對某改擴建工程的路線地質評述

孫修乾

宋亮 龍波 劉加雙

對某改擴建工程的路線地質評述

孫修乾

本文所述高速公路項目為東北地區南北主干道，線路全長153公里。隨著社會經濟的快速發展，高速公路交通量與日俱增，原有的雙向四車道已無法滿足需求，對現有道路的改擴建已勢在必行，本文對高速公路改擴建前期可研階段的勘察工作做了詳細介紹，對于同類別的工程具有一定的借鑒意義。

項目背景

沈陽至鐵嶺高速公路是東北地區南北主干道，線路全長153公里，對促進東北地區的經濟發展起到了不可估量的作用。該公路呈南北向展布，起點位于沈陽繞城高速公路王家溝立交，終點位于鐵嶺毛家店鎮。該公路通車以來交通量較大，因重載交通的影響及當年建設條件的限制，路面已損壞嚴重，服務水平明顯下降，已影響行車安全，需要進行大修，根據預測交通流量和未來經濟發展的需要，有必要由原有雙向四車道加寬至雙向八車道。

自然地理概況

設計線路位于遼寧中部及北部地區，近南北走向；區內水系發育，屬于遼河水系上游；工作區屬于半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區，冬冷夏熱，春秋兩季多風，近年來沙塵暴頻發；線路區域內標準凍深為1.2～1.6米。

設計帶地貌可分為沖洪積平原、山前坡洪積群、微丘區三個地貌單位，線路區域內以微丘地貌最為多見。

區域工程地質條件

地質概況。線路通過區地層主要為上太古界混合巖、混合花崗巖，中生界白堊系礫巖、砂巖、泥巖、安山巖，海西期花崗巖、輝綠巖等，沖洪積平原及山間河谷主要以第四季沖洪積和坡洪積地層為主，主要為粉質粘土，砂類土，碎石類土等。

設計帶內構造較發育，按構造體系可分為東西向構造、新華夏系構造，主要受新華夏系構造控制。新華夏系構造中的依蘭-伊通斷裂（F2），由兩條近平行的NE向隱伏壓性斷裂組成，航片解譯出現于開原、鐵嶺、新城子一帶，在區內于長大鐵路走向基本一致，近期未見異?；顒?。

根據區域地震資料，設計線路兩側各50km范圍內共發生5級以上地震3次，2-5級地震21次，線路范圍內地震基本烈度為Ⅵ-Ⅶ度，地震動反應譜特診周期為0.35s，地震動峰值加速度為0.05g-0.10g。

水文地質條件。線路通過區域內大氣降水入滲為主要補給方式，其次為河流入滲補給；排泄方式以地下水徑流、河水排泄及人工開采排泄為主。按照巖土體賦水條件和含水介質的不同，可劃分為基巖裂隙孔隙水和第四系孔隙潛水及上層滯水三種類型。

巖土體工程地質類型及特征。根據設計帶地層、巖土體結構、類型、組合特征及其堅硬程度、穩定性等因素，設計帶內巖土體可分為巖體、土體兩大類。巖體主要為堅硬塊狀火山巖類，主要為太古界花崗巖、輝長巖等；堅硬變質巖類，主要為混合巖、混合花崗巖、變粒巖等。土體依據地貌單元不同，可劃分為粉質粘土、粉土、砂礫卵石類；含礫、碎石粉質粘土、粉土類。

特殊巖土及不良地質。A.軟土，線路范圍內共發現5段軟土出露，累計長度為1.29公里，厚度為0.4～10.2米，埋深為1.2～6.0米，該層軟土的物理指標為：天然孔隙比均大于1.0，液性指數0.9～1.45，壓縮模量2.8～3.24Mpa，壓縮系數為0.65～0.745。B.膨脹土，線路于起點處分布黏土礦，長度大約1.2公里，埋深2.4～8.6米，揭露厚度21.6m，黏土礦實驗結果表明，蒙脫石含量平均值為3.7%，最大值為4.8%；蒙脫石、高嶺石及伊利石總含量平均值為22.8%，最大值為31.6%；經膨脹性試驗分析可知，自由膨脹率平均值為59.8%，最大值為83.6%；標準吸濕含水率為1.10%，最大值為1.48%，塑性指數平均值為17.7，最大值為19.7。根據《公路路基設計規范》判定，全風化黏土礦為膨脹土，膨脹潛勢分級為弱膨脹土。

C.軟巖，中生代白堊系砂巖、泥巖、礫巖等層狀巖石為軟質巖，具有遇水軟化、失水龜裂、崩解的特性，開挖后應避免長時間暴露，應及時襯砌或支護。

工程地質分區及工程地質條件評述

根據設計帶地形、地貌、巖土體類型及工程地質特征、水文地質特征、筑路材料等諸多因素影響，將設計帶分為兩大工程地質區，即第四系松散土體工程地質區和微丘區巖體工程地質區。

A.第四系松散土體工程地質區，區段內工程地質特征為：地勢平坦，地面標高多小于80m，主要由第四系沖積、沖洪積粉質粘土、粉土、砂礫卵石組成，區內地下水豐富，以潛水-微承壓水為主，水位較淺，呈條帶狀分布。遼河、柴河、清河沖積平原地勢低洼處可見淤泥質土，第四系地層具二元結構，砂礫卵石及粘性土地層普遍存在。本區屬于松散土體較穩定區，總體上適宜高速公路建設，局部夾高壓縮性、高流變性、低承載力軟土問題。

B.微丘區巖體工程地質區，巖石主要為太古界花崗巖、輝長巖等侵入巖，中元古界太古界混合巖、混合花崗巖、變粒巖等堅硬巖類，節理裂隙較發育；中生界泉頭組礫巖、砂巖、泥巖等較軟巖，呈層狀出露，節理裂隙發。區內設計帶附近火山巖做建筑地基，耐力可靠，工程地質條件穩定；混合花崗巖、變質巖風華殼較厚，地基耐力中等，工程地質條件穩定；層狀砂巖、礫巖、泥巖等層狀碎屑類巖石為軟巖，遇水易軟化，基坑開挖時需要注意排水。

總體上看，線路范圍內工程地質條件較好，總體上適宜高速公路建設；部分特殊巖土及不良地質發育區段經處理后均能滿足各種構造物的建設要求。

A.地形地貌，本工程線路全長153公里，設計線路總體工程地質條件較好。

B.工程地質分區，設計帶地貌類型較為簡單，總體上分為三大工程地質區：微丘區、山前坡洪積區、沖洪積平原區。

C.構造，設計帶內構造較發育，按構造體系可分為東西向構造、新華夏系構造，主要受新華夏系構造控制。

D.區內主要存在的特殊巖土為軟土、膨脹土。

E.中生代白堊系砂巖、泥巖、礫巖等層狀巖石為軟質巖，具有遇水軟化、失水龜裂、崩解的特性，開挖后避免長時間暴露，應及時襯砌或支護。

（作者單位：廈門滄?？辈煸O計有限公司）

關于PCCP內水壓、三點法外壓檢驗分析

宋亮 龍波 劉加雙

PCCP型式檢驗中的內水壓檢驗和三點法外壓檢驗是對管道設計、生產質量綜合檢驗的重要環節，根據新疆某工程標招標文件2.1.4.1標準的遵守，本技術條款中規定PCCP管材設計、生產和檢驗應遵守技術條款中明確的中國標準和美國標準。其中標準管設計程序應按照GB 50332—2002、CECS 140:2011、SL 702—2015標準規定的程序及方法進行管型設計，同時以ANSI/AWWA C304—07設計程序軟件復核設計結果，本次進行的三點外壓試驗和抗裂檢驗內水壓力試驗結合了CECS 140:2011和ANSI/AWWA C304—07共同進行的，現就對試驗的理論基礎做如下分析。

為何PCCP要施加預應力?

由PCCP管芯所受的張力和壓縮力來觀察： 預力鋼絲纏繞混凝土管及鋼襯筒使其被壓縮，當輸送流體或承受外壓時，PCCP所受的張力被原先的預壓縮力所抵消，使得PCCP管能承受高的內壓及外壓。

PCCP為預力鋼絲結合混凝土的結構體,在承受內壓或外力時,若兩者其中之一先行破裂,則非最佳結構體(被各個擊破)。

表1 PCCP抗裂檢驗內壓試驗分級加壓表

表2 外壓試驗荷載計算結果

AWWAC304、CECS140:2011、SL702—2015的設計基礎

AWWA C304設計基礎。世界較早完善的PCCP設計是AWWAC304，所采用的設計原理是三種極限狀態設計方法：

正常使用極限狀態：控制管芯和保護層的拉應變，此規范目的是為確保正常使用荷載下的運行，包括：管芯裂紋控制、徑向張力控制、保護層裂紋控制、管芯壓縮強度控制和最大流體壓力控制等。

彈性極限狀態：控制鋼絲，鋼筒的應力，限制進入材料非線性區。

強度極限狀態：控制鋼絲屈服強度、管芯抗壓強度和水錘壓力控制等，保證在非常荷載下的安全。

早期C304發展過程中是根據實際測試的9000個實例，通過應力應變點作比對,證明C304是所有壓力管線設計系統中最先進的設計標準,這也是C304設計標準的目的—確保PCCP壽命及可靠性。他依據美國水工協會的AWWA C301標準附錄A—三次拋物線設計方法，以理論與實際經驗過程二項荷載參數：外部荷載的代表為一個等量的三邊承載實驗荷載使管芯混凝土開裂，同時施加管內靜水壓力，通過計算分析得出混凝土管芯抵消施加的預應力的壓縮。瞬時能量曲線用于埋置式預應力鋼筒混凝土管三次拋物線設計方法（graph a：LCP graph b：ECP）

采取內壓和外壓聯合來決定三次方程式，方程式定義在各種運行和瞬時荷載條件下的聯合限制，在極限狀態定義公式w=(W0/)式中：P0定義是要求在排除外荷載作用下，內壓抵抗所有施加在管芯上的壓應力，W0三邊[1]承載負荷的十分之九；P 是在三邊承載W作用下的最大聯合設計壓力，沒有超過P0;W是最大三邊承載，相當于土壓荷載，結合設計最大壓力，W1是三邊承載的活荷載，Psp是在正常運行壓力下的瞬間增加壓力。

注[1]：美國標準稱三邊外壓是我國標準稱的三點外壓。

CECS 140：2011設計基礎。該標準制定是結合一階段管、三階段管的《給排水結構設計規范》GBJ69、《混凝土結構設計規范》GB50010和AWWA C304綜合制定的，經各種工況與C304對比確定出綜合調整—系數λy、λc，總體預應力鋼絲截面面積比C304多10%左右。

SL 702—2015設計基礎。SL 702—2015設計完全參照AWWA C304制定，歸納調整了驗算工況，由AWWA C304的16種減少為14種，總體預應力鋼絲截面面積與AWWA C304相當，有的工況略小于AWWA C304標準。

本次PCCP型式檢驗中的內水壓檢驗和三點法外壓檢驗說明

增加了1.4P0或Pk’， P0值是AWWA C304的計算中的重要參數，相當于CECS 140：2011的設計壓力，并將二個標準的設計結合并進行試驗驗證（詳見表1、表2）。

注[2]：根據CECS140標準管道的設計的內水壓力按下列公式計算

Fwd,k=1.5FwkFwk＜0.8MPa

注[3]：根據AWWA C304的計算防止保護層開裂壓力限制：

P≤min(Pk’、1.4P0)，P0=1.032MPa；Pk’=1.519 MPa

上述中的1.2W0—為AWWA C304中的抗裂外壓檢驗荷載（與國標稱的三點外壓相符），W0—三邊承載負荷的十分之九，與《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗方法》GB/T16752-2006中的連續均勻加荷至標準規定裂縫荷載的80%試驗理論相符。

我國對PCCP管道的設計基于美國AWWA C304標準，是在美國標準基礎上發展起來的，把握好設計、生產和鋪設三方面的質量體系是PCCP的綜合因素，我們在制定標準中應考慮可靠性和經濟性二方面才能夠更好地推動實體經濟的健康發展。

（作者單位：山東龍泉管道工程股份有限公司）