不同地基鋼波紋管涵洞受力特征及施工工藝分析

張 力，趙 侶，胡 濱，3

（1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.中交四公局國際工程分公司，北京 100123；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075）

1 概述

鋼波紋管是采用工廠生產(chǎn)，將鋼板壓制成為一定波紋形式的板件。目前，鋼波紋管涵洞已經(jīng)在全國大部分省份進(jìn)行了應(yīng)用，特別是在青海、西藏、云南、江西、湖北、廣東、陜西等省份高速公路上大面積推廣使用，且有迅速增長的趨勢。相比較于混凝土結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場拼裝的鋼波紋管涵洞具有多方面的優(yōu)勢：（1）工廠采用滾輪碾壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)形式及質(zhì)量易控，且運(yùn)輸方便。（2）工地現(xiàn)場拼裝連接，施工工藝簡單，施工速度快，在保證施工質(zhì)量的同時(shí)縮短了施工工期。（3）鋼波紋管軸向波紋的存在使得整體受力更加均勻，特別是在特殊地區(qū)（如凍土區(qū)、濕陷性黃土區(qū)、軟土區(qū)）鋼波紋管涵洞可解決混凝土涵洞由于基礎(chǔ)不均勻沉降引起的較大變形問題。（4）減少了砂石材料的開采，減少了環(huán)境污染，且鋼波紋板可回收利用。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國于1896年在本國內(nèi)對(duì)鋼波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了公路涵洞、通道方面的研究，給出了可行性的研究結(jié)論，對(duì)鋼波紋管結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用建立了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。加拿大于1929在本國內(nèi)首次將鋼波紋管應(yīng)用在煤礦區(qū)，并取得了成功。此后，日本在本國大量應(yīng)用鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，于1990年編制了鋼波紋管方面的設(shè)計(jì)規(guī)范，納入《日本高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，為鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑒定了基礎(chǔ)。

截止目前，鋼波紋管涵洞在美國、加拿大等國家公路工程中均有推廣應(yīng)用，并進(jìn)行了不同工程結(jié)構(gòu)的研究，制定了設(shè)計(jì)、制造及施工安裝手冊(cè)。

國內(nèi)中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司首次于1997年在我國青藏公路修建了三道鋼波紋管涵洞，獲得了現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了初步成功，解決了高原地區(qū)多年凍土區(qū)混凝土涵洞的凍融破壞病害難題，提高了涵洞工程在多年凍土地區(qū)的使用壽命，促進(jìn)了鋼波紋管結(jié)構(gòu)在公路工程中的應(yīng)用。1998年，上海市政工程設(shè)計(jì)研究院引進(jìn)國外直徑4 m鋼波紋管結(jié)構(gòu)，在上海新開河進(jìn)行了應(yīng)用，組織人員測試了車輛荷載作用下鋼波紋管涵洞的應(yīng)力應(yīng)變，并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，獲得了大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，取得顯著的研究成果。2000—2019年中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司持續(xù)10年先后依托實(shí)體工程，做了大量不同直徑、不同波形、不同填土高度情況下鋼波紋管涵洞的應(yīng)用，并進(jìn)行了系統(tǒng)性研究工作，形成了鋼波紋管涵洞的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量檢驗(yàn)成套技術(shù)，并編制了多部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，取得了多項(xiàng)技術(shù)成果，規(guī)范了市場，促進(jìn)了波紋鋼行業(yè)的發(fā)展。

從國外的研究來看，成果多偏向于鋼波紋管涵洞調(diào)研、總結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)的編制；國內(nèi)多為現(xiàn)場實(shí)測結(jié)合有限元模擬分析不同孔徑、波形、填土高度的鋼波紋管涵洞的管內(nèi)應(yīng)力和管外土壓力，關(guān)于不同基礎(chǔ)的鋼波紋管涵洞研究則很少，也沒有對(duì)基礎(chǔ)材料的要求進(jìn)行分析，因此很有必要對(duì)不同基礎(chǔ)的鋼波紋管涵洞進(jìn)行研究。

鋼波紋管涵洞為柔性結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)不能使用混凝土等剛性材料，而且基礎(chǔ)材料強(qiáng)度不夠或壓實(shí)不充分往往會(huì)引起結(jié)構(gòu)的過大變形或結(jié)構(gòu)的破壞。針對(duì)這一問題，本項(xiàng)目采用直徑4 m鋼波紋管涵洞，波形參數(shù)為波長200 mm×波高55 mm、壁厚7 mm、管頂填土高度為1.6 m，管底回填基礎(chǔ)分為一般填土、碎石、天然砂礫、級(jí)配碎石四種情況下的鋼波紋管涵洞有限元模型，采用有限元數(shù)值模擬分析方法對(duì)不同地基鋼波紋管涵洞在車輛荷載作用下的受力和變形進(jìn)行研究。

3 不同地基鋼波紋管涵洞有限元模擬分析

3.1 模擬方案

采用有限元軟件進(jìn)行建模，施加公路一級(jí)荷載，對(duì)直徑4 m鋼波紋管涵洞的管頂、管底和管側(cè)三處軸線方向的應(yīng)力和變形進(jìn)行對(duì)比分析。不同回填基礎(chǔ)的參數(shù)見表1。

表1 不同回填基礎(chǔ)的參數(shù)

3.2 工況說明

車輛荷載按照國內(nèi)公路橋涵規(guī)范中要求的公路-1級(jí)汽車荷載形式，立面、平面尺寸見圖1、圖2，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 車輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 公路-Ⅰ級(jí)荷載立面布置（mm）

圖2 公路-Ⅰ級(jí)荷載平面（mm）

3.3 模擬結(jié)果分析

圖3 基礎(chǔ)為一般填土?xí)r模型變形

圖4 基礎(chǔ)為碎石時(shí)模型變形

采用有限元軟件建立鋼波紋管涵洞模型，公路-1級(jí)汽車荷載后軸作用于鋼波紋管涵洞管頂正上方路基頂面，模擬分析不同基礎(chǔ)（一般填土、碎石、天然砂礫、級(jí)配碎石）情況下鋼波紋管涵洞的應(yīng)力和變形規(guī)律。不同基礎(chǔ)的模型變形見圖3～圖6。

圖5 基礎(chǔ)為天然砂礫時(shí)模型變形

圖6 基礎(chǔ)為級(jí)配碎石時(shí)模型變形

3.3.1 應(yīng)力分析

管頂、管底和管側(cè)的應(yīng)力變化曲線見圖7～圖9，可以看出：（1）車輛荷載作用下，不同基礎(chǔ)鋼波紋管涵洞管端的應(yīng)力值均小于管中。（2）管側(cè)的應(yīng)力值大于管頂、管底的應(yīng)力值，說明車輛荷載作用于路基頂部時(shí)，鋼波紋管涵洞由于縱向、軸向波紋的存在，管頂、管底的應(yīng)力向管側(cè)方向傳遞，引起管側(cè)受力較大。（3）不同材料基礎(chǔ)下鋼波紋管涵洞應(yīng)力從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級(jí)配碎石。（4）當(dāng)級(jí)配碎石基礎(chǔ)時(shí)，管底應(yīng)力明顯小于其它換填基礎(chǔ)，說明級(jí)配碎石增加了基礎(chǔ)的強(qiáng)度，可防止鋼波紋管涵洞整體沉降。（5）通過對(duì)比四種回填基礎(chǔ)情況下管頂、管底和管側(cè)的應(yīng)力值大小可知，回填基礎(chǔ)為級(jí)配碎石、天然砂礫時(shí)管涵所受應(yīng)力最小。

圖7 管頂應(yīng)力變化曲線

圖8 管底應(yīng)力變化曲線

圖9 管側(cè)應(yīng)力變化曲線

3.3.2 變形分析

管頂、管底和管側(cè)的位移變化曲線見圖10～圖12，可以看出：（1）各回填基礎(chǔ)工況下，從管涵管端到管中再到管涵端口，管涵位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，管中的位移最大。（2）荷載作用下鋼波紋管涵洞不同位置位移變化量大小關(guān)系為管頂＞管側(cè)＞管底。（3）不同材料基礎(chǔ)下管涵位移從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級(jí)配碎石。當(dāng)基礎(chǔ)強(qiáng)度較差時(shí)，通過改善基礎(chǔ)材料可以有效減少鋼波紋管涵洞的變形，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（4）對(duì)荷載作用下四種回填基礎(chǔ)的管頂、管底和管側(cè)的位移變化分析，回填基礎(chǔ)為級(jí)配碎石、天然砂礫時(shí)管涵所受應(yīng)力最小，與應(yīng)力分析結(jié)果一致。

圖10 管頂位移變化曲線

圖11 管底位移變化曲線

圖12 管側(cè)位移變化曲線

4 鋼波紋管涵洞施工要點(diǎn)

4.1 基礎(chǔ)施工

4.1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求

（1）由于鋼波紋管為柔性結(jié)構(gòu)，因此基礎(chǔ)不宜采用剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)現(xiàn)場施工條件限制，必須使用時(shí)應(yīng)設(shè)置砂礫緩沖層，減小剛性基礎(chǔ)對(duì)波紋管的破壞。（2）鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)成型時(shí)宜預(yù)留沉降量，應(yīng)根據(jù)鋼波紋管結(jié)構(gòu)的管底縱坡、管頂填土具體高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。高填方路基時(shí)（一般管頂填土高度大于8.0 m），應(yīng)針對(duì)具體情況對(duì)基礎(chǔ)承載力做單獨(dú)設(shè)計(jì)。

4.1.2 基礎(chǔ)材料要求及施工

（1）當(dāng)基礎(chǔ)為一般地質(zhì)土層時(shí)，應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)采用天然砂礫或級(jí)配碎石進(jìn)行換填；材料稀缺地區(qū)也可選用碎石土、礫石等材料，但應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)測試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求后方可使用。（2）對(duì)于膨脹土、濕陷性黃土等地區(qū)鋼波紋管涵洞除了基礎(chǔ)應(yīng)換填外，還應(yīng)做好隔水處理。（3）多年凍土區(qū)鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)涵位處凍土特征、上限深度、路基填土高度、施工季節(jié)、施工條件等因素綜合分析確定。涵洞基礎(chǔ)的選擇應(yīng)與凍土地基類型相適應(yīng)；當(dāng)?shù)鼗鶠楦邷貎鐾習(xí)r，基底應(yīng)進(jìn)行保溫隔熱處理?；A(chǔ)頂部可鋪設(shè)不小于0.3 m的砂礫或碎石墊層。（4）地基換填的寬度一般不宜小于涵管管徑兩側(cè)各加寬1.0～2.0 m的寬度要求，換填的長度應(yīng)結(jié)合涵洞管節(jié)總長度和涵洞出入口的鋪砌方式等確定，不應(yīng)小于管節(jié)總長度。

4.2 拼裝施工

（1）安裝前應(yīng)檢查涵底標(biāo)高、縱坡、中心軸線。首先拼裝底部鋼波紋板，以中心軸線為基準(zhǔn)確定第一張鋼波紋板，由下向上順次拼裝，圓周向連接應(yīng)采用錯(cuò)縫拼裝，兩片板連接孔對(duì)齊后進(jìn)行螺栓固定連接。（2）鋼波紋板件拼裝搭接時(shí)，上部板件應(yīng)在外側(cè)，以防止土體中水滲入管內(nèi)。（3）鋼波紋管全部拼裝完成后，應(yīng)用定扭汽動(dòng)扳手，控制扭矩為270～410 N·m，緊固所有螺栓。（4）預(yù)緊力扭矩符合要求后，用專用密封膠密封，以防鋼波紋板連接處滲水。

4.3 回填施工

填土應(yīng)從管涵兩側(cè)對(duì)稱分層（壓實(shí)后厚度小于0.3 m）回填，同時(shí)應(yīng)控制兩側(cè)回填的高程差不能大于0.6 m。楔形部位采用粗沙進(jìn)行“水密法”振搗密實(shí)。管頂上部機(jī)械壓實(shí)時(shí)，應(yīng)滿足最小填土高度（一般不小于0.5 m），先采用小型手扶振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)，后采用小型壓路機(jī)壓實(shí)，填土厚度超過0.8 m后，方可采用20 t壓路機(jī)振壓。

5 結(jié)語

（1）國內(nèi)外對(duì)鋼波紋管涵洞均做了大量的應(yīng)用和研究，結(jié)構(gòu)形式多為同一換填基礎(chǔ)情況下的受力分析或模擬分析，關(guān)于不同基礎(chǔ)材料的鋼波紋管涵洞應(yīng)力、變形的研究則很少有報(bào)道。（2）不同基礎(chǔ)材料對(duì)鋼波紋管涵洞的應(yīng)力影響較大，從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級(jí)配碎石。（3）通過改善基礎(chǔ)材料可有效改善鋼波紋管涵洞的受力和變形，建議基礎(chǔ)換填材料選用級(jí)配碎石或天然砂礫。材料稀缺地區(qū)也可選用碎石土、礫石等材料，但應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)測試，滿足規(guī)范要求后方可使用。（4）鋼波紋管涵洞應(yīng)做好施工組織，拼裝施工應(yīng)控制好板片之間的連接，且管涵兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱回填，同時(shí)各環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保施工質(zhì)量。