管道溝槽回填泡沫輕質(zhì)土變形協(xié)調(diào)試驗研究 *

魏麗敏，李宏泉，何 群，廖鵬慶，鞠家佳

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075； 2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200)

0 引 言

為維護市容環(huán)境，城市道路路面結(jié)構下常埋設多種管道。管道鋪設一般采用“開挖溝槽→鋪設管道→溝槽回填”的施工方法，其中管道溝槽回填是關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到管道的運行安全和使用壽命[1]。目前，市政道路的管道溝槽回填多采用壓縮性較強的透水性散粒材料，如砂、原狀土等，由于工作面狹小，不可避免地會出現(xiàn)回填不實的情況。一方面使得路面出現(xiàn)不均勻沉降、裂縫、翻漿、空洞等病害；另一方面管道可能發(fā)生縱向不均勻沉降，或橫截面失穩(wěn)變形，導致管壁破裂損壞。若為儲水管道，水流對散?；靥盍系臎_刷將進一步惡化路基路面病害。因此，使用壓縮性小、抗沖刷能力強的回填材料對保障路面使用性能、防止管道破裂具有積極意義。而具有質(zhì)輕、流動性好、抗凍融及減震等優(yōu)點的泡沫輕質(zhì)土[2-4]成為可選材料之一。G. L. YOON等[5]通過對泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度試驗研究，發(fā)現(xiàn)泡沫輕質(zhì)土能夠代替常規(guī)填土材料用于港灣工程軟基處理；SHI Xiaona等[6]、肖禮經(jīng)[7]、周鵬飛等[8]研究表明，當泡沫輕質(zhì)土用于路堤回填時可減少橋頭跳車，有效降低路基的沉降、水平位移和橫向坡度；張淑坤等[9]發(fā)現(xiàn)粉煤灰泡沫混凝土在滿足填充體強度的條件下，具有良好的變形能力和延性，適合采空區(qū)充填；陳霄[10]對比了泡沫輕質(zhì)土與傳統(tǒng)灰土在管道回填施工過程中電力、柴油消耗與工期；Y. J. LEE等[11]將輕質(zhì)泡沫土和疏浚土作為地下管道回填材料，對管道的垂直向和水平向壓力、變形進行對比分析，得出泡沫輕質(zhì)土更適合用于管道回填的結(jié)論；李尚臻[12]發(fā)現(xiàn)泡沫輕質(zhì)土具有吸能和改變酸堿性的作用，能有效保護油氣管道。

當前，泡沫輕質(zhì)土已廣泛應用于各類路基、橋臺臺背回填，但在管道溝槽回填中的應用較少。由于泡沫輕質(zhì)土整體性較強，作為回填材料時的受力、變形特性及實際服役效果尚處于探索階段，尤其是在施工和運營過程中，泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)與管道、道路結(jié)構的變形協(xié)調(diào)與否，是能否推廣應用該項技術的重要前題。

筆者依托實際工程開展現(xiàn)場試驗，基于真實、可靠的第一手實測數(shù)據(jù)，對雨水管道溝槽回填泡沫輕質(zhì)土不同介質(zhì)之間的變形協(xié)調(diào)性能進行測試與分析，研究得出溝槽回填及路基填筑過程中墊層與基層、泡沫輕質(zhì)土與雨水管道或管槽界面的相對位移發(fā)展規(guī)律。

1 試驗區(qū)段概況

以長沙市望城區(qū)瀟湘北路堤防(三叉磯—溈水河)雨水管道溝槽回填為工程背景，選取瀟湘北路與望湖路交叉口(K7+860～K7+910)區(qū)段為試驗工點設置2個測試區(qū)段，如圖1。雨水管道采用高密度聚乙烯鋼帶增強螺旋波紋管(HDPE)，公稱內(nèi)徑為1 000 mm，波峰處外徑為1 070 mm，最大螺距150 mm。

圖1 測試區(qū)段平面布置Fig. 1 Plane layout of test zone

測試區(qū)段Ⅰ HDPE雨水管道布置在瀟湘北路K7+860～K7+900右側(cè)輔道靠近綠化帶處，與道路走向一致；測試區(qū)段Ⅱ HDPE雨水管道位于K7+ 860處，垂直于道路走向。雨水管溝槽為底寬200 cm、坡率1∶ 0.5、深200 cm的梯形斷面。開挖完成后，先鋪設10 cm 厚的砂墊層，再進行管道敷設和回填。

測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ HDPE雨水管道溝槽上覆結(jié)構層組成如圖2。道路面層均采用改性瀝青混凝土，上面層厚4 cm，中、下面層各厚13 cm；基層采用水泥穩(wěn)定碎石；墊層分別采用優(yōu)質(zhì)黏土、級配碎石填筑。測試區(qū)段 Ⅰ、Ⅱ 溝槽上覆結(jié)構層厚度均為87 cm。

圖2 測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ HDPE雨水管道溝槽上覆結(jié)構層Fig. 2 Structure layer over the HDPE rainwater pipe trench in test zone Ⅰ & Ⅱ

經(jīng)大量室內(nèi)對比試驗、抗浮檢算，筆者決定現(xiàn)場采用密度為600 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土進行管道回填，其水膠比為0.7，采用P.O 42.5水泥進行配比設計。

2 試驗方案

2.1 試驗斷面

試驗斷面布置如圖3。圖中：N表示砂回填，F(xiàn)表示泡沫輕質(zhì)土回填。在測試區(qū)段Ⅰ設置5個測試斷面，依次為N1、F1、F2、F3、F4斷面；現(xiàn)場布置時選用Y192雨水井為參照物，距其6 m處設置N1斷面，F(xiàn)1斷面距離N1斷面7 m，F(xiàn)1、F2、F3、F4相鄰斷面間距均為3 m。在測試區(qū)段Ⅱ設置3個泡沫輕質(zhì)土回填斷面，依次標為F′1、F′2、F′3，其中F′1距離Y192雨水井13 m，F(xiàn)′1、F′2、F′3相鄰斷面間距均為3 m。

圖3 測試區(qū)段斷面布置(單位：m)Fig. 3 Cross-section layout of test zone

2.2 現(xiàn)場靜力特性試驗

2.2.1 應變計及脫空計布置

測試區(qū)段Ⅰ的泡沫輕質(zhì)土回填、砂回填分別以F2、N1斷面為例進行分析，測試區(qū)段Ⅱ的泡沫輕質(zhì)土回填以F′2斷面為例進行分析。

采用表面應變計(BY)來量測雨水管道應力，量程為±2 500 με，靈敏度為1 με，精度為0.1% FS。在測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ回填斷面各布設3個表面應變計，如圖4，其中：BY1在各測試斷面中線上，位于HDPE管道正上方外表面，BY1、BY2分別布置在HDPE管道左、右最外側(cè)處。

采用混凝土應變計(HY)來測量泡沫輕質(zhì)土應變，量程為±1 500 με，靈敏度為1 με，精度為0.1% FS。在測試段Ⅰ、Ⅱ的泡沫輕質(zhì)土回填斷面各布設3個表面應變計，如圖4，圖中：HY1在各測試斷面中線上，位于HDPE管道正上方；HY2在HY1左側(cè)60 cm等高處，距管道外邊緣投影線6.5 cm，HY3布置在管槽底面泡沫輕質(zhì)土與砂墊層接觸面上，位于HY2的正下方。

采用自制的脫空計(TK)來量測各結(jié)構層或結(jié)構層之間的相對變形，量程為100 mm，靈敏度為0.01 mm。在測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ的泡沫輕質(zhì)土回填斷面各布置5個脫空計，在測試區(qū)段Ⅰ的砂回填斷面布置2個脫空計。TK1、TK2布置在基層與墊層接觸面上，其中：TK1在各測試斷面中線上，位于HDPE管道正上方，TK2在TK1左側(cè)60 cm等高處，距管道外邊緣投影線6.5 cm；TK3布置在HDPE管頂部和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的接觸面上；TK4布置在測試斷面溝槽側(cè)壁與泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的接觸面上，位于TK3組脫空計左側(cè)等高處；TK5布置在管槽底面泡沫輕質(zhì)土與砂墊層接觸面上，位于TK2的正下方，用于量測管底墊層與泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的相對變形。

應變計及脫空計在測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ的布置如圖4。

圖4 應變計及脫空計在測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ的布置(單位：cm)Fig. 4 Layout of strain gauge and interface separating gauge in test zone Ⅰ & Ⅱ

2.2.2 脫空計埋設與初值選取

在道路上層結(jié)構松鋪階段，按照挖坑→埋設→回填的工序，將脫空計的上、下部件分別埋設于上、下結(jié)構中，并注意預留脫空量60 mm(約占量程的60%)，如圖5。

圖5 脫空計埋設示意Fig. 5 Schematic diagram of interface separating gauge

當脫空計上部件所處結(jié)構層施工完成后，對脫空計進行調(diào)試，讀取脫空計的讀數(shù)，并設為初值；再進行后續(xù)測試得到測試值，測試值減去初值即為相對位移ΔS，也就是脫空量。

筆者以試驗進場時間(即應變計及脫空計安裝、調(diào)試及管道鋪設的第1天)作為整個試驗記錄的第1天，即試驗日期T=1天。試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測至第126天結(jié)束。測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ，脫空計初值設定的日期與對應的施工階段見表1。與測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ?qū)氖┕るA段及相應試驗日程見表2。

表1 脫空計初值設定的日期Table 1 Date for initial value setting of interface separating gauge

表2 施工階段及相應試驗日程Table 2 Construction phase and corresponding test schedule

3 相對變形測試結(jié)果分析

3.1 墊層與基層之間

3.1.1 TK1

TK1脫空計實測相對位移ΔS隨時間T的變化如圖6，圖中“-”表示相對壓縮，“+”表示脫空。

圖6 測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ，TK1測得的相對位移Fig. 6 Relative displacement obtained by TK1 in test zone Ⅰ & Ⅱ

從圖6(a)可以看出，在測試區(qū)段Ⅰ：

1)F3、F4泡沫輕質(zhì)土回填斷面，TK1處的ΔS變化規(guī)律一致：基層與墊層間先產(chǎn)生較大的壓縮變形，隨后，壓縮量逐漸趨于穩(wěn)定。由于測試區(qū)段Ⅰ在第2層水泥穩(wěn)定碎石層鋪設期間(第97—102天)，使用壓路機進行了反復碾壓，故F3、F4斷面墊層與基層間壓縮變形較明顯，在第102天鋪設完成時，F(xiàn)3、F4斷面的壓縮量分別達到32.19、28.16 mm。在瀝青底層鋪設過程中(第123—126天)，各測試斷面相對位移均為“-”，說明管道溝槽中心正上方墊層與基層之間結(jié)合緊密，并產(chǎn)生了壓縮變形，F(xiàn)3、F4斷面在此階段的新增壓縮量分別為1.55、1.84 mm。

2)N1斷面砂回填處的相對位移變化規(guī)律與泡沫輕質(zhì)土斷面的存在顯著差別，基層與墊層間的相對位移ΔS先出現(xiàn)較小的脫空量，隨后出現(xiàn)壓縮量，最后，壓縮量逐漸趨于穩(wěn)定。第2層水泥穩(wěn)定碎石層在第102天鋪設完成時，N1斷面的相對位移ΔS由第101天的脫空量3.42 mm轉(zhuǎn)化為壓縮量3.37 mm。在瀝青底層鋪設過程中(第123—126天)，N1斷面新增壓縮量0.73 mm，總壓縮量達到4.10 mm。

3)采用泡沫輕質(zhì)土回填時，墊層與水穩(wěn)層壓縮更緊密；采用砂回填時，墊層頂出現(xiàn)脫空，導致路基壓實不緊密。

從圖6(b)可以看出：在測試區(qū)段Ⅱ，F(xiàn)′3斷面管頂墊層與基層相對位移在第3層水穩(wěn)層鋪設完成時(第53天)表現(xiàn)為壓縮，最大壓縮量為0.37 mm；隨后，壓縮量逐漸減小，至瀝青底層鋪設完成時(第72天)壓縮量為0.22 mm，該階段回彈了0.15 mm；進入施工空窗期(第73—126天)，荷載不再增加，墊層與基層之間繼續(xù)回彈，相對位移也由壓縮過渡到脫空，至第126天，F(xiàn)′3斷面脫空量為1.58 mm。

3.1.2 TK2

圖7為測試區(qū)段Ⅱ中TK2的相對位移變化。由圖可見，F(xiàn)′2斷面TK2的相對位移發(fā)展規(guī)律與F′3斷面TK1的相似。在第3層水穩(wěn)層鋪設(第41—53天)和瀝青底層鋪設(第54—72天)過程中，基層與墊層間壓縮量為2.04 mm；在施工空窗期結(jié)束時(第126天)發(fā)生了2.91 mm的回彈，相對位移ΔS由壓縮量2.04 mm轉(zhuǎn)化為脫空量0.87 mm。

圖7 測試區(qū)段Ⅱ，TK2測得的相對位移Fig. 7 Relative displacement obtained by TK2 in test zoneⅡ

測試區(qū)段Ⅰ與測試區(qū)段Ⅱ結(jié)構層的主要差別在于：前者采用厚度25 cm的優(yōu)質(zhì)黏土墊層，后者采用15 cm厚的級配碎石墊層，而后者在墊層頂出現(xiàn)了脫空。石章入等[13]認為，在附加荷載作用下，優(yōu)質(zhì)黏土層中的土顆粒粒徑較小，更容易填充到上層的級配碎石骨架的空隙中，使土石壓得更加密實。此外，由于優(yōu)質(zhì)黏土的彈性模量小于級配碎石的，且優(yōu)質(zhì)黏土墊層的厚度比級配碎石基層的大，所以，在附加荷載作用下，優(yōu)質(zhì)黏土墊層的壓縮量也更大，導致優(yōu)質(zhì)黏土墊層與級配碎石基層間出現(xiàn)很大的壓縮量，F(xiàn)3、F4斷面在第102天的壓縮量分別達到了32.19、28.16 mm。

可見，回填材料、墊層與基層材料的粒徑、級配將直接影響墊層與基層之間相對位移的發(fā)展趨勢。筆者建議采用泡沫輕質(zhì)土作為HDPE管道溝槽的回填材料，墊層采用厚度不小于25 cm的優(yōu)質(zhì)黏土。

3.2 HDPE管頂與泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)相對位移

TK3測得的HDPE管頂與測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)相對位移發(fā)展規(guī)律如圖8。

圖8 測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ，TK3測得的相對位移Fig. 8 Relative displacement obtained by TK3 in test zone Ⅰ & Ⅱ

從圖8可以看出，測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ的4個試驗斷面測得的相對位移發(fā)展規(guī)律基本相同。回填區(qū)墊層鋪設后，在路基表面碾壓平整階段(第12—38天)，F(xiàn)2、F4、F′2、F′3斷面的脫空量分別增加了2.07、2.85、2.97、1.96 mm。碾壓平整路基面時，泡沫輕質(zhì)土和HDPE管道頂部的豎向附加應力隨著壓路機附加荷載作用的增大而增大。

根據(jù)試驗條件，筆者建立了HDPE管道-泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)-路基路面結(jié)構三者在壓路機荷載作用下的二維數(shù)值分析模型，對測試區(qū)段Ⅰ的工況進行數(shù)值分析。結(jié)果表明：HDPE管道應力最大值為460 kPa，大于管材的彈性極限418 kPa，故管道發(fā)生彈塑性變形；HDPE管頂回填的泡沫輕質(zhì)土應力最大值為750 kPa，小于泡沫輕質(zhì)土的彈性極限872 kPa(筆者用現(xiàn)場泡沫輕質(zhì)土制備試件，在相同條件下養(yǎng)護，進行單軸壓縮試驗得到)，故泡沫輕質(zhì)土處于彈性變形階段。

壓路機卸載后，泡沫輕質(zhì)土與HDPE管道2種材料的彈性變形均可恢復，但HDPE管道的塑性變形無法恢復，導致泡沫輕質(zhì)土與HDPE管道變形不再協(xié)調(diào)，發(fā)生脫空現(xiàn)象。后續(xù)施工空窗期和路面結(jié)構層施工階段，該處脫空量一直呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。至測試區(qū)段Ⅰ瀝青結(jié)構層的底層鋪設完成時(第126天)，F(xiàn)2、F4、F′2、F′3斷面的脫空量分別達到3.00、1.91、4.00、2.96 mm。

由于施工空窗期幾乎沒有附加荷載，同時，在路面結(jié)構施工階段，HDPE管道頂部回填的泡沫輕質(zhì)土已達到設計強度，泡沫輕質(zhì)土的強度和壓縮模量隨時間還能繼續(xù)增長[14]，使得管道頂部壓應力逐漸趨于穩(wěn)定，故此階段脫空量增長緩慢。

對比發(fā)現(xiàn)，雖然測試區(qū)段Ⅰ與測試區(qū)段Ⅱ的管道回填上方墊層、路面結(jié)構層有一定差別，但HDPE管頂和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)相對位移變化規(guī)律基本相同，且均出現(xiàn)了脫空。

HDPE管頂脫空不僅會使管道受力更加不均勻，還會導致墊層與基層填料密實度降低，如果受到水的沖蝕作用，或者自然沉降、車輛荷載的作用，路面將發(fā)生不均勻沉降甚至塌陷的嚴重后果[15]。

考慮到現(xiàn)場實測變形量和脫空量不大，為保證泡沫輕質(zhì)土與HDPE管道的變形相協(xié)調(diào)，筆者建議：在進行類似工程設計時，一方面可采用較大環(huán)剛度的HDPE管，以減小HDPE管頂與泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)的脫空量；另一方面，加強溝槽側(cè)壁和底部的滲水引排設計，例如，在側(cè)壁底部和側(cè)壁臺階處增設30～50 cm的碎石墊層，以方便溝槽側(cè)壁滲水向鄰近檢查井引排。

3.3 管槽側(cè)壁與泡沫輕質(zhì)土界面相對位移

測試區(qū)段Ⅰ的施工前期，因在人行道一側(cè)(埋設TK4一側(cè))進行電纜線管槽的開挖，重型機械作業(yè)影響了測試儀器的讀數(shù)。筆者以測試區(qū)段Ⅱ的TK4的實測結(jié)果對管槽側(cè)壁與泡沫輕質(zhì)土界面的豎向相對位移發(fā)展進行分析，如圖9。

圖9 測試區(qū)段Ⅱ，TK4得到的相對位移Fig. 9 Relative displacement obtained by TK4 in test zoneⅡ

從圖9可以看出：

1)F′1、F′2斷面管槽側(cè)壁處相對位移發(fā)展趨勢基本相同，在管道埋設施工階段和路面結(jié)構施工階段均為“-”，兩結(jié)構層均產(chǎn)生了壓縮變形，相互結(jié)合較緊密。

2)在第1、2層水穩(wěn)層施工完成后(第40天)，F(xiàn)′1、F′2斷面管槽側(cè)壁處壓縮量分別為3.55、3.01 mm；在隨后路面結(jié)構施工過程中，相對位移發(fā)展較為平緩。

3)進入施工空窗期，管槽側(cè)壁與泡沫輕質(zhì)土的相對位移發(fā)生少量回彈，其壓縮量分別減小0.57、0.75 mm。

4)在瀝青底層鋪設完成時(第126天)，F(xiàn)′1、F′2斷面管槽側(cè)壁和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)之間的壓縮量分別為3.08、2.05 mm。這說明，在管道埋設施工、路面結(jié)構層施工和施工空窗期各階段，測試區(qū)段 Ⅱ管槽側(cè)壁與泡沫輕質(zhì)土一直緊密接觸，未出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

3.4 管槽底部砂墊層與泡沫輕質(zhì)土界面相對位移

圖10為在測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ，TK5測得的管槽底部砂墊層與泡沫輕質(zhì)土界面的相對位移。

圖10 測試區(qū)段Ⅰ、Ⅱ，TK5測得的相對位移Fig. 10 Relative displacement obtained by TK5 in test zone Ⅰ & Ⅱ

由圖10可以看出：

1)在測試區(qū)段 Ⅰ，第2層泡沫輕質(zhì)土回填完成后，F(xiàn)2斷面出現(xiàn)了0.75 mm的脫空，原因可能是泡沫輕質(zhì)土凝結(jié)時水化熱較大，導致測試儀器讀數(shù)發(fā)生偏差；在隨后的各施工階段，F(xiàn)2斷面脫空量基本呈下降趨勢，相對位移ΔS由脫空量逐漸過渡為壓縮量，至第126天瀝青底層鋪設完成時，壓縮量達到1.41 mm。

2)在測試區(qū)段Ⅱ，F(xiàn)′1、F′2斷面相對位移變化規(guī)律基本相同。在管道鋪設、管槽回填及路基面平整階段(第38天)，F(xiàn)′1、F′2斷面管槽底部砂墊層與泡沫輕質(zhì)土界面產(chǎn)生壓縮變形，壓縮量分別為7.07、6.46 mm。原因可能是：由于脫空計埋設位置偏下，所測結(jié)果包含了由于墊層壓實不足導致的壓縮量；在路面結(jié)構施工階段，F(xiàn)′1、F′2斷面壓縮量逐漸趨于穩(wěn)定，分別為9.33、8.13 mm；在施工空窗期略有回彈，至第126天，F(xiàn)′1、F′2斷面壓縮量分別為8.84、7.44 mm。

4 結(jié) 論

對市政道路管道溝槽回填泡沫輕質(zhì)土工程開展現(xiàn)場試驗，測試了墊層與基層、泡沫輕質(zhì)土與管道或管槽界面的相對位移；研究了溝槽回填與路面結(jié)構層施工過程中不同材料間的相對位移發(fā)展規(guī)律。得到主要結(jié)論如下：

1)溝槽回填泡沫輕質(zhì)土和HDPE管頂、基層與墊層之間可能發(fā)生脫空，泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)與管槽側(cè)壁、底部結(jié)合緊密。

2)從管道鋪設階段到瀝青底層鋪設階段，現(xiàn)場實測HDPE管頂和泡沫輕質(zhì)土回填區(qū)間最大脫空量在1.91～4.00 mm之間。建議在類似工程設計時，可通過選用較大環(huán)剛度的HDPE管道以及采取強化溝槽側(cè)壁滲水引排措施予以防范。

3)回填材料、墊層與基層材料的粒徑、級配將直接影響墊層與基層之間相對位移的發(fā)展趨勢。對采用泡沫輕質(zhì)土回填的HDPE管道，建議墊層采用厚度不小于25 cm的優(yōu)質(zhì)黏土。