土体加筋技术在油气长输管道站场高填方工程中的应用
唐培连, 穆树怀, 霍锦宏, 陈雪见, 任文明, 李印, 徐大宝, 毕光辉,车文侠
中国石油管道局工程有限公司

作者简介:唐培连,1979年生,工程师,硕士;主要从事油气管道穿跨越、边坡、地质灾害治理等方面的设计咨询工作。地址:(065000)河北省廊坊市和平路146号中国石油管道设计大厦。电话:(0316)2074735。ORCID: 0000-0003-0241-8016。E-mail:506324512@qq.com

摘要

为了增强油气长输管道站场建设中高填方边坡工程的稳定性,首次引进了土体加筋技术。该技术能大大提高整个被加筋土体的抗拉性能,并改善其抗压性能,使其整体性能大为改善。采用该技术不仅能很好地解决高填方工程的稳定性问题,而且还具有造价低、工期短、施工难度小的优点。为了消化吸收这一先进技术,总结了云南成品油安宁站(其填方边坡高达30 m,是迄今为止油气管道行业中最大面积的填方工程)边坡工程中加筋技术的设计关键和加筋工程的施工关键。研究结果表明:①筋带布置要重点考虑筋带长短和筋带间距;②设计中应将回填的起始面做成反倾状,这样虽会增加一些土方量,但却可以极大地增强稳定性;③根据回填料中的碎石含量,碎石土的摩擦角取30°~35°是比较符合实际的;④每幅筋带的宽度一般为5 m,幅与幅间搭接宽度一般介于20~30 cm;⑤施工中掺拌的碎石含量应满足要求,同时要翻拌均匀;⑥设计文件中应明确压实前的摊铺厚度;⑦碾压要控制边角处及两次碾压的搭接处;⑧当一层碾压完毕后,应立即现场进行压实度检验,检验方法采用灌砂法即可。

关键词: 油气长输管道; 高填方边坡; 土工合成材料; 加筋; 设计; 施工; 稳定性; 回填; 碾压; 筋带布置
Application of soil reinforcement technology to high fill engineering at long-distance oil and gas pipeline stations
Tang Peilian, Mu Shuhuai, Huo Jinhong, Chen Xuejian, Ren Wenming, Li Yin, Xu Dabao, Bi Guanghui , Che Wenxia
CNPC China Petroleum Pipeline Engineering Co., Ltd., Langfang, Hebei 065000, China
Abstract

In this paper, the soil reinforcement technology was, for the first time, introduced to strengthen the stability of high fill slope engineering during the construction of long-distance oil and gas pipeline stations. This technology can increase the tensile performance of the whole reinforced soil significantly and also improve its compressive performance. As a result, the reinforced soil is wholly improved. This technology can guarantee the stability of high fill engineering, and it is advantageous with low costs, short construction periods and few construction difficulties. For a better understanding and mastering of this advanced technology, the key design points of reinforcement technology applied to the side slope engineering at the Anning Station of Yunnan Refined Oil Pipeline and the key construction points of reinforcement engineering were reviewed. At the Anning Station, the fill slope is 30 m high and it is such a fill engineering project covering the largest area in the domestic oil and gas pipeline industry. Based on the analysis, the following results are achieved. First, when reinforced strips are laid out, attention should be paid to their length and spacing. Second, the backfill reference area should be designed to be the counter inclined, so that the stability can be increased significantly even though the earthwork is increased. Third, according to the gravel content of backfilling, it is practical to set the friction angle of soil aggregate at 30°-35°. Fourth, the width of reinforce strip is generally 5 m, and the overlapping width between two strips is generally in the range of 20-30 cm. Fifth, the gravel content during the construction should satisfy the requirements and it should be stirred uniformly. Sixth, the layer thickness before the compaction should be defined clearly in the design file. Seventh, during the rolling, it is necessary to control the edge angle and the overlapping between two rolling operations. And eighth, compaction detection should be carried out immediately by means of sand replacement method each time when one layer is rolled.

Keyword: Long-distance oil and gas pipeline; High fill slope; Geosynthetics; Reinforcement; Design; Construction; Stability; Backfill; Rolling; Layout of reinforced strip
0 引言

法国工程师于1963年提出了土体加筋理论, 并于1965年按该理论修建了世界上第一座加筋土挡墙。20世纪70年代后期土工合成材料以其优越的性能在加筋土工程中获得了广泛的推广和应用[1], 并成为目前土体加筋工程的主要加筋材料。国内土体加筋技术发展迅速, 许多工程中已广泛应用, 如四川攀枝花机场、云南昆明长水机场的高填方处理工程中都采用了该技术[2]

近年来, 油气管道工程的建设进入高峰期。在管道工程建设过程中, 由于站场选址受限, 出现了许多高填方工程[3]。因此需要进行相应的加筋处理, 使处理后的边坡和场区能够满足稳定性要求。

1 边坡工程中土体加筋的作用原理

土工合成材料本身具有较高的抗拉强度和刚度, 与回填土之间有较强的咬合和摩擦力。在压实后的回填土中两者能很好地共同作用, 达到加筋补强的目的。同时利用水平向增强体的高强度、良好韧性等特点[4], 进一步增大土体的刚度模量, 分散荷载, 改变土体中的应力分布, 约束土体的侧向变形, 进而提高结构的稳定性。因此, 这种技术应用到填方工程中对保证场区及边坡的安全会有很好的效果。加筋土坡设计稳定性分析原理如下:

1)先对未加筋土坡进行稳定性分析, 得出最小安全系数(Fsu), 并与设计要求的安全系数(Fsr)比较。当Fsu< Fsr[5], 应采取加筋处理措施。

2)将所有FsuFsr的潜在滑弧与滑动面绘在同一幅图中(图1), 各滑弧面和平面的外包线即为需要加筋的临界范围。筋材长度应为至外包线的长度加锚固长度之和。

3)针对每一假设潜在滑弧, 所需筋材总拉力(Ts)(单宽)应按下式计算:

式中MD表示未加筋土坡某一滑弧对应的滑动力矩, kN· m; D表示对应于某一滑弧的Ts对于滑动圆心的力臂, m。当筋材为独立条带时, Ts的作用点可设定在坡高的1/3处。

4)各滑弧中Ts的最大值Tsmax应为设计所需的筋材总加筋力。当坡高小于6 m时, 沿坡高可取单一等距布筋; 当坡高大于6 m时, 沿坡高可分为二区或三区, 各区取各自的单一间距布筋[6]

图1 有待加筋的临界区范围图

2 边坡工程中加筋技术设计关键

边坡加筋设计过程中需解决的关键问题如图2所示[7]

图2 加筋技术设计关键点图

2.1 筋带布置

重点考虑筋带长短和筋带间距这两个方面。

2.2 坡体稳定性分析

该分析的原理及目的非常简单, 就是通过计算找到最危险滑动面。稳定性分析过程中, 地表反倾程度(图3)和回填料性质这两个因素对边坡稳定性影响很大[8]。现将影响程度和参数取值原则论述如下。

图3 地面顺倾反倾示意图

1)关于地表反倾。因为滑裂圆弧从坡顶到坡脚会形成一个滑裂面, 若坡底做成顺倾, 回填体自重会产生很大的下滑力, 这样坡底顺倾面就会成为最不利滑裂面, 稳定性系数比较低, 筋带的长度需要设置很长才能满足要求, 经济性差。因此, 设计中应将回填的起始面做成反倾状, 这样虽会增加一些土方量, 但会极大增强稳定性。

2)关于回填料的性质。回填料的重度、黏聚力和摩擦角对场区的稳定性影响非常大, 在填方工程中, 由于施工前无法进行有针对性的勘探工作, 因此上述3个参数如何取值是一个关键问题。其中重度可根据经验或各种工程手册估算一个略偏保守的值。由于通常回填料为碎石土, 黏聚力可按保守值0取用。这3个参数中内摩擦角的选取最关键, 内摩擦角的数值与回填料中碎石含量及性质密切相关[9]。填方边坡的回填料中通常掺碎石30%~50%, 在不考虑实际存在黏聚力的情况下, 个人认为内摩擦角在30° ~35° 范围内取值是与工程实际吻合的。对比现有公开发行的较权威资料, 上述取值尚略保守。如在《国家建筑标准设计图集挡土墙》13页表C.1中提到“ 碎石类土填料内摩擦角为40° ” , 再如《工程地质手册》(第四版)160页表3-1-24中列出“ 粗砂内摩擦角范围38° ~42° ” , 碎石土的摩擦角虽未列出, 但比粗砂略大或持平, 因此推断也能达到40° 。因此, 在具体工程中根据回填料中碎石含量, 碎石土的摩擦角取30° ~35° 是比较符合实际的。

2.3 筋带稳定性分析

筋带稳定性分析主要解决筋带不被拉断和筋带不被拉出这两个问题。筋带是否被拉断由筋带强度控制, 筋带是否被拉出由筋带长度控制[10], 在坡体稳定性分析计算过程中一并确定筋材的强度和长度问题。

2.4 筋带搭接反包

筋带的每幅宽度一般为5 m, 幅与幅间搭接宽度一般为20~30 cm。反包长度可根据相应规范中的公式计算。

3 土体加筋技术在安宁站的应用
3.1 筋带布置

安宁站填方边坡自上到下采用了四级放坡形式, 自上而下每级边坡坡面高度为8 m、8 m、8 m和6 m。

这四级边坡中采用了两种长度筋带, 上面两级边坡筋带长度为20 m, 下面两级边坡筋带长度为28 m。上面两级边坡中筋带(对应20 m长筋带)最大抗拉强度为100 kN/m, 下面两级边坡中筋带(对应28 m长筋带)最大抗拉强度为200 kN/m。

3.2 坡体稳定性分析

此工程加筋后边坡坡率为1∶ 1, 两级边坡间设置平台[11], 平台宽度为2 m。为了保证边坡的稳定性, 确保回填面不成为该边坡不稳定的薄弱点, 在设计中要求回填前将原地面清理成内倾台阶状。为减小土方开挖量, 根据现场地形的实际情况确定了台阶的宽度和高度。

3.3 筋带稳定性分析

3.3.1 稳定性分析断面选取原则

在稳定性分析选择典型断面的过程中应遵循如下两个原则:①在填方高差最大位置处应选择相应断面进行分析; ②在其余位置, 断面的高差情况应与地层情况紧密联系起来, 把地层的情况吃透后综合地层与高差确定稳定性分析断面[12]

3.3.2 安宁站稳定性分析结果

根据工程地层情况及设计要求, 在设计过程中将设计范围内的场区划分为多个不同的断面, 综合采用了不同的方法进行分析。30 m高断面GEO-slope和理正分析的对比结果如图4所示。

图4 稳定性分析图

图4所示的断面中采用了如下加筋方案:上面两层采用长20 m的A型筋带, 下面两层采用长28 m的B型筋带, 筋带竖向布置间距为50 cm。加筋后最高处边坡在自然工况下的稳定系数为1.39, 地震工况下稳定系数为1.28, 皆满足一级边坡稳定性要求[13]

3.4 筋带搭接反包

本工程中要求筋带搭接宽度为30 cm, 筋带反包总长度为2 m。

4 加筋工程的施工关键

边坡加筋工程施工中4个关键工序分别为:回填、摊铺、碾压和压实度检验(图5~9)。

1)回填:回填料中一般掺碎石, 施工中掺拌的碎石含量应满足要求, 同时要翻拌均匀。

2)摊铺:设计文件中应明确压实前的摊铺厚度, 施工中严格按要求执行, 以免影响压实度。

3)碾压:重点要控制边角处及两次碾压的搭接处。

4)压实度检验:当一层碾压完毕后, 应立即现场进行压实度检验, 检验方法采用灌砂法即可。

图5 掺拌示意图

图6 摊铺示意图

图7 碾压示意图

图8 灌沙检测示意图

图9 主体完成图

5 实施效果

工程于2015年7月开始进场实施, 2016年2月边坡主体完成, 历时约7个月。目前已经历了2个雨季的考验, 边坡未出现任何异样, 同时变形监测数据标明运营后填方区沉降变形很小, 上部油罐区运营正常, 取得了预期的效果。

6 结束语

在将来的油气管道站场建设过程中, 不可避免地还会出现更多的类似高填方工程。由于在高填方区内锚杆、桩等强支护措施的工程造价高, 施工难度大, 且效果很难保证, 而土体加筋技术既能很好地解决高填方的稳定性, 同时还具有造价低、工期短、施工难度小的优点。因此, 在后续的高填方工程中具有广阔的应用空间。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 朱彦鹏, 高青云, 袁中夏, 杨鹏, 谭东杰. 油气站场地基湿陷性的结构改良方法[J]. 油气储运, 2016, 35(9): 985-989.
Zhu Yanpeng, Gao Qingyun, Yuan Zhongxia, Yang Peng & Tan Dongjie. A method for structural modification of collapsibility of the foundations in the oil and gas stations[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2016, 35(9): 985-989. [本文引用:1]
[2] 王鸿, 朱艳君, 余志峰, 马强. 土工格室在长输管道水力侵蚀防护中的应用[J]. 油气储运, 2002, 21(11): 34-37.
Wang Hong, Zhu Yanjun, Yu Zhifeng & Ma Qiang. The application of cellular confinement system in anti-hydraulic erosion of long distance pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2002, 21(11): 34-37. [本文引用:1]
[3] 郭君, 于苏杰, 张力佳, 冯亮, 刘佳昌, 左艳萍, . 涩宁兰复线湟水河边坡治理方案设计[J]. 油气储运, 2015, 34(12): 1362-1364.
Guo Jun, Yu Sujie, Zhang Lijia, Feng Liang, Liu Jiachang, Zuo Yanping, et al. Design for harnessing of side slopes of Huangshui River along the Sebei-Xi'ning-Lanzhou parallel gas transmission pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2015, 34(12): 1362-1364. [本文引用:1]
[4] 魏红卫, 喻泽红, 尹华伟. 土工合成材料加筋粘性土的三轴试验研究[J]. 工程力学, 2007, 24(5): 107-113.
Wei Hongwei, Yu Zehong & Yin Huawei. Triaxial shear tests on clayey soil reinforce with geosynthetics[J]. Engineering Mechanics, 2007, 24(5): 107-113. [本文引用:1]
[5] 张孟喜, 黄超. 刚性条带式带齿加筋土的极限拉拔力模型[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(9): 1336-1344.
Zhang Mengxi & Huang Chao. Ultimate pullout resistance model for rigid denti-strip reinforced soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(9): 1336-1344. [本文引用:1]
[6] 严驰, 张书杰, 徐奉池, 孙训海, 袁中立. 土工合成材料界面作用特性研究[J]. 石油工程建设, 2007, 33(6): 11-15.
Yan Chi, Zhang Shujie, Xu Fengchi, Sun Xunhai & Yuan Zhongli. Study on characteristics of interface interaction between geosynthetics and soil[J]. Petroleum Engineering Construction, 2007, 33(6): 11-15. [本文引用:1]
[7] 魏军扬, 王保田, 张海霞, 蓝日彦. 加筋土筋土界面特性分离式试验研究[J]. 华东交通大学学报, 2013, 30(5): 57-62.
Wei Junyang, Wang Baotian, Zhang Haixia & Lan Riyan. Separation test study on the reinforcement-soil interface of reinforced earth[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2013, 30(5): 57-62. [本文引用:1]
[8] 赵川, 窦远明, 耿敏. 土工格栅界面摩擦特性试验研究[J]. 河北工业大学学报, 2014, 43(1): 88-91.
Zhao Chuan, Dou Yuanming & Geng Min. Interface friction characteristics of geogrids[J]. Journal of Hebei University of Technology, 2014, 43(1): 88-91. [本文引用:1]
[9] 黄英, 保华富. 加筋碎石土的抗剪强度特性研究[J]. 大坝观测与土工测试, 2000, 24(5): 44-47.
Huang Ying & Bao Huafu. Research of shear strength characteristics of reinforced gallet[J]. Dam Observation and Geotechnical Tests, 2000, 24(5): 44-47. [本文引用:1]
[10] 黄仙枝, 白晓红. 土工带加筋碎石土的抗剪强度特性研究[J]. 岩土力学, 2005, 26(9): 1464-1468.
Huang Xianzhi & Bai Xiaohong. Study of shear strength characteristics of geobelt reinforced crushed gravel soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(9): 1464-1468. [本文引用:1]
[11] 王凯. 聚酯玻纤布在高速公路扩建施工中的应用[J]. 山西建筑, 2014(19): 141-142.
Wang Kai. The application of polyester fiber cloth in highway extension construction[J]. Shanxi Architecture, 2014(19): 141-142. [本文引用:1]
[12] 高江平, 李满屯, 李中志. 加筋与土体间界面反应特性的大型拉拔试验研究[J]. 西北建筑工程学院学报(自然科学版), 2001, 18(2): 9-12.
Gao Jiangping, Li Mantun & Li Zhongzhi. The experimental study on the anti-pull boundary surface reaction property between reinforcement and soil by the large model[J]. Journal of Northwestern Institute of Architectural Engineering (Natural Sciences), 2001, 18(2): 9-12. [本文引用:1]
[13] 杨志勇. 工程土工合成材料的应用现状与发展趋势[J]. 交通标准化, 2013(8): 48-50.
Yang Zhiyong. Application situation and development tendency of geosynthetic in highway engineering[J]. Communications Stand ardization, 2013(8): 48-50. [本文引用:1]