公路鋼波紋管涵洞施工力學(xué)性能分析

孫 軍， 杜玉生

(中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011)

涵洞作為連接公路工程兩側(cè)水系、交通的建筑結(jié)構(gòu)，在減小公路對(duì)于兩側(cè)環(huán)境的隔離方面起到重要的作用。目前公路工程中，應(yīng)用較多的涵洞材質(zhì)為鋼筋混凝土和圬工砌體[1]。涵洞建設(shè)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，其設(shè)計(jì)和施工工藝已日益成熟。但是目前應(yīng)用較多的混凝土和漿砌塊石涵洞，主要有以下不足：對(duì)于基礎(chǔ)要求較高以避免不均勻沉降、漿體凝固需要一定的時(shí)間導(dǎo)致過程施工周期長、混凝土和漿體結(jié)構(gòu)易發(fā)生損傷導(dǎo)致交通不順暢、寒冷地區(qū)和沿海地區(qū)結(jié)構(gòu)凍漲腐蝕、以及運(yùn)營時(shí)期的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)等。鋼波紋管涵的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這些不足，波紋管作為柔性結(jié)構(gòu)，有良好的變形協(xié)調(diào)性，整體性較強(qiáng)。在承受周圍土體作用時(shí)，自身的圓形截面形成一個(gè)穩(wěn)定的封閉區(qū)間，有較強(qiáng)的抵抗變形的能力，且各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)造不存在應(yīng)力集中，避免局部結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致整體性能的喪失，因此在特殊地質(zhì)條件下也能正常使用，具有較為廣泛的應(yīng)用前景[2-4]。國內(nèi)外大量學(xué)者已對(duì)鋼波紋管的使用形式、受力特征、以及特殊地區(qū)的建設(shè)進(jìn)行深入的研究[5]。本文結(jié)合具體工程，通過對(duì)比鋼波紋管涵洞與按照標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)的混凝土蓋板涵洞、圬工拱涵的數(shù)值模擬，考慮施工階段，對(duì)比分析三類涵洞施工過程中的受力特征，為公路工程中鋼波紋管涵洞的應(yīng)用提供借鑒。

1 涵洞工程概況

1.1 鋼波紋管涵洞

鋼波紋管尺寸為：波距200 mm，波高55 mm，波峰波谷半徑53 mm，厚度3 mm，半徑r=0.85 m，鋼波紋管材質(zhì)為Q235型號(hào)鋼。設(shè)計(jì)的鋼波紋管涵洞與路基布置如圖1、圖2所示。

圖1 涵洞整體模型

圖2 鋼波紋管涵洞模型

1.2 混凝土混凝土蓋板涵洞與漿砌塊石拱式涵洞

混凝土蓋板涵洞寬5.4 m，高3.86 m，涵洞長共59.43 m，上覆蓋層厚度8.96 m，涵身采用C30鋼筋混凝土，洞口部分采用5#漿砌片石。漿砌塊石拱式涵洞跨徑3 m，總凈高4.8 m，上覆蓋層厚度7.3 m，涵洞水平通道長53.58 m，涵身為7.5漿砌條石，洞口部分采用5#漿砌片石。

1.3 安全評(píng)估方法

該安全評(píng)估主要采用有限元數(shù)值分析方法。數(shù)值模擬主要采用Midas GTS軟件建立路基-涵洞-道路三維結(jié)構(gòu)模型，分析涵洞施工過程及通車后的應(yīng)力、變形是否滿足規(guī)范要求。

數(shù)值模擬主要采用Midas GTS軟件進(jìn)行分析。數(shù)值模擬的基本原則及基本假定如下：

(1)數(shù)值模擬方法采用地層結(jié)構(gòu)法。巖土層視為各向同性理想彈-塑性材料，巖土層厚度按照勘察報(bào)告提交的巖體參數(shù)進(jìn)行選取?；靥钔梁蜕百|(zhì)泥巖采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，漿砌塊石、水泥混凝土、瀝青混凝土和鋼波紋管結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，

(2)巖土層力學(xué)參數(shù)按照勘察報(bào)告提交的巖體參數(shù)及JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中圍巖參數(shù)取值參考，并考慮到水、斷層和裂隙等不良地質(zhì)情況作了相應(yīng)折減后進(jìn)行綜合確定。

1.4 評(píng)估分析模型

(1)采用三維模型分析，按照道路走向與涵洞走向垂直建模。

(2)模型計(jì)算范圍：模型的長寬取值依據(jù)為邊界范圍對(duì)涵洞開挖影響的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，一般在兩側(cè)3倍涵洞跨后，邊界對(duì)洞室開挖幾乎沒有影響。同時(shí)該范圍要大于圍巖自然穩(wěn)定坡率寬度。

(3)模型邊界條件：模型的水平方向邊界約束X、Y方向DE 位移，底部邊界為約束其豎直方向位移，模型上部無約束。

1.5 模擬計(jì)算過程

項(xiàng)目按照設(shè)計(jì)施工方法進(jìn)行了該區(qū)段的開挖過程的全過程模擬，共計(jì)有4個(gè)計(jì)算步，對(duì)應(yīng)有3種工況，每個(gè)計(jì)算步代表一個(gè)開挖或者施工過程。具體模擬過程為：

第1步：模擬初始應(yīng)力場。計(jì)算自重場，讀入自重場應(yīng)力文件，模擬開挖后路基結(jié)構(gòu)，保存施工前的初始應(yīng)力場。

第2步：模擬涵洞施工過程。包括涵洞施工、回填土施工。

第3步：模擬路面施工。

第4步：施加車輛荷載，模擬車輛荷載作用下波紋管的受力情況。

2 涵洞力學(xué)性能分析

分析三類涵洞在開挖、回填、路面施工及車輛荷載作用各施工階段時(shí)的應(yīng)力和變形，以及路面的變形和不平整度，對(duì)比分析不同類型涵洞的受力性能。

2.1 漿砌塊石拱涵洞穩(wěn)定性分析

由數(shù)值模型分析得到漿砌塊石拱涵洞的位移和應(yīng)力云圖可以得出以下結(jié)論：

(1)涵洞施工過程中，涵洞累積最大拉應(yīng)力為0.107 MPa，累積最大壓應(yīng)力為3.401 MPa，其位置為涵洞洞口處。

(2)涵洞施工過程中，涵洞最大累計(jì)沉降差為6.09 mm；最大累計(jì)水平位移差為9.799 mm。

(3)涵洞施工過程中，路面最大不平整度為0.58 mm。

2.2 混凝土蓋板涵洞穩(wěn)定性分析

由數(shù)值模型分析得到混凝土蓋板涵洞的位移及應(yīng)力云圖可得出一下結(jié)論：

(1)涵洞施工過程中，涵洞累積最大拉應(yīng)力為0.17 MPa，最大累積壓應(yīng)力為4.30 MPa。

(2)涵洞施工過程中，涵洞最大沉降增量為0.173 mm，涵洞最大累計(jì)沉降差為5.5 mm；最大水平位移累計(jì)差為0.46 mm。

(3)涵洞施工過程中，路路面最大不平整度為1.28 mm。

2.3 鋼波紋管涵洞穩(wěn)定性分析

鋼波紋管涵洞的位移及應(yīng)力如圖3～圖5所示。

圖3 波紋管應(yīng)力

圖4 波紋管豎直位移

圖5 路面豎向位移

通過對(duì)波紋管施工過程中，波紋管的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)涵洞施工過程中，波紋管頂部底部位置處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為8.55 MPa。

(2)涵洞施工過程中，波紋管頂部位置處出現(xiàn)最大豎向位移，為0.189 mm。

(3)涵洞施工過程中，路面最大豎向位移為0.226 mm。最大不平整度為0.19 mm

2.4 涵洞力學(xué)性能對(duì)比分析

分析三類涵洞施工的力學(xué)性能，可得其變形、應(yīng)力結(jié)果總結(jié)如表1所示。

表1 涵洞變形和應(yīng)力

由表1可知，相比于漿砌塊石拱涵和混凝土蓋板涵洞，鋼波紋管涵洞的拉應(yīng)力較大，即鋼波紋管依靠自身剛度抵抗周圍土地的變形，使得道路的路面不平整度相較于拱涵降低了67.24 %，相較于混凝度蓋板涵降低了85.16 %。

3 結(jié) 論

通過建立數(shù)值模型，分析漿砌塊石拱式涵洞、混凝土蓋板涵洞和鋼波紋管涵洞的變形和受力，得出以下結(jié)論：

(1)鋼波紋管相較于傳統(tǒng)的圬工材料波紋管，沉降量更小，有利于涵洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(2)由于鋼波紋管自身強(qiáng)度高，周圍土體結(jié)構(gòu)的變形主要有鋼波紋管承擔(dān)，鋼波紋管的應(yīng)力較大，但是由于鋼波紋管自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強(qiáng)，有效的降低了路面不平整度。