公路鋼波紋管涵洞施工力學性能分析

孫 軍， 杜玉生

(中國路橋工程有限責任公司，北京 100011)

涵洞作為連接公路工程兩側水系、交通的建筑結構，在減小公路對于兩側環境的隔離方面起到重要的作用。目前公路工程中，應用較多的涵洞材質為鋼筋混凝土和圬工砌體[1]。涵洞建設趨于標準化，其設計和施工工藝已日益成熟。但是目前應用較多的混凝土和漿砌塊石涵洞，主要有以下不足：對于基礎要求較高以避免不均勻沉降、漿體凝固需要一定的時間導致過程施工周期長、混凝土和漿體結構易發生損傷導致交通不順暢、寒冷地區和沿海地區結構凍漲腐蝕、以及運營時期的結構養護等。鋼波紋管涵的出現彌補了這些不足，波紋管作為柔性結構，有良好的變形協調性，整體性較強。在承受周圍土體作用時，自身的圓形截面形成一個穩定的封閉區間，有較強的抵抗變形的能力，且各部分結構構造不存在應力集中，避免局部結構損傷導致整體性能的喪失，因此在特殊地質條件下也能正常使用，具有較為廣泛的應用前景[2-4]。國內外大量學者已對鋼波紋管的使用形式、受力特征、以及特殊地區的建設進行深入的研究[5]。本文結合具體工程，通過對比鋼波紋管涵洞與按照標準圖設計的混凝土蓋板涵洞、圬工拱涵的數值模擬，考慮施工階段，對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，鋼波紋管材質為Q235型號鋼。設計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 安全評估方法

該安全評估主要采用有限元數值分析方法。數值模擬主要采用Midas GTS軟件建立路基-涵洞-道路三維結構模型，分析涵洞施工過程及通車后的應力、變形是否滿足規范要求。

數值模擬主要采用Midas GTS軟件進行分析。數值模擬的基本原則及基本假定如下：

(1)數值模擬方法采用地層結構法。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告提交的巖體參數進行選取。回填土和砂質泥巖采用莫爾-庫倫本構模型，漿砌塊石、水泥混凝土、瀝青混凝土和鋼波紋管結構采用彈性本構模型，

(2)巖土層力學參數按照勘察報告提交的巖體參數及JTG D70—2004《公路隧道設計規范》中圍巖參數取值參考，并考慮到水、斷層和裂隙等不良地質情況作了相應折減后進行綜合確定。

1.4 評估分析模型

(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)模型計算范圍：模型的長寬取值依據為邊界范圍對涵洞開挖影響的統計規律，一般在兩側3倍涵洞跨后，邊界對洞室開挖幾乎沒有影響。同時該范圍要大于圍巖自然穩定坡率寬度。

(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 模擬計算過程

項目按照設計施工方法進行了該區段的開挖過程的全過程模擬，共計有4個計算步，對應有3種工況，每個計算步代表一個開挖或者施工過程。具體模擬過程為：

第1步：模擬初始應力場。計算自重場，讀入自重場應力文件，模擬開挖后路基結構，保存施工前的初始應力場。

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的應力和變形，以及路面的變形和不平整度，對比分析不同類型涵洞的受力性能。

2.1 漿砌塊石拱涵洞穩定性分析

由數值模型分析得到漿砌塊石拱涵洞的位移和應力云圖可以得出以下結論：

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

(2)涵洞施工過程中，涵洞最大累計沉降差為6.09 mm；最大累計水平位移差為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 混凝土蓋板涵洞穩定性分析

由數值模型分析得到混凝土蓋板涵洞的位移及應力云圖可得出一下結論：

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

(2)涵洞施工過程中，涵洞最大沉降增量為0.173 mm，涵洞最大累計沉降差為5.5 mm；最大水平位移累計差為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 鋼波紋管涵洞穩定性分析

鋼波紋管涵洞的位移及應力如圖3～圖5所示。

圖3 波紋管應力

圖4 波紋管豎直位移

圖5 路面豎向位移

通過對波紋管施工過程中，波紋管的受力狀態進行分析，得出如下結論：

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

(2)涵洞施工過程中，波紋管頂部位置處出現最大豎向位移，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 涵洞力學性能對比分析

分析三類涵洞施工的力學性能，可得其變形、應力結果總結如表1所示。

表1 涵洞變形和應力

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 論

通過建立數值模型，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，得出以下結論：

(1)鋼波紋管相較于傳統的圬工材料波紋管，沉降量更小，有利于涵洞的結構穩定。

(2)由于鋼波紋管自身強度高，周圍土體結構的變形主要有鋼波紋管承擔，鋼波紋管的應力較大，但是由于鋼波紋管自身結構的穩定性強，有效的降低了路面不平整度。