入土体并充分搅拌，地基土与水泥发生物理化学反应，硬化后整体性、水稳定性和强度得到提高，增大其变形模量。
水泥搅拌桩处理地基的方案适用范围较广，包括正常固结的淤泥与淤泥质土、饱和黄土、粘性土、粉土、素填土以及饱和松散砂土等。根据施工搅拌轴数的数量可以分为单轴搅拌法、双轴搅拌法和三轴搅拌法等。根据搅拌施工方法的不同，水泥土深层搅拌法可分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种，即通常所说的粉喷桩和浆喷桩。其中，粉喷桩的加固深度不宜大于15m，浆喷桩的加固深度不宜大于20m。
水泥搅拌桩加固地基具有以下优点：
（1）水泥与地基土经搅拌机拌和，最大限度地利用了地基土，避免了换填、弃土造成的环境影响。
（2）水泥土的重度比天然软土重度增加0.5%~3%，加固后的地基土重度基本不变，对于有软弱下卧层的段落，不会产生附加沉降。
（3）水泥与地基土拌和时，地基土不会侧向挤出，对饮水管线影响小。
（4）水泥搅拌桩的施工振动小，污染小，声噪小，适合在市区内施工。
（5）与钢筋混凝土桩或钢管桩等其他加固地基的方法相比，水泥搅拌桩成本较低。
3.计算方法及模型
为保证本项目施工期间的引水管线安全，本报告利用大型有限元软件MIDAS/GTSNX重点对K11+600～K13+500段路基填筑施工所引起的引水管线附近地表沉降及水平、竖直的位移进行了计算和有限元的分析。
选取本项目K12+600断面作为典型断面进行计算。断面基本信息如下：道路中心填土高度4.3m，左侧路肩填土高度3.2m，右侧路肩填土高度4.3m。
3.1基本假定
（1）地层材料采用莫尔-库仑准则计算；
（2）假定地基土体各向同性；
（3）假定材料均为弹塑性材料。
3.2数值模型计算参数
3.2.1数值模型
（1）典型无保护措施含输水管的路基横断面网格模型：
（2）典型双排桩含输水管的路基横断面网格模型：
3.2.2边界条件
边界条件为：（1）左右两边为非透水边界，限定其水平方向位移只产生数值沉降；（2）模型底部为无水流过的不透水层，无位移边界；（3）顶面为自由位移边界，水头为零的透水边界。
3.2.3岩土层分布及其物理力学性质
经钻探揭露，工程地质综合剖面共分主层5层，依次是：1人工填土层、2淤泥质土、3粉质黏土层、4粉细砂层、5中粗砂层。
引水工程主管使用PCCP（预应力钢筒混凝土管），每节5米长，外壁30厘米厚。
此次计算模型中各个岩层的参数取值见表1：
表1计算模型岩层参数表
3.3计算工况
本文拟根据各个工点不同地质状况、路堤高度及与输水管线的距离、是否设置水泥土搅拌桩等不同工况组合进行计算，得到管线周边土体位移计算云图。
图2 管线周围土体位移云图
4.不同工况下有限元计算结果及其分析
4.1有限元计算结果
通过对14个工工况组合进行建模分析，在新建路基所增加的荷载作用下，管线周边土体位移有限元计算结果见表2。
表2计算结果汇总表
4.2结果分析
图三 管线四周土体水平位移对比图
（1）在无水泥搅拌桩作用时，水平位移与竖直位移受距离、淤泥质土软弱层厚度及路基填土高度影响。并且在三个受影响参数中，路基高度的影响因素尤为突出。
（2）位于路侧的西江引水管线水平方向位移普遍大于竖直方向位移。
（3）在双排水泥搅拌桩加固后，各种工况下的管线周边土体位移均有减小，说明水泥搅拌桩的实施能切实起到保护既有引水管线的作用。水泥搅拌桩设置前后的水平方向位移如图所示，水平方向最大位移明显减小。
5.结论
通过对项目工程概况的介绍、水泥土加固桩加固原理的分析、以及采用有限元计算结果的分析算得到以下结论：
（1）本公路项目临近的饮水管线为大型民生工程，应尽可能的采取措施避免对该管钱的拆迁改移，减少对当地生产、生活的影响。
（2）水泥搅拌桩具有提高路基强度、附加沉降小，环境影响小，成本低等优点，适于用于本项目的专项加固方案。
（3）通过有限元数值模拟分析得到，地基土位移受路基高度的影响因素较大，水平方向位移普遍大于竖直方向位移，采用双排水泥土搅拌桩加固后能切实起到保护既有管线的作用。
（4）通过以上分析得到本项目切实可行的引水管线保护专项方案，并提供了有限元计算的一般模型，利用该方法模型可计算不同填土高度、地层分布、桩长、排数等地基土位移结果，对整个项目乃至其他类似工程项目具有借鉴意义。
参考文献：
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论文作者:侯炳晖,王福泉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：管线论文; 地基论文; 水泥论文; 位移论文; 路基论文; 模型论文; 高度论文; 《基层建设》2019年第14期论文;