波紋鋼管涵上覆土不均勻沉降防治探討

洪 杰

（安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

波紋鋼管涵具有現(xiàn)場(chǎng)施工效率高、質(zhì)量控制好、方便運(yùn)輸與應(yīng)用、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用前景良好。此外，由于波紋鋼管涵的波紋的存在，使管涵在橫向具有比無(wú)波紋時(shí)更大的剛度，同時(shí)，在管涵縱向具有良好的柔性，其變形性能良好，可充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)與變形性能。波紋鋼管涵在縱向彎曲變形時(shí)，只需改變波紋參數(shù)即可彎曲，因此基本不會(huì)出現(xiàn)管徑變化。因此波紋鋼管涵在縱向上具有良好的適應(yīng)地層的變異性，尤其適用于既有公路拓寬工程。

我國(guó)對(duì)于波紋鋼管涵的研究還處于起步階段，雖然我國(guó)已建設(shè)了幾座波紋鋼板橋涵，如1997 年上海浦東張橋鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)，跨徑4.46 m、2001年湖北荊州區(qū)里李埠小橋。但主要借鑒國(guó)外的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和資料，還沒(méi)有比較完善的設(shè)計(jì)施工規(guī)范，波紋鋼管涵坍塌破壞事故屢屢發(fā)生，阻礙了波紋鋼管涵結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣和應(yīng)用[l-3]。自19世紀(jì)末起，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本等國(guó)家就開(kāi)始研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用波紋鋼管涵，并制定了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)、制造、施工安裝手冊(cè)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；日本在1980 年的《日本高等級(jí)公路設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)波紋鋼管涵做了較為詳細(xì)的規(guī)定；國(guó)外專(zhuān)家對(duì)這種新型的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，取得了一定的成就[4-5]。然而，從調(diào)研結(jié)果來(lái)看，國(guó)外現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范主要從管涵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性來(lái)考慮，極少考慮管涵對(duì)公路路基與路面的強(qiáng)度、穩(wěn)定性與耐久性的影響[6-11]。

波紋鋼管涵的作為地下結(jié)構(gòu)，其變形性能與其周?chē)牡貙幼冃涡阅芡耆煌?，以及工程?yīng)用注意事項(xiàng)不明確，導(dǎo)致波紋鋼管涵的應(yīng)用受限，或應(yīng)用后易導(dǎo)致工程病害。本論文對(duì)波紋鋼管涵對(duì)公路路基路面的影響進(jìn)行了分析，并分別提出了對(duì)上埋式與溝埋式波紋鋼管涵進(jìn)行上覆土加筋的建議與方法。

1 波紋鋼管涵對(duì)公路面的影響分析

某公路改建工程項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m，路面寬21 m，很大一部分路段為老路拓寬段，瀝青混凝土路面。涵洞達(dá)137道，均采用波紋鋼管涵，直徑范圍為1～4.5 m，涵頂上覆土厚度為0.8～4.8 m不等。為了避免因波紋鋼管涵與周?chē)馏w不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致路面不平順，結(jié)合本工程實(shí)際面臨的問(wèn)題分析波紋鋼管涵對(duì)公路面的影響。

對(duì)于既有的公路，在管涵施工時(shí)先開(kāi)挖溝槽，將波紋鋼管涵放置在溝槽中，再進(jìn)行填土埋設(shè)，因此，管涵在既有公路底部屬于典型的溝埋式管涵，如圖1所示。而對(duì)于新建公路或既有公路旁的擴(kuò)建公路的底部管涵，施工時(shí)采逐層填筑的方式完成管涵埋設(shè)，因此管涵屬于上埋式管涵，如圖2所示。然而，在傳統(tǒng)的觀念中，上埋式管涵因其剛度大，在逐層填筑時(shí)因管涵兩側(cè)土體的豎向壓縮量大于管涵的豎向壓縮變形，導(dǎo)致管涵正上部土體單元的沉降量小于其兩側(cè)土體的沉降量，同此使管涵正上部土體單元受到兩側(cè)土體對(duì)其產(chǎn)生的向下剪切力，如圖2所示。但對(duì)于本工程的管涵結(jié)構(gòu)，盡管有波紋的存在，但其剛度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管涵，即為柔性管涵。在上部埋土?xí)r，管涵的豎向壓縮變形量較大，當(dāng)管涵的豎向壓縮變形量大于其兩側(cè)土體的豎向壓縮量時(shí)，導(dǎo)致管涵正上部土體單元的沉降量大于其兩側(cè)土體的沉降量，從而導(dǎo)致管涵正上部土體單元受到其兩側(cè)土體對(duì)產(chǎn)生的向上剪切力，如圖3所示。對(duì)于圖2與圖3的兩種不同剛度的上埋式管涵，管涵周?chē)耐翂毫εc結(jié)構(gòu)變形明顯完全不同，管涵對(duì)路基路面的影響模式也完全不同。

圖1 溝埋式管涵

圖2 上埋式剛性管涵

圖3 上埋式柔性管涵

由圖1～圖3可知，由于管涵結(jié)構(gòu)與土層無(wú)法達(dá)到協(xié)調(diào)變形，將導(dǎo)致管涵上覆土層出現(xiàn)不均勻沉降。管涵作為公路路基底部的結(jié)構(gòu)物時(shí)，其對(duì)路基路面的影響不可忽略。圖4與圖5分別為上埋式剛性管涵與上埋式柔性管涵的上覆土沉降趨勢(shì)示意圖。對(duì)于柔性管涵，因上覆土易出現(xiàn)較大的沉降量，導(dǎo)致路面基底強(qiáng)度不足，從而導(dǎo)致公路路面出現(xiàn)開(kāi)裂，如圖6所示。

圖4 上埋式剛性管涵

圖5 上埋式柔性管涵

圖6 路面開(kāi)裂

2 管涵上覆土不均勻沉降建議

鑒于波紋鋼管涵對(duì)路基路面的影響因素復(fù)雜，為了減小管涵上覆土不均勻沉降對(duì)路基路面的影響，且基于上埋式管涵與溝埋式管涵的影響機(jī)基理與施工方法的不同，在此分別提出管涵上覆土加筋措施。

2.1 上埋式管涵上覆土加筋措施

公路新建設(shè)或擴(kuò)建設(shè)時(shí)，管涵的填埋方式為上埋式，為減少管涵上覆土的不均勻沉降，在管涵上部填土過(guò)程中進(jìn)行鋪設(shè)土工格柵，其基本方法如下。

（1） 在管涵頂部開(kāi)始鋪設(shè)土工格柵，直到路床頂面 （包括在床頂面鋪設(shè)土工格柵） ；

（2） 每一層土工格柵之間的垂直距離應(yīng)和填土厚度保持一致，建議土工格柵之間垂直距離值宜在20～35 cm之間，即填土過(guò)程中，將每層填土的壓實(shí)厚度控制在20～35 cm；

（3） 土工格柵的長(zhǎng)度不小于5D （D為波紋鋼管涵的直徑） ，如圖7所示。

圖7 上埋式波紋鋼管涵

2.2 溝埋式管涵上覆土加筋措施

既有公路埋設(shè)管涵基本為上埋式管涵，為減少管涵上覆土的不均勻沉降，以及再次填土與原有填土之間的不均勻沉降，在管涵上部填土過(guò)程中進(jìn)行鋪設(shè)土工格柵，其基本方法如下。

（1） 溝埋式管涵填埋過(guò)程中，從路基面向下進(jìn)行放坡開(kāi)挖，坡度根據(jù)原有填土的穩(wěn)定性確度，一般約為45° （具體根據(jù)原路基填土的穩(wěn)定性確定）。

（2） 開(kāi)挖到管涵的設(shè)計(jì)底部時(shí)，管涵側(cè)部距離基底兩側(cè)的距離l不＜2 m，如圖9所示，以方便施工人員進(jìn)行波紋鋼管涵拼裝、填土和鋪設(shè)土工格柵 （l具體大小根據(jù)施工的方便性進(jìn)行考慮）。

（3） 溝埋式管涵從底部填土開(kāi)始鋪設(shè)土工格柵，直到路床頂面 （包括在床頂面鋪設(shè)土工格柵） ，以加強(qiáng)回填土與原有填土之間的搭接，減少回填土與原有填料之間的不均勻沉降。

（4） 在回埋過(guò)程中，為減小回填土與原有填土之間的不均勻沉降，在邊坡上開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階的高度與下一層填土的厚度相同，臺(tái)階的寬度與臺(tái)階的高度相同。

（5） 每一層土工格柵之間的垂直距離應(yīng)和填土厚度保持一致，建議土工格柵之間垂直距離值宜在20～35 cm之間，即填土過(guò)程中，將每層填土的壓實(shí)厚度控制在20～35 cm。

（6） 土工格柵的端部應(yīng)鋪設(shè)至臺(tái)階的底部，其長(zhǎng)度與鋪設(shè)位置有關(guān)，如圖6所示。

圖8 溝埋式波紋鋼管涵

2.3 溝埋式管涵上覆土加筋措施

土工格柵基本要求

波紋鋼管涵工程中所用的土工格柵需要滿(mǎn)足加筋土路堤和加筋土擋土墻中的基本要求和技術(shù)性能指標(biāo)。具體要求如下：（1） 土工格柵極限抗拉強(qiáng)度不應(yīng)＜25 kN/m，優(yōu)先選用極限抗拉強(qiáng)度不＜35 kN/m；（2） 優(yōu)先選用強(qiáng)度高、變形小、粗糙度大、抗老化、蠕變變形小的土工格柵；（3） 土工格柵極限抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的延伸率，高密度聚乙烯土工格柵不應(yīng)＞12%，其他土工格柵不應(yīng)＞10%。

為了達(dá)到良好的加筋效果，在管涵上覆土進(jìn)行土工格柵加筋時(shí)，提出如下施工控制要點(diǎn)。

（1） 鋪設(shè)土工格柵時(shí)，應(yīng)將強(qiáng)度高的方向鋪設(shè)于垂直管涵的軸線方向 （即公路的縱向） ；

（2） 在垂直于管涵的軸線方向上，土工格柵不允許采用連接；

（3） 同一層的土工格柵在管涵的軸線方向上應(yīng)有不＜10 cm搭接；

（4） 土工合成材料的鋪設(shè)時(shí)應(yīng)拉緊，不得有褶皺，必要時(shí)可用插釘固定，筋材拉緊固定后，應(yīng)立即填鋪上層填料；

（5） 鋪設(shè)土工合成材料的填土表面應(yīng)平整，不得有堅(jiān)硬凸出物，嚴(yán)禁碾壓機(jī)械直接在土工合成材料表面上進(jìn)行碾壓；機(jī)械行駛時(shí)，其筋材上填料覆蓋厚度不應(yīng)＜20 cm；

（6） 土工合成材料攤鋪后應(yīng)及時(shí)填筑材料，避免陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間直接照射；

（7） 填料必須分層填筑、碾壓，分層厚度以20～30 cm為宜。

3 結(jié)語(yǔ)

因波紋鋼管涵與路基填土屬于不同的變形結(jié)構(gòu)，在上部荷載作用下，波紋鋼管涵與其同深度范圍內(nèi)的填土的豎向變形無(wú)法做到絕對(duì)地協(xié)調(diào)。完成路面鋪設(shè)后，在車(chē)輛荷載反復(fù)作用下，易導(dǎo)致管涵上覆土層出現(xiàn)不均勻沉降，進(jìn)而易導(dǎo)致路面開(kāi)裂、破損，直接影響到道路的使用質(zhì)量，并影響到路基的使用壽命。文章針對(duì)具體的工程案例分析，得到了以下結(jié)論與建議。

（1） 波紋鋼管的橫向變形剛度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管涵，但是，波紋鋼管涵剛度大小是一個(gè)相對(duì)概念，具體與管涵周?chē)奶钔劣嘘P(guān)。不同剛度的上埋式管涵周?chē)耐翂毫εc結(jié)構(gòu)變形明顯完全不同，管涵對(duì)路基路面的影響模式也完全不同。

（2） 波紋鋼管涵對(duì)路基路面的影響因素復(fù)雜，為了減小管涵上覆土不均勻沉降對(duì)路基路面的影響，建議在波紋鋼管涵上覆土進(jìn)行土體加筋。

（3） 基于上埋式管涵與溝埋式管涵的影響機(jī)基理與施工方法的不同，在此分別提出管涵上覆土加筋措施，并對(duì)施工方法提出的具體建議。

（4） 對(duì)于溝埋式管涵，在回埋過(guò)程中，為減小回填土與原有填土之間的不均勻沉降，在邊坡上開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階的高度與下一層填土的厚度相同，臺(tái)階的寬度與臺(tái)階的高度相同，且土工格柵的端部應(yīng)鋪設(shè)至臺(tái)階的底部。