地基不均勻沉降條件對大直徑鋼波紋管涵受力特征分析

楊 光， 王曉明， 周永興

(中交隧道局華中工程有限公司，湖北 武漢 430021)

0 引 言

近些年，鋼波紋管涵作為一種新型涵管結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于高速公路、城市道路、污水管等工程中。鑒于南方山區(qū)高速公路軟弱地基較多導(dǎo)致地基承載力不均勻等特點，結(jié)合大直徑鋼波紋管涵在不均勻沉降地基中的應(yīng)用實例，利用有限元軟件對波紋管涵洞在不均勻沉降地基施工中的力學(xué)性能進行模擬分析，根據(jù)其受力特性，結(jié)合實際現(xiàn)場地形，確定合理的鋼波紋管涵洞施工工藝。

1 工程概況

鋼波紋管涵管片采用Q235A熱軋鋼板制成，涵長為50 m，直徑為5 m，涵頂填土高度為5.4 m。管涵處于山谷中，主要用于山區(qū)雨季排水。該段為半填半挖路基，其中右幅基底為強風(fēng)化片麻巖，左側(cè)為水田，地質(zhì)變化較大。管涵洞身斷面如圖1所示。

2 地基不均勻沉降條件對鋼波紋管涵受力特性分析

2.1 臺背回填過程中波紋管受力特性分析

為了準確分析波紋管和地層的受力特性以及應(yīng)變響應(yīng)，這里采用有限元軟件ANSYS進行建模計算。地層模型如圖2所示。

圖2 地層模型

模型中采用殼單元來表征波紋管管片，由于波紋管片單元與地層單元尺寸差別較大，因此這里選用Shell 181這類殼單元。波紋間距根據(jù)工程實際選擇200 mm，壁厚選擇5 mm。為了探究波紋中心高度對波紋管受力特性的影響，這里分別采用了40、50和60 mm三種不同的波紋中心高度，波紋管管徑大直徑波紋管要求取為6 m。為了簡化計算，在波紋管縱向上模型僅取1 m的計算長度，波紋管有限元模型如圖3所示，波紋樣圖如圖4所示。

圖3 管片模型

圖4 波紋樣圖

涵洞外圍地層土體采用六面體8節(jié)點三維實體單元(Solid 45)模擬。為了保證波紋管與地層的連接，模型中波紋管與地層具有公共的接觸面，但二者并未有公共的關(guān)鍵點，因此二者的變形相互獨立，與工程實踐相符。鋼波紋管單元及地層單元材料參數(shù)見表1。

表1 模型1計算參數(shù)

根據(jù)圣維南原理，荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布，因此模型可以選取一定范圍的土體進行建模計算。模型中波紋管軸向計算長度取為1 m，波紋管兩側(cè)及底面土體計算寬度各取1倍管徑，波紋管頂面地層高度按照實際分別取為2 m、3 m、4 m、5 m和6 m。在本項目的鋼波紋管涵工程，波紋管頂面地層高度一般不超過6 m，因此模型計算不考慮6 m及以上的情況。模型豎向應(yīng)力分布特征如圖5所示，水平方向應(yīng)力分布特征如圖6所示。

圖5 模型豎向應(yīng)力分布

圖6 模型水平方向應(yīng)力分布

從圖5、圖6中可以看出，地層的水平應(yīng)力分布沿管軸向呈較好的對稱分布，在涵洞頂部水平應(yīng)力為拉應(yīng)力，且沿著涵洞兩側(cè)逐漸減小，相應(yīng)的壓應(yīng)力逐漸增加，涵洞的最大水平壓應(yīng)力出現(xiàn)在洞室兩側(cè)，這一分布規(guī)律也與彈性力學(xué)解析解相符。

鋼波紋管的豎向應(yīng)力分布特征如圖7所示，水平應(yīng)力分布特征如圖8所示。

圖7 波紋管豎向應(yīng)力分布

圖8 波紋管水平應(yīng)力分布

從圖7、圖8中可以看出，鋼波紋管的豎向壓應(yīng)力在鋼波紋管的兩側(cè)最大，相應(yīng)的在鋼波紋管的頂部和底部出現(xiàn)最大豎向拉應(yīng)力；鋼波紋管的水平應(yīng)力分布較為均勻。

2.2 鋼波紋管和圓鋼管在相同填土高度受力特性分析

為了分析地基不均勻沉降條件對鋼波紋管涵受力特征的影響，同時研究鋼波紋管涵對基礎(chǔ)的適應(yīng)能力，這里采用不同類別的基礎(chǔ)材料參數(shù)，建立了第二套模型，通過有限元軟件分析鋼波紋管在不同基礎(chǔ)條件下的受力特征，同時分別采用鋼波紋管和圓鋼管建立有限元模型以分析鋼波紋管在基礎(chǔ)不均勻沉降條件下的優(yōu)越性。

第二套模型中所建的地層模型也是如圖2所示，第二套模型中采用的圓鋼管模型如圖9所示。與第一套模型中一樣，第二套模型中也是取縱向長度1 m為計算長度，且邊界條件與第一套模型完全相同。結(jié)合工程實際，第二套模型中采用波紋管直徑為5 m，波紋管壁厚為6 mm，波紋中心高度為60 mm。

地層的豎向變形如圖9所示，管涵豎向變形如圖10所示。

圖9 地層豎向變形

圖10 涵管豎向變形

從圖9、圖10中可以看出，采用相同尺寸的鋼波紋管，地層頂部的豎向最大位移有所減小，地層頂部的沉降變形區(qū)范圍較小，但采用直徑5 m、壁厚6 mm的鋼波紋管或圓鋼管均能滿足模型的變形要求，且二者的計算差別不大。

相同尺寸的鋼波紋管和圓鋼管在相同填土高度下管涵水平應(yīng)力分布特征如圖11所示。

圖11 涵管水平位移

從圖11中可以看出，鋼波紋管涵模型較之圓鋼管涵模型，其涵管的水平應(yīng)力分布更為均勻，這主要是由于鋼波紋管在管涵軸向方向形成波形，能最大限度地調(diào)整和分散由于地基變形產(chǎn)生的集中應(yīng)力。因此，鋼波紋管在公路橋涵的工程中具有更大的實際應(yīng)用價值。

3 不均勻沉降對鋼波紋管涵受力特性影響

為了分析地基不均勻沉降條件對鋼波紋管涵受力特性的影響，分別采用鋼波紋管和圓鋼管建立高速公路涵洞模型，模型采用波紋管和圓鋼管壁厚均為6 mm，直徑均為5 m，波紋管波紋中心高度為60 mm，模型中心填土高度均為6 m，稍大于工程實際中的5.9 m。

波紋管涵和圓鋼管涵在相同不均勻地基條件下地層的水平和豎向變形圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 不均勻地基條件下地層豎向變形

圖13 不均勻地基條件下地層水平變形

從圖12、圖13中可以看出，采用兩種管涵，模型地層的水平和豎向變形規(guī)律完全相同，均在涵洞頂部出現(xiàn)最大約19.9 mm的豎向位移，且二者的變形完全關(guān)于涵管軸線對稱，表明鋼波紋管能適應(yīng)一定的土體變形，能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的不均勻沉降基礎(chǔ)條件，因此在遇到地基有較大變形時仍能滿足使用要求。

不均勻地基條件下地層豎向應(yīng)力分布特征如圖14所示。

圖14 不均勻地基條件下地層豎向應(yīng)力分布

從圖14中可以看出，采用鋼波紋管的涵洞地層豎向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在涵洞頂部，為0.53 MPa，豎向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在軟弱基礎(chǔ)與強風(fēng)化片麻巖的交界處，為1.37 MPa；相應(yīng)的，采用圓鋼管的涵洞地層豎向最大拉應(yīng)力同樣出現(xiàn)在涵洞頂部，為0.65 MPa，豎向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在軟弱基礎(chǔ)與強風(fēng)化片麻巖的交界處，為1.98 MPa。因此，采用鋼波紋管能有效減小地層中的最大拉壓應(yīng)力，使地層中的應(yīng)力分布更為均勻，有利于結(jié)構(gòu)的受力。

4 結(jié) 論

(1)波紋管管涵的應(yīng)力呈對稱分布，在兩側(cè)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力集中，管涵的頂部和底部的壓應(yīng)力最小，甚至出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

(2)與采用圓鋼管的涵洞相比，鋼波紋管涵的應(yīng)力分布更為均勻，拉壓峰值應(yīng)力均顯著減小，避免了因為較大應(yīng)力集中而產(chǎn)生的局部屈服破壞。