李 陽(yáng)，劉 魁，楊博文，姚 淼

(信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

1 概述

該黃土填方場(chǎng)地位于高陵區(qū)，渭河左岸，渭河北塬南側(cè)，隨著場(chǎng)地建設(shè)，由北向南平山造地形成場(chǎng)地南側(cè)高填方區(qū)域，管溝在填方區(qū)布設(shè)過(guò)程中受填方土體不均勻沉降影響，發(fā)生了張拉、剪切或者共生破壞，成為難以解決的工程問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外在管道試驗(yàn)研究方面成果豐碩，王曉霖等[1]對(duì)開(kāi)采沉陷區(qū)埋地管道進(jìn)行了力學(xué)分析，提出沉陷區(qū)埋地管道最大應(yīng)力與應(yīng)變的簡(jiǎn)化判定公式。李順群[2]推導(dǎo)了復(fù)雜條件下Winkler地基梁公式。馮啟民[3]公式推導(dǎo)了沉陷作用下管道破壞的判別公式。劉全林[4]分析計(jì)算了地埋管道與土體相互作用平面之間的關(guān)系。梁建文[5]給出在動(dòng)荷載作用下地埋鋼管的受力與變形情況。孫書(shū)偉等[6]研究了黃土地區(qū)填土邊坡滑坡對(duì)管道的影響。顧安全[7]對(duì)上埋式管道垂直土壓力進(jìn)行了分析。此外,周敏[8]、尚爾京[9]、王峰會(huì)[10]等，探討了地層坍塌引起的管道變形。Li L，Charles H. Trautmann等[11]應(yīng)用離心模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法研究了埋管在上、下沉和水平側(cè)動(dòng)時(shí)用于管道上的土壓力及其分布。Itzhak Shmulevich等[12]利用大土箱對(duì)柔性管和剛性管所受的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)定。Kenneth J. Nyman[13]研究了埋管軸向變形與軸向作用力之間的關(guān)系。Abhijit. Dasgupta等[14]在對(duì)箱型下水管的大比例模型試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，由于管土的相互作用使得作用于管道周?chē)耐翂毫陀趥鹘y(tǒng)理論的計(jì)算值。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬法逐漸被國(guó)內(nèi)外學(xué)者重視與認(rèn)可，在管道破壞分析方面，周學(xué)深等[15]利用ABAQUS軟件分析了天然氣管道通過(guò)高填方場(chǎng)地道路區(qū)因不均勻沉降引起的應(yīng)力變化情況。鄧雪昌等[16]利用3DEC對(duì)高速下落巖體沖擊地面、引起埋地管道動(dòng)力響應(yīng)的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。吳韶艷等[17]利用FLAC 3D分析了采空區(qū)埋地管道變形規(guī)律。國(guó)外Davis P[18]，Amirat A[19]，DELeon D[20],Kale A[21]等應(yīng)用數(shù)值分析對(duì)不均勻土作用、地層不均勻沉降等進(jìn)行了模擬計(jì)算。

前人的研究成果主要從試驗(yàn)、模擬方面對(duì)地埋管道變形進(jìn)行了研究，本文依托具體填方變形場(chǎng)地管溝變形破壞實(shí)例，將現(xiàn)場(chǎng)勘查、測(cè)試分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)比分析了填方區(qū)大尺寸管溝變形破壞原因，從現(xiàn)場(chǎng)管道破壞的本質(zhì)出發(fā)，對(duì)填方區(qū)變形引起的管道破壞機(jī)理進(jìn)行了完善。

2 填方場(chǎng)地管溝破壞工程背景

本文選取了某典型填方區(qū)管溝破壞實(shí)例，根據(jù)填方場(chǎng)地的工程地質(zhì)特征，對(duì)變形區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探取樣工作，通過(guò)室內(nèi)土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)獲得了相應(yīng)巖土參數(shù)。

變形區(qū)位于渭河河堤北側(cè)塬邊，地貌單元屬低級(jí)殘留黃土塬(粉質(zhì)黏土①)，河堤部分原地貌為河岸 Ⅰ 級(jí)階地(粉質(zhì)黏土②)，黃土塬與 Ⅰ 級(jí)階地局部夾雜了一層軟弱下臥層。7 a前黃土塬由北向南平山造地，將挖方土體填筑于 Ⅰ 級(jí)階地與軟弱層上方，經(jīng)人工夯實(shí)，并在填筑體邊緣砌筑了磚構(gòu)擋土墻，形成現(xiàn)有邊坡。坡頂標(biāo)高(378.26 m～379.58 m)，坡底標(biāo)高371.12 m，如圖1所示。別墅位于挖方邊緣，距地貌單元分界線(xiàn)3 m左右，別墅南側(cè)填方區(qū)修筑了道路與C30混凝土管溝，管溝位于道路北側(cè)，別墅南側(cè)，埋深約1.2 m，距地貌單元分界線(xiàn)2.5 m左右。地下水為松散巖類(lèi)孔隙水，水位線(xiàn)位于該軟弱下臥層內(nèi)。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，別墅南側(cè)土體發(fā)生不均勻沉降，見(jiàn)圖1，別墅南側(cè)地表沿東、西方向出現(xiàn)多條單獨(dú)裂隙，見(jiàn)圖2(a)。隨后裂隙不斷擴(kuò)張、貫通，形成大范圍張拉裂縫，最大裂縫出現(xiàn)在人工填土與原狀土交界的地貌單元分界線(xiàn)處，縫寬20 cm左右，深度超過(guò)2 m。另外，擋墻與人工填土間也出現(xiàn)寬約10 cm的裂縫，導(dǎo)致管溝發(fā)生嚴(yán)重變形，中部發(fā)生斷裂，如圖2(b)所示。

同時(shí)，土層沿河床走向發(fā)生了不均勻沉降。將變形區(qū)管道開(kāi)挖后，可直觀(guān)地看到(見(jiàn)圖2(c)，圖2(d))，管溝中部出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)與不均勻沉陷，引起管溝底部和兩側(cè)開(kāi)裂，管溝彎曲變形發(fā)生剪斷破壞致使管溝內(nèi)管道破裂，并引起管道滲漏，填筑土受到滲水浸泡，加劇土體發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致管溝破壞區(qū)上方花園擋墻處出現(xiàn)裂縫，同時(shí)致使管溝破壞區(qū)附近地表出現(xiàn)失陷坑。

3 填方場(chǎng)地穩(wěn)定性分析

3.1 建立模型

地埋管溝埋置于土體內(nèi)部，與土體相互作用，土體變形是導(dǎo)致管溝破壞的主要原因，因此研究填方場(chǎng)地的受力與變形狀況對(duì)分析管道破壞機(jī)理具有重要意義。研究區(qū)原始直立邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，填方區(qū)與黃土塬良好接觸(見(jiàn)圖1)，填方區(qū)最大填方高度超過(guò)15 m。為了解填方后邊坡地基變形特征及其變形發(fā)展規(guī)律，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查所取得的數(shù)據(jù)，利用Midas/GTS數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析填方區(qū)地基土與管溝受力變形特性。

由圣維南原理確定出變形區(qū)影響范圍大致為變形區(qū)的3倍，利用軟件建立了現(xiàn)場(chǎng)1∶1單元模型，真實(shí)還原了變形區(qū)各地層與結(jié)構(gòu)物的物理力學(xué)關(guān)系。計(jì)算模型選用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，土層與結(jié)構(gòu)選用實(shí)體單元，交界面選用接觸單元，模型底部邊界鉸支、四周邊界滑動(dòng)支撐。根據(jù)表1土與混凝土物理力學(xué)參數(shù)賦值，所建模型見(jiàn)圖3。

表1 土與混凝土物理力學(xué)參數(shù)

3.2 填方地基變形規(guī)律

黃土塬(粉質(zhì)黏土)與人工填土(素填土、雜填土)物理力學(xué)性質(zhì)差異明顯，在上部別墅荷載(按30 kPa考慮)與土體自身重力作用下，填方地基發(fā)生了不同程度的變形。

圖4為填方場(chǎng)地地基變形云圖，從圖4中可以看出，黃土塬和Ⅰ級(jí)階地經(jīng)長(zhǎng)期固結(jié)處于相對(duì)密實(shí)狀態(tài)，因此變形量較小。而填土密實(shí)度低、軟弱下臥層抗壓縮能力差，在壓縮固結(jié)和上覆荷載共同作用下，填土和軟弱下臥層發(fā)生了較大變形。

圖5(a)，圖5(b)分別對(duì)應(yīng)了地基不同深度土體豎向和水平方向發(fā)生的位移(測(cè)線(xiàn)1、測(cè)線(xiàn)2)，在豎向位移曲線(xiàn)圖中，交界面附近土體厚度在0 m～17 m范圍內(nèi)時(shí)，豎向位移基本不隨埋深增大而增大，20 m～22 m豎向位移隨埋深急劇減小，該變化趨勢(shì)與軟弱下臥層有關(guān)。填方體厚度在0 m～5 m時(shí)，填方中部土體隨深度增加豎向位移變化較為緩慢，埋深大于5 m以后變化趨勢(shì)逐漸增大。填方厚度在0 m～6.5 m范圍內(nèi)時(shí)，填方中部豎向位移大于交界面附近填方位移，說(shuō)明在該埋深范圍內(nèi)管溝右側(cè)土體沉降量大于左側(cè)，管溝將沿順時(shí)針扭轉(zhuǎn)。

從圖5(b)水平位移分析曲線(xiàn)圖中可以看出，土體隨地基深度增大，先增大后減小，填方中部和交界面附近土體分別在埋深20 m和15.2 m處出現(xiàn)峰值，最大水平位移分別為48 mm和46 mm。軟弱下臥層在上部荷載作用下向兩側(cè)移動(dòng)，因此填土中部土體呈現(xiàn)的峰值較陡。深度在0 m～2.5 m和大于17 m兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，填方中部水平位移大于交界面附近土體。

圖6為地表變形曲線(xiàn)(測(cè)線(xiàn)3)，-3.0 m～0 m為黃土塬區(qū)域，0 m～12.2 m為填方體。從黃土塬與填方地表沉降曲線(xiàn)可以看出，隨著距地貌單元分界面距離的減小，黃土塬與填方均滿(mǎn)足沉降量增大規(guī)律。黃土塬固結(jié)沉降量較小，最大沉降量?jī)H4 mm；相對(duì)于黃土塬，填方地表沉降量呈現(xiàn)出斷崖式增大，最大達(dá)到了49 mm，達(dá)到了黃土塬的10多倍，兩者之間出現(xiàn)45 mm高的沉降臺(tái)階。

從圖6黃土塬與填方區(qū)水平位移曲線(xiàn)能夠看出，黃土塬與填方體距離地貌單元分界面越近，地表發(fā)生的水平位移越大，最大水平位移分別為8 mm，15 mm。地表變形基本滿(mǎn)足沉降大的地方水平變形也較大的規(guī)律(僅在靠近右側(cè)擋墻處，地表水平位移有增大趨勢(shì))。該變形規(guī)律說(shuō)明軟弱下臥層壓縮變形引起填方場(chǎng)地沿地貌單元分界面滑移，從而出現(xiàn)了圖1中擋墻與土體間的“裂縫2”。

4 管溝破壞機(jī)理分析

4.1 管溝破壞形式分類(lèi)

管溝的破壞形式多種多樣：沿縱向、徑向拉伸引起的破壞、沖擊引起的損傷破壞、管溝接頭處的滲漏破壞等形式。這些破壞與管溝的材料、尺寸、埋深、接口形式等有關(guān)。管溝可視為埋置于土體中的梁?jiǎn)卧獥U件結(jié)構(gòu)，當(dāng)支點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)(中部脫空)，較小的荷載便可在梁中部產(chǎn)生較大撓度，因此沿縱向引起的拉伸破壞為最常見(jiàn)，管溝破壞也屬于該種破壞形式。

4.2 管溝變形分析

圖7為管溝在填方場(chǎng)地作用下發(fā)生的位移云圖，管溝沿軸向和徑向均發(fā)生了不同程度的位移，對(duì)比1-1和2-2斷面能夠清晰的看出，相對(duì)于管溝兩端，管溝中部水平位移和扭轉(zhuǎn)變形較大。

圖8為圖7中管溝對(duì)應(yīng)位置測(cè)線(xiàn)的相對(duì)位移圖。管溝兩端位移量較小，中部位移較大。管溝底部距左端19 m處位移達(dá)到最大值(30 mm)，位移曲線(xiàn)相對(duì)平滑；管溝頂部距左端21.5 m處位移達(dá)到最大值(25 mm)，距左端0 m～21.5 m曲線(xiàn)曲率方差較大，說(shuō)明該區(qū)間內(nèi)管溝頂部不均勻變形較大；管溝右側(cè)距左端20 m處位移達(dá)到最大值(19 mm)，距左端0 m～17 m曲線(xiàn)曲率方差較大，14 m～17 m區(qū)間達(dá)到最大。管溝左側(cè)整體位移相對(duì)較小，曲線(xiàn)也較為平滑。從斷面1-1,2-2,3-3示意圖可直觀(guān)的看到，管溝端部扭轉(zhuǎn)變形較小，中部扭轉(zhuǎn)變形相對(duì)較大，最大轉(zhuǎn)角達(dá)到9°。

圖9為圖7中管溝對(duì)應(yīng)位置測(cè)線(xiàn)的等效應(yīng)變圖，對(duì)比圖8,圖9可以看出管溝頂部和底部應(yīng)變變化明顯，兩側(cè)變化較小。管溝底部?jī)啥藨?yīng)變較大，而對(duì)應(yīng)的底部?jī)啥俗冃瘟枯^小，由此說(shuō)明，變形與應(yīng)變并不一一對(duì)應(yīng)，單以變形量作為管道的破壞判斷依據(jù)不夠科學(xué)。根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度代表值(標(biāo)準(zhǔn)值)對(duì)應(yīng)的混凝土峰值拉應(yīng)變?yōu)?5e-6，從圖9能夠看出，管溝底部的17.5 m處和端頭最大拉應(yīng)變分別為107e-6和115e-6，由第二強(qiáng)度準(zhǔn)則可以得出該兩處管溝發(fā)生了斷裂破壞。

4.3 管溝受力分析

材料力學(xué)第一強(qiáng)度理論(最大拉應(yīng)力理論)認(rèn)為，引起材料脆性斷裂的因素為最大拉應(yīng)力，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要材料內(nèi)部一點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到單向拉應(yīng)力的極限拉應(yīng)力σb狀態(tài)，材料就會(huì)發(fā)生破壞，其判別條件為σ1≥σb。因此，可將該強(qiáng)度理論作為管溝是否破壞的另一判據(jù)。

圖10為管溝沿走向的應(yīng)力圖，混凝土管溝作為土體中的結(jié)構(gòu)材料，其彈性模量遠(yuǎn)大于土體，土體極小的變形便可引起管道應(yīng)力急劇增大。由圖10可以看出，管溝四周應(yīng)力基本沿管溝中部對(duì)稱(chēng)。管道頂部和兩側(cè)應(yīng)力為凹曲線(xiàn)，中部為壓應(yīng)力，兩端為拉應(yīng)力，兩側(cè)應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力為0.47 MPa，管道上部應(yīng)力相對(duì)較大，最大拉應(yīng)力為2.16 MPa。管溝底部應(yīng)力為凸曲線(xiàn)，中部拉應(yīng)力，兩端壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力距管溝17 m左右，達(dá)到了2.24 MPa。

GB 50010—2010規(guī)范給出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度代表值(標(biāo)準(zhǔn)值)為2.01 MPa，實(shí)際工程中，管溝混凝土養(yǎng)護(hù)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，其抗拉強(qiáng)度極限值也小于2.01 MPa。管溝底部17 m左右位置和管溝上側(cè)將發(fā)生強(qiáng)度破壞，破壞后管溝應(yīng)力狀態(tài)重新分布，集中應(yīng)力向深層土體擴(kuò)散。

在不考慮邊界條件(管溝端部應(yīng)力集中)下，管溝可近似看作“無(wú)限長(zhǎng)”的兩端固定梁，結(jié)構(gòu)力學(xué)指出，均布荷載作用下梁中部彎矩最大，管溝的破壞主要發(fā)生在底部最大的受拉區(qū)，土體的變形很容易引起管溝底部的脫空，使管溝的受力形式發(fā)生改變，引起管溝應(yīng)力的急劇增加。

5 滲漏引起的次生災(zāi)害效應(yīng)

人工填土與自然狀態(tài)下的黃土塬相比，顆粒骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞，顆粒間點(diǎn)接觸增多，面接觸減少，導(dǎo)致土體黏聚力變小，土體孔隙比變大，處于欠固結(jié)狀態(tài)。而填土中存在著大量易溶鹽，管溝破壞后，土體中的易溶鹽遇水溶解，顆粒間黏聚力進(jìn)一步降低，當(dāng)水頭壓力開(kāi)始大于顆粒間的黏聚力時(shí)，易溶鹽膠結(jié)將發(fā)生斷裂，使得土體強(qiáng)度降低，在上部荷載作用下，土體發(fā)生濕陷變形。管溝破壞后，管溝中的積水從管溝裂縫中流出，滲入填土中，使得填土浸水變形，水流通過(guò)密實(shí)度較低的單元交界面和擋墻與土體裂縫(圖1中的裂縫2)等處進(jìn)行排泄?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管道滲水后水流沿裂縫2方向(臨空面方向)滲透較明顯，導(dǎo)致管溝右側(cè)土體發(fā)生顯著不均勻沉降，引起路面開(kāi)裂，隨著填土區(qū)變形的進(jìn)一步擴(kuò)大，管溝右側(cè)的擋墻也將發(fā)生變形破壞，見(jiàn)圖11。

從圖11中可以看到，管溝發(fā)生滲漏后，水沿管溝底部滲流，進(jìn)入孔隙比相對(duì)較大的填方土體，填方區(qū)主要位于管溝左側(cè)，因此管溝左側(cè)沉降較大。水進(jìn)入后“填方1”最先沉降，在上覆土壓力和自重作用下，“填方2”“填方3”依次沉降，隨著沉降累計(jì)疊加，導(dǎo)致路面出現(xiàn)塌陷區(qū)。

混凝土管溝屬于脆性材料，且沿軸向較長(zhǎng)，抗彎能力差，滲流引起的不均勻沉降進(jìn)一步導(dǎo)致管溝破壞加劇。另一方面，受地基處理技術(shù)制約，人工填土的孔隙比、液限指數(shù)離散性較大，使得場(chǎng)地填土密實(shí)度差異明顯。由滲漏引起的填土強(qiáng)度降低可進(jìn)一步導(dǎo)致填方不均勻沉降增大，進(jìn)而加劇管溝破壞，從開(kāi)始的滲漏變?yōu)榕芩纬蓯盒匝h(huán)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

根據(jù)以上存在的問(wèn)題，有必要對(duì)填方區(qū)淺埋管溝進(jìn)行特殊處理，比如管道間做成柔性連接，形成讓壓結(jié)構(gòu)，減少使用剛性材料，同時(shí)做好隔水密封效果(尤其是對(duì)潛在裂縫位置的密封)，并定制定期檢查機(jī)制，從源頭上避免管道滲漏引起的次生災(zāi)害。

6 結(jié)論與建議

1)通過(guò)數(shù)值模擬分析了填方場(chǎng)地的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)填方場(chǎng)地距地貌單元分界線(xiàn)越近地表沉降和水平位移越大的規(guī)律，深層土體沉降和水平位移與軟弱下臥層的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。

2)對(duì)管溝的破壞形式進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)管溝破壞過(guò)程中既有彎曲又有扭轉(zhuǎn)變形，利用第一、第二強(qiáng)度理論作為管道破壞判據(jù)，管溝的破壞主要是應(yīng)力應(yīng)變超過(guò)管道的極限值所產(chǎn)生的。

3)從微觀(guān)和宏觀(guān)兩方面對(duì)管溝滲漏引起的次生災(zāi)害進(jìn)行了分析，指出漏水是導(dǎo)致管溝發(fā)生次生災(zāi)害的誘因，漏水引起填方土體發(fā)生二次沉降，加劇管道破壞，形成惡性循環(huán)。

4)在對(duì)黃土高填方管溝破壞治理時(shí)，建議對(duì)管溝周邊灰土或混凝土填充，并做夯實(shí)處理，盡量避免土體不均勻沉降。替換破壞的管溝結(jié)構(gòu)時(shí)，最好選用柔性密封材料，提高管道的抗變形能力，同時(shí)降低滲漏概率。