大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征及施工工藝

羅學(xué)睿，胡 濱,2，何 強(qiáng)

（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.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075；3.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021）

引言

鋼波紋管結(jié)構(gòu)最早在英國的公路排水、通道工程中應(yīng)用，后在美國、加拿大大量推廣。美國一些機(jī)構(gòu)主要在其防腐方面進(jìn)行了大量調(diào)研及試驗(yàn)研究，總結(jié)了防腐研究成果及應(yīng)用工程的施工工藝，形成了相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊或施工技術(shù)規(guī)范。日本和韓國借鑒美國經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)的探索，獲得了成功并取得了一些成果，也形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)［1-5］。另外，一些非洲國家也進(jìn)行了小孔徑的應(yīng)用，取得了成功。我國于1997 年首次在青藏公路中應(yīng)用鋼波紋管結(jié)構(gòu)，后逐漸推廣應(yīng)用。近年來，國內(nèi)對鋼波紋管涵洞研究進(jìn)一步深入，形成了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)［6-7］。國內(nèi)學(xué)者雖然對其進(jìn)行了一定試驗(yàn)和分析，但關(guān)于其施工過程中受力情況的現(xiàn)場測試及分析的研究較少，也沒有形成系統(tǒng)的施工工藝［8-9］，因此，有必要對大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征和施工工藝進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方案

山西離隰高速由于多山地形的影響，全線多采用鋼波紋管涵洞。依托工程為孔徑4.0 m 的鋼波紋管涵洞，所用材料為Q355 鋼材，采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，并進(jìn)行鍍鋅防腐，運(yùn)輸至現(xiàn)場后采用乳化瀝青進(jìn)行二次防腐。管頂上填土為素土，高度6.0 m。

1.1 管內(nèi)應(yīng)變布置方案

管內(nèi)應(yīng)變片布置時應(yīng)選擇路中位置的波峰、波谷和波側(cè)斷面，按照不同角度進(jìn)行布置，共計(jì)15 個測點(diǎn)，見圖1、圖2。

圖1 應(yīng)變片布置斷面/（°）

圖2 應(yīng)變片布設(shè)平面

1.2 現(xiàn)場測試工況

鋼波紋管涵洞管頂以上采用分層進(jìn)行填筑，壓路機(jī)進(jìn)行充分振動壓實(shí)后遠(yuǎn)離鋼波紋管20.0 m 以外并停止作業(yè)，然后采集數(shù)據(jù)，見表1。

表1 現(xiàn)場測試工況

2 鋼波紋管涵洞應(yīng)變變化規(guī)律分析

2.1 波峰應(yīng)變隨填土高度變化測試結(jié)果

波峰應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果，見圖3。

圖3 波峰應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果

由圖3 可以得出：（1）整個施工過程中（管頂填土0.5 ～6.0 m），初期1.0 m 以內(nèi)，各角度測試點(diǎn)均為拉應(yīng)變；填土2.0 m時，管周45°、90°為壓應(yīng)變；當(dāng)填土后期時（管頂5.0 ～6.0 m），由于機(jī)械的進(jìn)一步壓實(shí)，拉應(yīng)變和壓應(yīng)變值變化均較為平穩(wěn)，略微有大。（2）管頂0°、管底180°與管周135°在整個施工過程中均為拉應(yīng)變，但三者的增長幅度不同，其應(yīng)變值關(guān)系為管周135°＞管底180°＞管頂0°；管周45°和管側(cè)90°在施工開始時為拉應(yīng)變，后由于施工機(jī)械進(jìn)一步壓實(shí)管頂土層，轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變。（3）總體上，鋼波紋管上半圓和下半圓均是45°為最大應(yīng)變值，施工時應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測。（4）管頂填土1 m 范圍內(nèi)，部分角度應(yīng)變值存在交替變化的情況，可能是小型夯實(shí)機(jī)施工過程中對鋼波紋管有一定的擾動。

2.2 波谷應(yīng)變隨填土高度變化測試結(jié)果

波谷應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果，見圖4。

圖4 波谷應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果

由圖4 可以得出：（1）初始管頂填土1.0 m 以內(nèi)，不同測點(diǎn)的應(yīng)變值都為拉應(yīng)變，僅大小不同；當(dāng)管頂填土增加到2.0 m 時，管周45°和管側(cè)90°仍為拉應(yīng)變，但管頂0°、管底180°和管周135°轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，后隨著管頂填土高度的增加而增大；后期5.0～6.0 m時，各個不同角度應(yīng)變值變化略小。（2）與波峰變化規(guī)律正好相反：管周45°和管側(cè)90°為拉應(yīng)變，且應(yīng)變值大小為：管周45°＞管側(cè)90°。管頂0°、管底180°和管周135°為壓應(yīng)變，且管周135°應(yīng)變值隨填土高度的增長率最大，應(yīng)變關(guān)系為管周135°＞管底180°＞管頂0°。（3）最大拉、壓應(yīng)變分別在管周45°和管周135°處；均為上半圓管和下半圓管的45°位置。

2.3 波側(cè)應(yīng)變隨填土高度變化測試結(jié)果

波側(cè)應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果，見圖5。

圖5 波側(cè)應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果

由圖5 可得：（1）波側(cè)應(yīng)變規(guī)律與波峰、波谷具有相似性，管周135°和管底180°在管頂填土中均為壓應(yīng)變。（2）2.0 m 時，管周45°、90°和0°為壓應(yīng)變，并逐漸增大。（3）填土后期各角度應(yīng)變值趨于平穩(wěn)。

2.4 應(yīng)變隨填土高度變化的測試結(jié)果對比

對比圖3 ～圖5，可以得出：（1）管頂填土2.0 m范圍內(nèi)，部分角度應(yīng)變值性質(zhì)（拉應(yīng)變或壓應(yīng)變）存在交替變化的情況，產(chǎn)生力的重新分布，因此，應(yīng)做好機(jī)械與人力的配合。（2）波峰、波谷和波側(cè)在1.0 m 時呈現(xiàn)出拉應(yīng)變，進(jìn)一步施工，部分角度應(yīng)變值發(fā)生變化，應(yīng)變性質(zhì)出現(xiàn)變化（由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變）；填土后期（管頂+5.0 m 至管頂+6.0 m），各角度應(yīng)變增加較小，增長趨于平緩。（3）由于鋼波紋管波紋的存在，在土的荷載作用下，波峰和波谷同應(yīng)變值在同一角度正好相反，兩者具有互補(bǔ)性，有利于鋼波紋管的整體受力更加均勻，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。（4）波峰、波側(cè)在鋼波紋管側(cè)135°為最大拉應(yīng)變，最大壓應(yīng)變位于管側(cè)45°，而波谷相反。填土荷載過程中鋼波紋管最大受力均出現(xiàn)在上半圓或下半圓的45°。（5）比較波峰、波谷和波側(cè)，其中最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在鋼波紋管波峰的管周315°處，應(yīng)變?yōu)?43με；最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在波谷位置的管周315°角度，為105με，均小于鋼波紋管的允許應(yīng)變值，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

2.5 波峰應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

波峰應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律，見圖6。

圖6 波峰應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

由圖6 可以得出：（1）管頂0°不同角度測試結(jié)果均為拉應(yīng)變，而管周45°部分從開始的拉應(yīng)變變?yōu)閴簯?yīng)變，后90°逐漸減小，135°又變?yōu)槔瓚?yīng)變，后180°處變小。（2）管周45°和135°位置都發(fā)生了應(yīng)力集中，施工時為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)行必要的觀測。（3）隨著角度的轉(zhuǎn)變，應(yīng)變變化為拉應(yīng)變→壓應(yīng)變→拉應(yīng)變。

2.6 波谷應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

波谷應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律，見圖7。

圖7 波谷應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

由圖7 可以得出：波谷管頂0°各角度呈現(xiàn)出壓應(yīng)變，角度45°變化為拉應(yīng)變，角度90°變小，而角度135°轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)變，且至角度180°壓應(yīng)變減小。隨著角度轉(zhuǎn)變，規(guī)律為：壓應(yīng)變→拉應(yīng)變→壓應(yīng)變。

2.7 波側(cè)應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

波側(cè)應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律，見圖8。

圖8 波側(cè)應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

2.8 應(yīng)變沿管周角度變化測試結(jié)果對比

通過圖6 ～圖8 對比分析，可以得出：（1）隨著角度的變化，波峰和波側(cè)存在拉應(yīng)變→壓應(yīng)變→拉應(yīng)變的變化過程；而波谷正好相反。（2）波峰、波谷的應(yīng)變值相比波側(cè)較大，均在管周45°和管周135°出現(xiàn)了應(yīng)力的集中現(xiàn)象，為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)行施工監(jiān)測。

3 鋼波紋管涵洞施工要點(diǎn)

3.1 基礎(chǔ)施工要點(diǎn)

（1）鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)為較差的地質(zhì)時（如軟土、凍土等），應(yīng)采用砂礫等材料進(jìn)行換填。（2）高填方路基應(yīng)在基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)拱度的設(shè)計(jì)，結(jié)合路基高度、涵長等綜合因素進(jìn)行取值。

3.2 拼裝施工要點(diǎn)

（1）鋼波紋管涵洞安裝前應(yīng)對照圖紙復(fù)核涵底標(biāo)高、中心軸線、兩側(cè)邊線和縱坡，確保準(zhǔn)確無誤。（2）鋼波紋管應(yīng)先拼接成圓環(huán)，后軸向錯位拼接。拼接圓環(huán)首先安裝底下第一片板片，然后兩側(cè)對稱由下向上進(jìn)行拼接。拼裝時兩個板片孔位應(yīng)對齊，螺栓套上墊片由內(nèi)向外穿過孔位，后螺帽進(jìn)行擰固。（3）防止雨水等通過板片縫隙流入鋼波紋管內(nèi)部，兩片波紋板拼接，應(yīng)使得上部的板片在外面，下部的板片在內(nèi)側(cè)。當(dāng)鋼波紋管涵長較長時，應(yīng)邊拼裝邊校核軸向中心線，以防止鋼波紋管偏位。（4）拼裝完成后應(yīng)檢查螺栓松緊，對于較松的螺栓應(yīng)用扳手進(jìn)行二次擰緊。待所有螺栓擰緊后，用專業(yè)密封膠對板與板連接處、螺帽處進(jìn)行密封處理，密封膠應(yīng)符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。最后在鋼波紋管內(nèi)外壁均勻噴涂乳化瀝青再次防腐，增加鋼波紋管涵洞的耐久性。

3.3 回填施工要點(diǎn)

鋼波紋管涵洞管周一般宜采用天然砂礫進(jìn)行回填，當(dāng)材料受限或運(yùn)輸困難時，可采用當(dāng)?shù)夭牧?，但?yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到規(guī)范要求后方可采用。應(yīng)采用分層對稱填筑，管周0.5 m 內(nèi)應(yīng)用小型夯機(jī)夯實(shí)，以免施工時大型機(jī)械碰撞鋼波紋管，產(chǎn)生凹槽、碰掉鍍鋅層等破壞。管涵兩側(cè)填料應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)避免使用帶有棱角的大尺寸石塊的材料進(jìn)行回填。

4 結(jié)語

（1）鋼波紋管的波峰和波谷應(yīng)變值在同一角度正好相反，兩者具有互補(bǔ)性，有利于鋼波紋管的整體受力更加均勻，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。（2）鋼波紋管的波峰、波谷及波側(cè)最大受力均出現(xiàn)在上半部圓或下半部圓的45°。（3）鋼波紋管拼裝時應(yīng)控制好板片拼裝的誤差，同時做好防滲及防腐措施。管涵兩側(cè)回填應(yīng)采用分層對稱填筑，管頂最小填土高度應(yīng)杜絕車輛的通行，以免對鋼波紋管產(chǎn)生變形破壞。