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計研究院有限公司，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，將鋼板壓制成為一定波紋形式的板件。目前，鋼波紋管涵洞已經在全國大部分省份進行了應用，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。相比較于混凝土結構，采用現場拼裝的鋼波紋管涵洞具有多方面的優勢：（1）工廠采用滾輪碾壓機標準化生產，結構形式及質量易控，且運輸方便。（2）工地現場拼裝連接，施工工藝簡單，施工速度快，在保證施工質量的同時縮短了施工工期。（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（如凍土區、濕陷性黃土區、軟土區）鋼波紋管涵洞可解決混凝土涵洞由于基礎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，減少了環境污染，且鋼波紋板可回收利用。

2 國內外研究現狀

美國于1896年在本國內對鋼波紋管結構進行了公路涵洞、通道方面的研究，給出了可行性的研究結論，對鋼波紋管結構推廣應用建立了一定的技術基礎。加拿大于1929在本國內首次將鋼波紋管應用在煤礦區，并取得了成功。此后，日本在本國大量應用鋼波紋板橋涵結構的基礎上，于1990年編制了鋼波紋管方面的設計規范，納入《日本高速公路設計規范》中，為鋼波紋管結構設計鑒定了基礎。

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用，并進行了不同工程結構的研究，制定了設計、制造及施工安裝手冊。

國內中交第一公路勘察設計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，獲得了現場試驗數據，取得了初步成功，解決了高原地區多年凍土區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的使用壽命，促進了鋼波紋管結構在公路工程中的應用。1998年，上海市政工程設計研究院引進國外直徑4 m鋼波紋管結構，在上海新開河進行了應用，組織人員測試了車輛荷載作用下鋼波紋管涵洞的應力應變，并進行了數值模擬分析，獲得了大量現場數據，取得顯著的研究成果。2000—2019年中交第一公路勘察設計研究院有限公司持續10年先后依托實體工程，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用，并進行了系統性研究工作，形成了鋼波紋管涵洞的設計、施工及質量檢驗成套技術，并編制了多部行業標準、協會標準、地方標準和企業標準，取得了多項技術成果，規范了市場，促進了波紋鋼行業的發展。

從國外的研究來看，成果多偏向于鋼波紋管涵洞調研、總結，標準的編制；國內多為現場實測結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應力和管外土壓力，關于不同基礎的鋼波紋管涵洞研究則很少，也沒有對基礎材料的要求進行分析，因此很有必要對不同基礎的鋼波紋管涵洞進行研究。

鋼波紋管涵洞為柔性結構，基礎不能使用混凝土等剛性材料，而且基礎材料強度不夠或壓實不充分往往會引起結構的過大變形或結構的破壞。針對這一問題，本項目采用直徑4 m鋼波紋管涵洞，波形參數為波長200 mm×波高55 mm、壁厚7 mm、管頂填土高度為1.6 m，管底回填基礎分為一般填土、碎石、天然砂礫、級配碎石四種情況下的鋼波紋管涵洞有限元模型，采用有限元數值模擬分析方法對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

采用有限元軟件進行建模，施加公路一級荷載，對直徑4 m鋼波紋管涵洞的管頂、管底和管側三處軸線方向的應力和變形進行對比分析。不同回填基礎的參數見表1。

表1 不同回填基礎的參數

3.2 工況說明

車輛荷載按照國內公路橋涵規范中要求的公路-1級汽車荷載形式，立面、平面尺寸見圖1、圖2，主要技術指標見表2。

表2 車輛荷載的主要技術指標

圖1 公路-Ⅰ級荷載立面布置（mm）

圖2 公路-Ⅰ級荷載平面（mm）

3.3 模擬結果分析

圖3 基礎為一般填土時模型變形

圖4 基礎為碎石時模型變形

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（一般填土、碎石、天然砂礫、級配碎石）情況下鋼波紋管涵洞的應力和變形規律。不同基礎的模型變形見圖3～圖6。

圖5 基礎為天然砂礫時模型變形

圖6 基礎為級配碎石時模型變形

3.3.1 應力分析

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

圖7 管頂應力變化曲線

圖8 管底應力變化曲線

圖9 管側應力變化曲線

3.3.2 變形分析

管頂、管底和管側的位移變化曲線見圖10～圖12，可以看出：（1）各回填基礎工況下，從管涵管端到管中再到管涵端口，管涵位移呈現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系為管頂＞管側＞管底。（3）不同材料基礎下管涵位移從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級配碎石。當基礎強度較差時，通過改善基礎材料可以有效減少鋼波紋管涵洞的變形，確保結構的穩定。（4）對荷載作用下四種回填基礎的管頂、管底和管側的位移變化分析，回填基礎為級配碎石、天然砂礫時管涵所受應力最小，與應力分析結果一致。

圖10 管頂位移變化曲線

圖11 管底位移變化曲線

圖12 管側位移變化曲線

4 鋼波紋管涵洞施工要點

4.1 基礎施工

4.1.1 基礎結構要求

（1）由于鋼波紋管為柔性結構，因此基礎不宜采用剛性結構，當現場施工條件限制，必須使用時應設置砂礫緩沖層，減小剛性基礎對波紋管的破壞。（2）鋼波紋管涵洞基礎成型時宜預留沉降量，應根據鋼波紋管結構的管底縱坡、管頂填土具體高度進行設計。高填方路基時（一般管頂填土高度大于8.0 m），應針對具體情況對基礎承載力做單獨設計。

4.1.2 基礎材料要求及施工

（1）當基礎為一般地質土層時，應對基礎采用天然砂礫或級配碎石進行換填；材料稀缺地區也可選用碎石土、礫石等材料，但應通過實驗測試，各項指標滿足規范要求后方可使用。（2）對于膨脹土、濕陷性黃土等地區鋼波紋管涵洞除了基礎應換填外，還應做好隔水處理。（3）多年凍土區鋼波紋管涵洞基礎應根據涵位處凍土特征、上限深度、路基填土高度、施工季節、施工條件等因素綜合分析確定。涵洞基礎的選擇應與凍土地基類型相適應；當地基為高溫凍土時，基底應進行保溫隔熱處理。基礎頂部可鋪設不小于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各加寬1.0～2.0 m的寬度要求，換填的長度應結合涵洞管節總長度和涵洞出入口的鋪砌方式等確定，不應小于管節總長度。

4.2 拼裝施工

（1）安裝前應檢查涵底標高、縱坡、中心軸線。首先拼裝底部鋼波紋板，以中心軸線為基準確定第一張鋼波紋板，由下向上順次拼裝，圓周向連接應采用錯縫拼裝，兩片板連接孔對齊后進行螺栓固定連接。（2）鋼波紋板件拼裝搭接時，上部板件應在外側，以防止土體中水滲入管內。（3）鋼波紋管全部拼裝完成后，應用定扭汽動扳手，控制扭矩為270～410 N·m，緊固所有螺栓。（4）預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

填土應從管涵兩側對稱分層（壓實后厚度小于0.3 m）回填，同時應控制兩側回填的高程差不能大于0.6 m。楔形部位采用粗沙進行“水密法”振搗密實。管頂上部機械壓實時，應滿足最小填土高度（一般不小于0.5 m），先采用小型手扶振動壓路機壓實，后采用小型壓路機壓實，填土厚度超過0.8 m后，方可采用20 t壓路機振壓。

5 結語

（1）國內外對鋼波紋管涵洞均做了大量的應用和研究，結構形式多為同一換填基礎情況下的受力分析或模擬分析，關于不同基礎材料的鋼波紋管涵洞應力、變形的研究則很少有報道。（2）不同基礎材料對鋼波紋管涵洞的應力影響較大，從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級配碎石。（3）通過改善基礎材料可有效改善鋼波紋管涵洞的受力和變形，建議基礎換填材料選用級配碎石或天然砂礫。材料稀缺地區也可選用碎石土、礫石等材料，但應通過實驗測試，滿足規范要求后方可使用。（4）鋼波紋管涵洞應做好施工組織，拼裝施工應控制好板片之間的連接，且管涵兩側應對稱回填，同時各環節應進行嚴格控制，確保施工質量。