鋼波紋管涵通車過程中的變形分析及施工工藝優(yōu)化

李凌宜，張 鵬

(北京市政路橋股份有限公司，北京 100068)

0 引 言

目前，國內(nèi)越來越普遍地采用鋼波紋管涵洞代替鋼筋混凝土涵洞，尤其是在軟土、凍土等不良巖層地區(qū)或多溝壑的山區(qū)[1]。鋼波紋管涵洞由于軸向波紋的存在而具有優(yōu)良的受力特征[2]，軸向和徑向同時分布因荷載引起的應(yīng)力應(yīng)變，可以更大程度上分散荷載的應(yīng)力集中[3]，在施工及后期通車后可以發(fā)揮其鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，減少公路的沉降、變形等病害。因此，分析運營車輛及不同填料對波紋管受力的影響，對波紋管涵施工工藝的優(yōu)化有一定借鑒作用。

1 工程概況

武安市營玉公路工程一級公路采用雙向四車道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度為80 km·h-1，采用瀝青混凝土路面面層，路基為整體式斷面形式，路面寬27.5 m，行車道寬3.75 m。全線設(shè)大中橋橋面凈寬與路面相同，涵洞與路基同寬，設(shè)計洪水頻率為1/100，汽車荷載為公路Ⅰ級。全線設(shè)多道鋼波紋管，最小孔徑1 m，最大孔徑6 m(圖1)。波紋管涵的安裝分為整裝和拼裝2種，其管片分別采用壁厚為3～6.5 mm的鋼板加工而成。

圖1 6 m大直徑三孔波紋管涵洞

2 單孔鋼波紋管涵模型的建立

2.1 創(chuàng)建模型

在創(chuàng)建波紋管的幾何模型時，先建立半個波形曲線；然后再把所建立的曲線關(guān)于工作面鏡面映射，便可創(chuàng)建出一個完整的波形曲線；然后沿著曲線方向?qū)⑵鋸?fù)制若干個，再用合并關(guān)鍵點的命令將各曲線合并成一條完整的曲線；根據(jù)波紋管的管徑將曲線繞相應(yīng)的軸線旋轉(zhuǎn)一周，這樣就可以得到波紋管的模型[4]。波紋管波形如圖2所示。

圖2 波紋管波形

接著開始創(chuàng)建土體，土體一般在管的下方，左方和右方都是一倍管徑，在管子的上方取實際的填土高度。用布爾操作的面切割體命令將土體切割開，將管內(nèi)部的土體刪除之后模型就基本建成。

2.2 單元類型和材料類型選取

鋼波紋管選擇殼體單元，材料選擇線形材料。土體選擇solid單元，材料目前有2種類型：一種是假定土體為彈性材料，這種方法計算較簡單，但是精度不大；另一種是根據(jù)實際情況將土體看成一種非線性材料，選擇Drucker-Prager模型，輸入土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角的值，這種模型得出的結(jié)果比較準(zhǔn)確[5-6]。根據(jù)現(xiàn)場情況，模擬分層填筑，同時結(jié)合現(xiàn)場的地層特性、土體特性等水文地質(zhì)情況設(shè)置各項參數(shù)，具體見表1。

2.3 網(wǎng)格劃分

為了達(dá)到要求的精度，用工作平面把圖形切割開來，將不規(guī)則的圖形切成規(guī)則形狀，并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格采用四邊形的形式。規(guī)則的圖形一般用mapped命令劃分網(wǎng)格，劃出的形狀大體上如圖3所示。

表1 材料參數(shù)

圖3 劃分網(wǎng)格后的鋼波紋管

土體單位的網(wǎng)格一般采取六面體八節(jié)點實體單元，在滿足精度要求的前提下，可將管周邊土體的網(wǎng)格單元劃分得密一些，管遠(yuǎn)端的土體疏一些。劃好的網(wǎng)格形狀見圖4～6。

圖4 鋼波紋管網(wǎng)格劃分

圖5 模型網(wǎng)格整體

圖6 模型網(wǎng)格局部

2.4 邊界條件

由于現(xiàn)在的波紋管涵洞一般采用反開槽回填施工，所以為了模擬現(xiàn)場確定以下邊界條件：在土體底部約束所有位移和扭轉(zhuǎn)自由度，加ALL DOF約束，管子兩側(cè)里面施加水平方向約束UX，頂部施加荷載P，其余面自由[7-8]。邊界條件如圖7所示。

圖7 邊界條件

2.5 加載求解

設(shè)置好非線性選項中的載荷步、子步和其他相關(guān)的參數(shù)后進(jìn)行加載求解。由于計算模型是從工程構(gòu)筑物實體中切割出來的，在施加頂面荷載的時候，需考慮周圍土體對其產(chǎn)生的影響，即減去所取模型周圍土體分擔(dān)的荷載[9-10]。按照相關(guān)理論，與垂直方向呈30°夾角向土體下擴(kuò)散路面荷載，依此計算模型頂面均布壓力的大小和區(qū)域范圍。如果加載時路面橫向分布有2列及2列以上列車時，需考慮橫向折減。橫向折減系數(shù)參照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)中的規(guī)定取值。

3 運營車輛的荷載影響分析

參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中的主要技術(shù)指標(biāo)，計算過程中車輛荷載均取公路Ⅰ級荷載55 t。為了能夠更好地反應(yīng)各填土層的應(yīng)變變化規(guī)律，以0.5、6、12、20 m為界開展4種工況下的豎向位移和管周切向應(yīng)變規(guī)律分析，結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 四種工況下的波峰應(yīng)變隨角度的變化

圖9 填土至管頂上20.65 m管頂應(yīng)變隨角度的變化

從圖8、9中可知，車輛荷載作用下，管頂以上0.5 m填土應(yīng)變變化不明顯，無明顯規(guī)律，填土到管頂以上20 m應(yīng)變逐漸增大，變化規(guī)律基本類似。管頂0.5 m處波峰表現(xiàn)為拉應(yīng)變，其余波峰、波谷、波側(cè)整體上都為壓應(yīng)變。波紋管頂0°至管周60°壓應(yīng)變都逐漸增大，在管周120°～180°處逐漸減小，管周60°～120°處則無規(guī)則可尋，波動變化較大。拉應(yīng)變基本體現(xiàn)為波谷最大，波側(cè)次之，波峰最小，變化曲線均有一定的對稱性，且波峰應(yīng)變變化幅度要大于波谷和波側(cè)，波峰與波側(cè)在管周60°和120°范圍應(yīng)變值最大，波谷在90°范圍應(yīng)變值最大。

4 運營過程中不同填料的影響分析

運營過程中，車輛荷載對波紋管的結(jié)構(gòu)和形狀整體性的影響也與填料有很大的關(guān)系。填料包括波紋管下部鍥形部、側(cè)邊、管上部等部位的填料，其自身的物理化學(xué)特性對波紋管的耐久性及管間受力有很大影響，同時也影響波紋管周的填筑技術(shù)和要求。

針對工程所處的水文地質(zhì)情況，考慮對4種填料的影響情況進(jìn)行分析，包括細(xì)砂(填料1)、級配砂粒碎石(填料2)、穩(wěn)定砂粒(填料3)、混凝土(填料4)。填料的物理參數(shù)考慮彈性模量、泊松比、密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角5項指標(biāo)。通過對4種材料的切向應(yīng)力和沉降進(jìn)行分析，確定不同材料性質(zhì)對波紋管受力的影響。

不同填料下側(cè)邊管的切向應(yīng)力分布如圖10所示，可知：混凝土壓應(yīng)力最小，細(xì)砂、級配砂礫碎石、穩(wěn)定砂粒的壓應(yīng)力較大，4種填料的應(yīng)力變化規(guī)律基本相同。由此可見，填料的剛度對于壓應(yīng)力有很大的影響。隨著填料剛度的增強，壓應(yīng)力會有所降低，說明填料本身的剛度已經(jīng)分擔(dān)了運營中外部荷載對管及填料系統(tǒng)的力學(xué)作用，使得整體應(yīng)力減小。從這方面來說，剛性好的材料更能起到承載上部車輛荷載的作用[11-12]。

圖10 不同填料下側(cè)邊管的切向應(yīng)力分布

不同填料沿水平方向填土層頂部沉降曲線如圖11所示，可知管頂位置處的豎向沉降有明顯減小，填料剛性越強，管頂上方的豎向位移越小。假設(shè)遠(yuǎn)離波紋管兩側(cè)的地層沉降變形量不變，管頂上方與周邊遠(yuǎn)離的兩側(cè)填土間的沉降差較大，尤其對于剛性強的填料，沉降差會更大，說明水平方向產(chǎn)生沉降的不均勻性更大，從而增加了波紋管與填土接口位置出現(xiàn)“橋頭跳車”的危險性[13]。從這方面考慮，剛性很大的材料對后期運營車輛的行車舒適度和安全性有一些影響。

圖11 沿著水平面方向填土層頂部沉降曲線

綜合以上研究可知，填料的選擇不能只考慮車輛荷載的作用，還要考慮自身特性對變形協(xié)調(diào)性和沉降變形量的影響，要對楔形部位、管周及管頂部位采用不同的回填材料進(jìn)行填筑，同時也要針對施工現(xiàn)場，考慮利用周邊原狀土，從而便于施工，減少各類消耗，兼顧施工方便性與經(jīng)濟(jì)合理性。

5 施工工藝優(yōu)化

通過有限元分析軟件對波紋管高填方路堤建立較為合理的有限元力學(xué)模型，系統(tǒng)地分析運營過程中車輛和填土對鋼波紋管涵洞受力的影響，得出管周60°～120°的應(yīng)變值最大。所以，在波紋管涵施工過程中，應(yīng)注意管周60°～120°的回填質(zhì)量，確保回填壓實度滿足要求；同時，針對波紋管涵不同部位采取不同的回填材料，充分考慮材料對波紋管應(yīng)力的影響，確保填料與管涵的整體協(xié)調(diào)性良好，如圖12所示。

圖12 波紋管管周夯實

根據(jù)以上分析，在施工過程中對波紋管不同部位采取不同的回填方法，其中管頂以下分為3個區(qū)域：楔形區(qū)域、小徑距管周區(qū)域、兩端管外側(cè)區(qū)域；管頂以上在管頂及管周60°范圍內(nèi)以1 m、2 m為界分3層進(jìn)行回填，覆土層越薄，壓實機械要越輕，如圖13所示。管底兩側(cè)楔形部位初壓采用木棒搗實的方法，小徑距管間與管外側(cè)初壓采用蛙式夯實機逐層逐點進(jìn)行，初壓后采用灑水車或其他水源在回填區(qū)進(jìn)行蓄水，并配以人工及小型機械進(jìn)行二次夯實，確保達(dá)到設(shè)計壓實度。管頂采用手扶振動壓路機及6 t壓路機進(jìn)行碾壓，確保在壓實度滿足要求的前提下，波紋管的結(jié)構(gòu)變形量不超過±2%[14]。

圖13 波紋管上部回填

楔形部位回填材料采用級配良好的天然砂礫，含水量比最佳含水量大2%為最優(yōu)，并且在距離管涵30 cm范圍的填料內(nèi)，不得有尺寸超過8 cm 的石塊、混凝土塊、凍土塊、高塑性黏土塊或其他有害物質(zhì)。小徑距管間和管外側(cè)的回填與楔形部位同時分層進(jìn)行，回填材料采用級配良好的天然砂礫或級配碎石。涵管頂部填土利用現(xiàn)場原狀土即可，但需進(jìn)行篩選，砂類土、礫類土是回填最理想的填土材料，也可采用碎石或礫、卵石與細(xì)粒土的混合料。當(dāng)細(xì)粒土的成分為黏性土或粉土?xí)r，所摻入的石料體積應(yīng)占總體積的2/3以上。

大直徑波紋管涵管頂填土?xí)r，為了能夠確?；靥顚Σy管的結(jié)構(gòu)和形狀影響最小，變形不超過±2%，除了嚴(yán)格按要求進(jìn)行分層回填外，對直徑大于2 m的管涵，可在管內(nèi)設(shè)置十字支撐，豎向和橫向均設(shè)置臨時支撐，防止其在填土過程中產(chǎn)生變形。管內(nèi)的臨時支撐在填土不再下沉后方可拆除。

6 結(jié) 語

本研究通過理論分析對波紋管高填方路堤建立了較為合理的有限元力學(xué)模型，系統(tǒng)地分析了運營過程中車輛和不同類型的填土對鋼波紋管涵洞受力的影響；同時針對分析結(jié)果對現(xiàn)場波紋管施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用分層回填方式，并對波紋管涵不同部位采取不同的回填材料和回填方式，充分考慮材料對波紋管應(yīng)力的影響，確保填料與管涵的整體協(xié)調(diào)性良好、針對性強，保證回填質(zhì)量，減少了后期不均勻沉降對路面的影響。