CN110904759B - 路基中管道系统填垫层厚度的确定方法及处理结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路基中管道系统填垫层厚度的确定方法及处理结构，所述确定方法步骤如下：1)验算基础底面土层承载力是否满足设计要求，以确定是否需要进行换填垫层处理；2)若需要进行换填垫层处理，则根据填垫层底面处土层的地基承载力，确定填垫层的厚度：2‑1)确定给、排水管道、检查井的基础类型，根据基础类型确定p_z的表达式；2‑2)根据f_z、p_cz、p_z的关系，确定填垫层厚度；f_z(kPa)为填垫层底面处土层的承载力特征值；p_cz(kPa)为填垫层底面处土的自重应力；p_z(kPa)为填垫层底面处土的附加应力。根据本发明方法施工的管道系统，在存在软弱下卧层时，不但具有足够的地基承载力，而且能避免人力、物力浪费。

Description

路基中管道系统填垫层厚度的确定方法及处理结构

技术领域

本发明涉及一种路基中管道系统填垫层厚度的确定方法，还涉及一种路基中管道系统的处理结构，本发明属于市政道路、市政给排水、软土路基处理等工程技术领域。

背景技术

城市给排水工程的建设是城市建设的重点内容。现阶段，城市给排水工程最主要的目的是为城市居民的生产生活提供一个更为干净舒适的环境。城市给排水工程的建设是城市生态文明建设的重要环节，有助于维护城市的生态文明，为城市经济建设和生态环境的协同可持续发展奠定良好的基础。运输工业污水、生活污水、城市降雨堆积的雨水、给水源匮乏地区的供水等是城市给排水工程最主要的内容。施工环境的复杂多变，使得城市给排水工程的施工方式必须灵活多变。这就需要根据实际的施工环境，选择恰当合理的施工方案。

城市路基中管道系统主要结构包括检查井和给、排水管。检查井竖埋入路基中，呈圆筒状，表面外露，通常需直接承受行车等外部荷载，并把外部荷载通过基础传递至下部土层。检查井通常为钢筋混凝土结构，刚性较土层大很多。给、排水管一般横向埋在路基中，与所述检查井内部通过井壁上的开孔连通。给、排水管通常包括混凝土管和塑料管两种，图1、图2分别给出了混凝土管、塑料管结构的给、排水管地底施工结构，附图标记代表如下：

1、混凝土管；2、C20混凝土垫层；3、填垫层；4、土基；5、中粗砂垫层，压实度不小于90％；5-1、中粗砂回填，压实度不小于90％；5-2、中粗砂回填，压实度不小于95％；6、中粗砂或石屑回填，压实度为90％；7、管顶中粗砂或石屑回填；8、素土回填；9、路面结构；10、沟槽外边线。

图1中，C20混凝土垫层2为混凝土管1的基础，图2中5-1、5-2为塑料管1-1的基础，图2中塑料管1-1基础由于不像图1中的混凝土垫层基础一样是刚性结构，所以其有效宽度的取值往往与其实际宽度不同，本领域通常取与塑料管1-1直径同宽。检查井的施工结构未画出，检查井底部通常设有圆形或矩形基础。

对管底土层(即土基4)的地基承载力，给排水管道通用图纸提出如下要求：混凝土管管底土层地基承载力特征值要求不小于100kPa，塑料管管底土层地基承载力特征值要求不小于80kPa。当管底土层地基承载力特征值不满足此要求时，应进行换填垫层处理(即图1、2中的填垫层3并非必要结构)，填垫层厚度3不宜小于0.5m，不宜大于3m。

不足之处在于：上述城市给排水管管底土层地基承载力需求数值并未有充分的确定依据，实际设计时填垫层厚度的确定也没有足够的计算依据。对于检查井这类给排水管道的重要结构，其直接承受行车等外部荷载并传递至下部土层，当外部荷载为拖挂车等大荷载车辆时，对检查井产生非常大的冲击荷载，此时，产生的应力往往会大于100kPa。因此，原来所提出的100kPa地基承载力要求可能会不满足实际需要。而对于给、排水管，其不直接承受外部荷载，原来所提出的100kPa地基承载力要求(对于混凝土管而言)可能存在富余，若仍按照原有100kPa要求施工，会造成一定程度的人力、物力浪费，不具经济性。

发明内容

本发明的第一发明目的在于，提供一种路基中管道系统填垫层厚度的确定方法，该方法可为路基中管道系统填垫层厚度的确定提供清晰的解决方案，根据该方法施工，可保证当存在软弱下卧层时，管道系统基地土层具有足够的地基承载力，而且能避免人力、物力浪费，提高工程经济性。

实现本发明第一发明目的所采取的的技术方案是：一种路基中管道系统填垫层厚度的确定方法，步骤如下：

步骤1)验算基础底面土层承载力是否满足设计要求，以确定是否需要进行换填垫层处理；

步骤2)若需要进行换填垫层处理，则根据填垫层底面处土层的地基承载力，确定填垫层的厚度。

步骤2)的具体步骤如下：

2-1)确定给、排水管道、检查井的基础类型，根据基础类型确定p_z的表达式；

2-2)根据f_z、p_cz、p_z的关系，确定填垫层厚度；

f_z(kPa)为填垫层底面处土层的承载力特征值；p_cz(kPa)为填垫层底面处土的自重应力；p_z(kPa)为填垫层底面处土的附加应力。

步骤2-1)根据基础类型确定的Pz的表达式分别如下：

当可视为条形基础时，填垫层底面处土的附加应力用下式计算：

式中，p(kPa)为基础底面压力；p_c(kPa)为基础底面处土的自重应力；

当可视为矩形基础时，填垫层底面处土的附加应力用下式计算：

式中，l(m)为矩形基础底面的长度；

当可视为圆形基础时，填垫层底面处土的附加应力用下式计算：

p_z＝r²(p-p_c)/(r+Ztanθ)² (5)

式中，r(m)为圆形基础底面的半径；

式中，b(m)为基础宽度；Z(m)为填垫层厚度；θ(°)为填垫层压力扩散角；

其中，给、排水管道视为条形基础；与混凝土管连接的检查井视为条形基础；与塑料管连接的检查井视为独立基础，并根据检查井底部形状分成矩形基础和圆形基础。

步骤2-2)根据f_z、p_cz、p_z的关系，确定填垫层厚度的具体步骤如下；

根据如下公式确定填垫层的厚度：

式中，γ₁D+γ₂Z＝p_cz；η_bγ(b’-3)+η_dγ_m(D+Z-0.5)表示修正增量；基础底面上部土层平均有效重度为γ₁(kN/m³)；D(m)为基础埋深；填垫层有效重度为γ₂(kN/m³)；Z(m)为填垫层厚度；η_b、η_d分别为软弱下卧层地基承载力的宽度、深度修正系数；软弱下卧层有效重度为γ(kN/m³)；γ_m(kN/m³)为软弱下卧层顶面土层有效重度的平均值；b’(m)填垫层底宽，b’应满足b’≥b+2Ztanθ，当b’小于3m时按3m取值，大于6m时按6m取值；

上述公式(6-1)、(6-2)、(6-3)分别对应条形基础、矩形基础、圆形基础；

上述公式(6-1)、(6-2)、(6-3)是针对确定的土层地基承载力的特征值需要进行宽度、深度修正的情况；

对确定的土层地基承载力的特征值无需进行修正时，根据如下公式确定填垫层的厚度：

当给排水管道基础宽度大于3m或埋深大于0.5m时，应当对从载荷试验或其他原位试验、经验值等方法确定的土层地基承载力的特征值进行宽度、深度修正。当土层地基承载力的特征值采用深层平板载荷试验确定，则不能进行修正，采用螺旋板载荷试验确定的土层地基承载力的特征值也不需进行修正。

填垫层压力扩散角θ的取值与Z/b有关，θ按以下步骤确定：

先根据基础尺寸和填垫层厚度，假定一个值Z/b，通过公式(6-1)、(6-2)或(6-3)计算得到的Z，验证该假定；如与假定不符，则重新假定Z/b，直至计算结果满足假定即可。

步骤1)的具体过程如下：

获取基础底面土层地基承载力特征值，并根据情况决定是否对所述特征值进行修正，若土层地基承载力修正值或无需修正情况下的土层地基承载力特征值满足设计要求，则不需要进行换填垫层处理；否则，则必须进行换填垫层处理。

所述设计要求根据基础底面的压力确定，即按照对基础底面土层承载力的需求确定。

所述基础底面的压力等于基础底面上部土层的自重应力与基础底面处土的附加应力之和，所述基础底面处土的附加应力求取时，考虑最大外部荷载情况(最大行车荷载)下的附加应力。

当基础底面土层的下层为软弱下卧层时，即使基础底面土层承载力满足设计要求，还须验算其下层的软弱下卧层的地基承载力。

即使给、排水管基础底面土层承载力满足设计要求，若该土层为软弱下卧层，也加铺0.5m的填垫层；若该土层为复合地基，则不另行铺设填垫层。

本发明第二发明目的是，提供一种路基中管道系统的处理结构，其实现方案如下：该处理结构中涉及的填垫层的厚度根据上述确定方法确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明为路基中管道系统填垫层厚度的确定提供计算依据，本发明根据对基础底面土层承载力的需求确定是否需要进行换填垫层处理以及换填垫层厚度，使得根据本发明方法施工的管道系统，在存在软弱下卧层时，不但具有足够的地基承载力，而且能避免人力、物力浪费，提高工程经济性。本发明适用范围广泛，不仅适用于城市给排水管道工程，也适用于市政道路、软土地基处理等领域。

附图说明

图1为混凝土管给、排水管地底处理结构图；

图2为塑料管给、排水管地底处理结构图；

图3是管道位置示意图；

图4用于展示压力扩散角与基础宽度及填垫层厚度的关系。

图中：1、混凝土管；2、C20混凝土垫层；3、填垫层；4、土基；5、中粗砂垫层，压实度不小于90％；5-1、中粗砂回填，压实度不小于90％；5-2、中粗砂回填，压实度不小于95％；(基础)6、中粗砂或石屑回填，压实度为90％；7、管顶中粗砂或石屑回填；8、素土回填；9、路面结构；10、沟槽外边线；11、管道位置情况1；12、管道位置情况2；13、管道位置情况3；14、管道位置情况4；15、基础；16、基础下填垫层；17、基础底面上部土层；18、软弱下卧层。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种路基中管道系统填垫层厚度的确定方法，步骤如下：

步骤1)验算基础底面土层承载力是否满足要求，以确定是否需要进行换填垫层处理。

具体：获取基础底面土层地基承载力特征值，并根据情况决定是否对所述特征值进行修正(什么情况下、为什么要进行修正以及具体如何修正下文陈述)，若土层地基承载力修正值或无需修正情况下的土层地基承载力特征值满足设计要求，则不需要进行换填垫层处理；否则，则必须进行换填垫层处理。

上述土层地基承载力特征值可通过试验或参考现有经验数据等手段得到。上述设计要求可以根据基础底面的总应力确定，即按照对基础底面土层承载力的需求确定。具体过程参照下文。

当基础底面土层的下层为软弱下卧层时，即使经修正后的基础底面土层承载力满足设计要求，还须验算其下层的软弱下卧层的地基承载力。若下层的软弱下卧层的地基承载力不足，可通过换填垫层处理或增加填垫层厚度以扩散上部应力来弥补下层的软弱下卧层承载力的不足。

考虑到给排水管道施工会对软土造成扰动，降低了地基承载力，在给排水管道一般位置铺设0.5m填垫层，既满足承载力要求，也能减小差异沉降对管道的影响；当为复合地基时，砂垫层和碎石垫层一般可达到0.5m，满足需求，可不另行铺设填垫层。

步骤2)若需要进行换填垫层处理，则根据填垫层底面处土层的地基承载力，确定填垫层的厚度。

填垫层的厚度一般根据填垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处的土层地基承载力确定，表达式为：

p_z+p_cz≤f_z (1)

式中，f_z(kPa)为填垫层底面处土层即软弱下卧层的承载力特征值；p_cz(kPa)为填垫层底面处土的自重应力；p_z(kPa)为填垫层底面处土的附加应力。

获取p_cz、p_c的表达式

假定：基础底面上部土层有效重度为γ₁(kN/m³)，填垫层有效重度为γ₂(kN/m³)，软弱下卧层有效重度为γ(kN/m³)，D(m)为基础埋深(顶面到基础底面的距离)，b(m)为基础宽度(有效宽度)，Z(m)为填垫层厚度，θ(°)为填垫层压力扩散角。

则：基础底面处土的自重应力p_c＝γ₁D，填垫层底面处土的自重应力p_cz＝γ₁D+γ₂Z，填垫层底宽b’应满足b’≥b+2Ztanθ。

需要注意的是，基础底面上部土层可能有多层，则在计算基础地面处的自重应力时应逐层计算再求和。本发明为使公式简单明了，仅假定基础底面上部只有一层土，在实际计算时，把多层土的自重进行替换即可。

当存在地下水位时，土层重度的选取应遵循以下原则：地下水位以上土层重度采用天然重度；地下水位以下时，渗透性较好土层如砂土等的重度采用浮重度，渗透性较差土层如淤泥等的重度采用饱和重度。

对填垫层底面处土层地基承载力进行修正

当给排水管道基础宽度大于3m或埋深大于0.5m时，应当对从载荷试验或其他原位试验、经验值等方法确定的土层地基承载力的特征值进行宽度、深度修正，修正方法与《建筑地基基础设计规范(GB 50007-2011)》一致，则公式(1)可重写为：

p_z+p_cz≤f_z+η_bγ(b’-3)+η_dγ_m(D+Z-0.5) (2)

这里，γ_m＝(γ₁D+γ₂Z)/(D+Z)为软弱下卧层顶面土层有效重度的平均值；η_b、η_d分别为软弱下卧层地基承载力的宽度、深度修正系数。其中，当b’小于3m时按3m取值，大于6m时按6m取值。对于软土、复合地基，仅需进行深度修正。地基承载力宽度、深度修正系数参考相关规范取值。

根据公式(2)，假定仅考虑深度修正，若填垫层底面以上土体有效重度平均值为18kN/m3，即假定γ_m＝18kN/m³，则填垫层厚度每增加1m，软弱下卧层承载力修正值相应增加18kPa(对于软土和复合地基，ηd一般取1)。

当土层地基承载力的特征值采用深层平板载荷试验确定，则不能进行修正。这是因为浅层平板载荷试验，基坑底部尺寸大于承压板尺寸的数倍以上(>3)，超过了极限状态的影响范围，坑侧土起不到反压作用，因此需要进行深度修正，而深层平板载荷试验能够避免这一点，因此不需进行深度修正。区别就是承压板工作面是否可以视为半无限空间平面，或者坑侧荷载是否与基础实际荷载一样，如果坑侧荷载较基础实际荷载小，则仍进行深度修正。与深层平板载荷试验类似，螺旋板载荷试验确定的土层地基承载力的特征值也不需进行深度修正。其他原位试验或经验值等方法确定的地基承载力特征值均需进行修正。

获取Pz的表达式

1)确定基础类型

对于管道自身，一般埋置在土体中，并不直接承受外部荷载，外部荷载通过土层传递作用在管道上，且土层会对外部荷载有一定的扩散作用。一般地，管道纵向长度远大于管道自身截面尺寸，且外部荷载通过管道均匀地作用在管底土层上。因此，对于管底土层来说，管道可视为条形基础，外部荷载、管道和管底土层的力学相互作用与条形基础相一致。

而对于检查井等结构物，结构物表面外露，常为混凝土或钢筋混凝土材料，刚度远大于土层，直接承受行车等外部荷载并传递至下部土层。当管道材料也为混凝土时，上述的结构物与管道刚度相差较小，管道底部混凝土垫层与结构物底部连接在一起，可视结构物为条形基础，能够承担较大的外部荷载；当管道材料为塑料时，上述的结构物与塑料刚度相差较大，结构物表面的外部荷载主要由结构物自身承担，因此可视结构物为独立基础，荷载、管道和管底土层的力学相互作用与独立基础相一致。当结构物底部为矩形时为矩形基础，当结构底部为圆形时为圆形基础。

由上所述，管道不同位置的受力特性是不一样的，对于管道自身，受力特性与条形基础相一致；对于检查井等结构物，受力特性与独立基础相一致。因此，可采用条形基础和独立基础的计算理论对管道的受力特性进行分析，并讨论给排水通用图纸要求的管底地基承载力是否合理。

2)根据基础类型确定Pz的表达式

当给排水管道可视为条形基础时，则填垫层底面处土的附加应力可用下式计算：

式中，p(kPa)为基础底面压力；p_c(kPa)为基础底面处土的自重应力。

当给排水管道可视为矩形基础时，则填垫层底面处土的附加应力可用下式计算：

式中，l(m)为矩形基础底面的长度。

当为圆形基础时，垫层底面处土的附加应力为：

p_z＝r²(p-p_c)/(r+Ztanθ)² (5)

式中，r(m)为圆形基础底面的半径。

从上面公式可以看出，填垫层厚度增加，传递到软弱下卧层顶面(即填垫层底面)的附加应力减小。如根据公式(3)，填垫层厚度增加，传递到软弱下卧层顶面的附加应力呈双曲线趋势，并在正轴方向上逐渐减小，且减小幅度越来越小。

求解公式(2)

公式(2)为不等式，可先计算左右相等时的填垫层临界厚度。将p_c、p_cz和公式(3)、(4)、(5)代入公式(2)，当给排水管道分别可视为条形基础、矩形基础、圆形基础时，可得：

上述公式(6-1)、(6-2)、(6-3)分别对应条形基础、矩形基础、圆形基础。

填垫层压力扩散角θ的取值与Z/b有关。θ按以下步骤确定：

先根据基础尺寸和填垫层厚度，假定一个值Z/b，通过公式(6-1)、(6-2)或(6-3)计算得到的Z，验证该假定；如与假定不符，则重新假定Z/b，直至计算结果满足假定即可。

所以，已知填垫层厚度Z和基底压力P，则可计算得到相应的下卧层地基承载力的最小需求值。注意规范要求，填垫层厚度Z不宜小于0.5m，也不宜大于3m。

基础埋深会影响承载力的修正，也会影响土体的自重应力和附加应力。基础埋深的确定原则如下：

基础埋深应根据极限状态的滑动情况确定，一般来说，可根据自然地表较低时确定，以代表最不利情况。

例如，附图3中管道11、12均可选择较低地面确定埋深；

管道14距较低地面足够远，可选择较高地面确定埋深；

而管道13应根据实际情况确定：无填、挖时，矩、条形基础以室内地面(这里指的是地下室，一般来说，地下室高程比地表低)为准，箱筏基础以室外地面为准；有填方时，基础上部结构施工在填前完成，以填前地面高低程度确定，若在填后完成，则以填后地面高低程度确定；有挖方时，以挖方后的较低地面为准。

补充说明，如图4所示，填垫层16要充分发挥其压力扩散作用，对其底宽有一定要求，图中θ为填垫层的压力扩散角。

假定管道内径或公称直径为1000mm，单侧工作面加壁厚为600mm，对于混凝土管还需减去100+150＝250mm，则给排水管单侧填垫层剩余宽度为：塑料管0.6m、混凝土管0.35m。若填垫层厚度为0.5m，填垫层底部单侧宽度增加为0.5×tan30°≈0.3m；若填垫层厚度为1m，填垫层底部单侧宽度增加为1×tan30°≈0.6m。因此，若换填厚度较大，应适当增加给排水管道两侧填垫层的剩余宽度。

规范建议的应力标准合理性分析

对于不直接承受外部荷载的管道

假定基底上部土体重度为18kN/m³(土层常见重度)。行车单侧轮轴重可视为集中荷载。拖挂车常认为是公路或城市道路通行时允许的最大行车荷载，满载时后轴单侧轮重为50kN。计算可知，深度为0.5m时，竖向附加应力为95.5kPa；深度为1m时，竖向附加应力为23.9kPa。竖向附加应力的衰减速率非常快。深度为0.5m时，要使该位置土层承载力满足要求，可知承载力特征值至少应为104.5kPa。类似地，深度为1m时，使该位置土层承载力满足要求时的承载力特征值只需达到32.9kPa即可。

管道埋置土中不直接承受外部荷载时，与上述计算工况一致。而且，管道埋深一般较大(大于1m)，即使是混凝土管，由于过水尺寸远大于管壁厚度，混凝土与土层的重度不同导致的自重应力增加，与过水尺寸导致的自重应力减小一般能够互相抵消。所以，若仍然按照通用图纸的规定，将管底土层的承载力特征值增加至100kPa(混凝土管)或80kPa(塑料管)，是没有必要也非常不经济的。

对于直接承受外部荷载的检查井

对于检查井等结构物，其表面外露且直接承受行车等外部荷载作用。这些结构物的刚度远大于周围土体，外部荷载能够通过结构物直接传递至下部土层中。计算可知，单侧轮重越大，附加应力和总应力越大；检查井外径越小，附加应力和总应力也越大。假定检查井埋深3m(常见埋深)，上部土体重度为18kN/m³，则底部土层承载力修正增加量为45kPa。检查井外径为0.5m(检查井外径一般在0.5m以上)、单侧轮重为10kN时，附加应力约为33kPa，满足承载力要求的土层承载力特征值至少为42kPa。类似地，检查井外径为0.5m、单侧轮重为50kN时，对基地土层承载力特征值要求在174.6kPa以上；检查井外径为1.5m，单侧轮重分别为10kN、50kN时，相应的土层承载力特征值要求至少分别为20kPa、64kPa。

该算例说明，对于检查井等结构物，随外径和地表单侧轮重的不同，对检查井底部土层承载力特征值的要求也是不同的，甚至会出现承载力特征值非常大的情况。这说明通用图纸规定的要求不再适用。对于承载力特征值非常大的情况，应采用换填垫层处理，同时应满足下层的软弱下卧层的承载力要求。

应当注意的是，这里完全忽略了检查井与四周土体之间的摩擦作用，行车等外部荷载完全传递至检查井底部。而实际上这种摩擦作用也能够承担一定的外部荷载，因此该算例是偏安全的。

增加填垫层厚度(厚度在0.5-3m范围内)及地基处理能很好解决软弱下卧层承载力不足的问题

对于条形基础，假定基础宽1m、埋深3m(常见埋深)，垫层及上部土体重度均为18kN/m³，软弱下卧层重度为16kN/m³(常见软弱下卧层重度)，计算可知，垫层厚度越大，垫层底面处的附加应力越小，且承载力修正增量越大，因此对软弱下卧层的承载力特征值要求也越小。在基地净应力为100kPa时，当垫层厚度为0m，即不进行换填处理时，需求的承载力特征值为109kPa；当垫层厚度为0.5m时，需求的承载力特征值为72.4kPa。可以推测，当基底净压力小于100kPa时，相对应的承载力特征值更小。

对于矩形基础，基础长1m，其他初始条件与条基础相同，计算可知承载力特征值、垫层底部的附加应力也随垫层厚度逐渐减小并趋于平稳，但减小速率较条形基础大。需要注意的是，承载力修正增量和垫层底宽仅与垫层厚度有关，随垫层厚度的变化规律与条形基础一致，这里不再赘述。

一般来说，复合地基的承载力特征值可达80kPa左右，可计算得到换填厚度为0.5m时，条形基础相应的基底净压力约为112kPa，除单侧轮重为50kN且外径非常小之的检查井外，复合地基一般能满足承载力要求；显而易见，若基底净压力小于112kPa，无论是混凝土管、塑料管或检查井等结构物，复合地基也均能满足承载力需求。而当基底净压力大于112kPa时，如检查井外径为0.5m、单侧轮重为50kN时，基底净压力可达165.6kPa，若垫层厚度为0.5m，计算可得对应的下卧层承载力特征值约为114kPa；若垫层厚度为1.16m，对应的下卧层承载力特征值则刚好约为80kPa。这表明可以通过两种方式来处理这一不利情况：一是通过地基处理提高下卧层的承载力；一是增加垫层的厚度。显然，通过增加垫层的厚度是更为有效也更为经济的一种处理方法。此外，相同基底净压力下矩形基础需求的承载力特征值更小，因此若条形基础满足承载力要求，则矩形基础必满足要求。

若下卧层为软土，由于土质、结构性及应力历史条件等差异，承载力特征值变化较大。为保证在检查井等直接承受外部荷载的结构物位置，满足正常运营要求，需要对下卧软土进行处理，或增加垫层厚度，以提高承载力。计算可知，基底净压力为100kPa、垫层厚度为3m时，承载力特征值分别为31.4kPa(条形基础)、14kPa(矩形基础)；类似地，基底净压力为165.6kPa时，承载力特征值分别为46.1kPa(条形基础)、17.3kPa(矩形基础)。这表明，仍然可以通过增加垫层厚度的方法，使下卧层承载力满足要求。而由公式(6-2)、(6-3)可知，从对承载力特征值的要求计算方面来看，圆形基础本质上与矩形基础并无本质区别，仅需换算成相应的半径即可，相关规律基本一致，因此这里不再详细阐述。

为使管道沉降、管底承载力均满足要求，可遵循以下原则：

(1)若管底为软土，可在管底换填0.5m垫层；

(2)若管底为复合地基，由于复合地基在桩顶一般铺设0.5m左右的垫层，因此不需进行额外的换填垫层处理；

(3)对于检查井等直接承受外部荷载的结构物位置，可通过调整垫层厚度使下卧层承载力满足要求，垫层厚度与基础类型、基底土层的承载力特征值有关。一般来说，无论基底是软土或复合地基，垫层厚度为3m时均能满足承载力要求，工程中可根据实际情况进行调整。

本发明还提供一种路基中管道系统的处理结构，该处理结构中涉及的填垫层的厚度根据上述确定方法确定。

本专利申请适用于市政给排水管道工程领域。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种路基中管道系统填垫层厚度的确定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1)验算基础底面土层承载力是否满足设计要求，以确定是否需要进行换填垫层处理；

步骤2)若需要进行换填垫层处理，则根据填垫层底面处土层的地基承载力，确定填垫层的厚度；

步骤2)的具体步骤如下：

2-1)确定给、排水管道、检查井的基础类型，根据基础类型确定p_z的表达式；

2-2)根据f_z、p_cz、p_z的关系，确定填垫层厚度；

f_z(kPa)为填垫层底面处土层的承载力特征值；p_cz(kPa)为填垫层底面处土的自重应力；p_z(kPa)为填垫层底面处土的附加应力；

步骤2-1)根据基础类型确定的P_z的表达式分别如下：

当可视为条形基础时，填垫层底面处土的附加应力用下式计算：

式中，p(kPa)为基础底面压力；p_c(kPa)为基础底面处土的自重应力；

当可视为矩形基础时，填垫层底面处土的附加应力用下式计算：

式中，l(m)为矩形基础底面的长度；

当可视为圆形基础时，填垫层底面处土的附加应力用下式计算：

p_z＝r²(p-p_c)/(r+Ztanθ)² (5)

式中，r(m)为圆形基础底面的半径；

式中，b(m)为基础宽度；Z(m)为填垫层厚度；θ(°)为填垫层压力扩散角；

其中，给、排水管道视为条形基础；与混凝土管连接的检查井视为条形基础；与塑料管连接的检查井视为独立基础，并根据检查井底部形状分成矩形基础和圆形基础。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，

步骤2-2)根据f_z、p_cz、p_z的关系，确定填垫层厚度的具体步骤如下；

根据如下公式确定填垫层的厚度：

式中，γ₁D+γ₂Z＝p_cz；η_bγ(b’-3)+η_dγ_m(D+Z-0.5)表示修正增量；基础底面上部土层平均有效重度为γ₁(kN/m³)；D(m)为基础埋深；填垫层有效重度为γ₂(kN/m³)；Z(m)为填垫层厚度；η_b、η_d分别为软弱下卧层地基承载力的宽度、深度修正系数；软弱下卧层有效重度为γ(kN/m³)；γ_m(kN/m³)为软弱下卧层顶面土层有效重度的平均值；b’(m)填垫层底宽，b’应满足b’≥b+2Ztanθ，当b’小于3m时按3m取值，大于6m时按6m取值；

上述公式(6-1)、(6-2)、(6-3)分别对应条形基础、矩形基础、圆形基础；

上述公式(6-1)、(6-2)、(6-3)是针对确定的土层地基承载力的特征值需要进行宽度、深度修正的情况；

对确定的土层地基承载力的特征值无需进行修正时，根据如下公式确定填垫层的厚度：

3.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，

所述基础底面压力等于基础底面上部土层的自重应力与基础底面处土的附加应力之和，所述基础底面处土的附加应力求取时，考虑最大外部荷载情况下的附加应力。

4.根据权利要求2所述的确定方法，其特征在于，

填垫层压力扩散角θ的取值与Z/b有关，θ按以下步骤确定：

先根据基础尺寸和填垫层厚度，假定一个值Z/b，通过公式(6-1)、(6-2)或(6-3)计算得到的Z，验证该假定；如与假定不符，则重新假定Z/b，直至计算结果满足假定即可。

5.根据权利要求1所述的确定方法，其特征在于，

步骤1)的具体过程如下：

获取基础底面土层地基承载力特征值，并根据情况决定是否对所述特征值进行修正，若土层地基承载力修正值或无需修正情况下的土层地基承载力特征值满足设计要求，则不需要进行换填垫层处理；否则，则必须进行换填垫层处理。

6.根据权利要求5所述的确定方法，其特征在于，

所述设计要求根据基础底面的压力确定，即按照对基础底面土层承载力的需求确定；

所述基础底面压力等于基础底面上部土层的自重应力与基础底面处土的附加应力之和，所述基础底面处土的附加应力求取时，考虑最大外部荷载情况下的附加应力。

7.根据权利要求5所述的确定方法，其特征在于，

当基础底面土层的下层为软弱下卧层时，即使基础底面土层承载力满足设计要求，还须验算其下层的软弱下卧层的地基承载力。

8.根据权利要求7所述的确定方法，其特征在于，

即使给、排水管基础底面土层承载力满足设计要求，若该土层为软弱下卧层，也加铺0.5m的填垫层；若该土层为复合地基，则不另行铺设填垫层。

9.一种路基中管道系统的处理结构，其特征在于，该处理结构中涉及的填垫层的厚度根据权利要求1-8任一项权利要求所述确定方法确定。

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