大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征及施工工藝

羅學睿，胡 濱,2，何 強

（1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075；3.西安工業大學，陜西 西安 710021）

引言

鋼波紋管結構最早在英國的公路排水、通道工程中應用，后在美國、加拿大大量推廣。美國一些機構主要在其防腐方面進行了大量調研及試驗研究，總結了防腐研究成果及應用工程的施工工藝，形成了相關的設計手冊或施工技術規范。日本和韓國借鑒美國經驗，進行了鋼波紋管涵洞結構的探索，獲得了成功并取得了一些成果，也形成了相應的標準［1-5］。另外，一些非洲國家也進行了小孔徑的應用，取得了成功。我國于1997 年首次在青藏公路中應用鋼波紋管結構，后逐漸推廣應用。近年來，國內對鋼波紋管涵洞研究進一步深入，形成了一些行業標準、團體標準和地方標準［6-7］。國內學者雖然對其進行了一定試驗和分析，但關于其施工過程中受力情況的現場測試及分析的研究較少，也沒有形成系統的施工工藝［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行分析。

1 試驗方案

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，采用工廠標準化生產，并進行鍍鋅防腐，運輸至現場后采用乳化瀝青進行二次防腐。管頂上填土為素土，高度6.0 m。

1.1 管內應變布置方案

管內應變片布置時應選擇路中位置的波峰、波谷和波側斷面，按照不同角度進行布置，共計15 個測點，見圖1、圖2。

圖1 應變片布置斷面/（°）

圖2 應變片布設平面

1.2 現場測試工況

鋼波紋管涵洞管頂以上采用分層進行填筑，壓路機進行充分振動壓實后遠離鋼波紋管20.0 m 以外并停止作業，然后采集數據，見表1。

表1 現場測試工況

2 鋼波紋管涵洞應變變化規律分析

2.1 波峰應變隨填土高度變化測試結果

波峰應變隨填土高度增加測試結果，見圖3。

圖3 波峰應變隨填土高度增加測試結果

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，各角度測試點均為拉應變；填土2.0 m時，管周45°、90°為壓應變；當填土后期時（管頂5.0 ～6.0 m），由于機械的進一步壓實，拉應變和壓應變值變化均較為平穩，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變，但三者的增長幅度不同，其應變值關系為管周135°＞管底180°＞管頂0°；管周45°和管側90°在施工開始時為拉應變，后由于施工機械進一步壓實管頂土層，轉為壓應變。（3）總體上，鋼波紋管上半圓和下半圓均是45°為最大應變值，施工時應進行重點觀測。（4）管頂填土1 m 范圍內，部分角度應變值存在交替變化的情況，可能是小型夯實機施工過程中對鋼波紋管有一定的擾動。

2.2 波谷應變隨填土高度變化測試結果

波谷應變隨填土高度增加測試結果，見圖4。

圖4 波谷應變隨填土高度增加測試結果

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

2.3 波側應變隨填土高度變化測試結果

波側應變隨填土高度增加測試結果，見圖5。

圖5 波側應變隨填土高度增加測試結果

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

2.4 應變隨填土高度變化的測試結果對比

對比圖3 ～圖5，可以得出：（1）管頂填土2.0 m范圍內，部分角度應變值性質（拉應變或壓應變）存在交替變化的情況，產生力的重新分布，因此，應做好機械與人力的配合。（2）波峰、波谷和波側在1.0 m 時呈現出拉應變，進一步施工，部分角度應變值發生變化，應變性質出現變化（由拉應變轉為壓應變）；填土后期（管頂+5.0 m 至管頂+6.0 m），各角度應變增加較小，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，波峰和波谷同應變值在同一角度正好相反，兩者具有互補性，有利于鋼波紋管的整體受力更加均勻，結構更加穩固。（4）波峰、波側在鋼波紋管側135°為最大拉應變，最大壓應變位于管側45°，而波谷相反。填土荷載過程中鋼波紋管最大受力均出現在上半圓或下半圓的45°。（5）比較波峰、波谷和波側，其中最大拉應變出現在鋼波紋管波峰的管周315°處，應變為143με；最大壓應變出現在波谷位置的管周315°角度，為105με，均小于鋼波紋管的允許應變值，結構安全穩定。

2.5 波峰應變沿管周角度的變化規律

波峰應變沿管周角度的變化規律，見圖6。

圖6 波峰應變沿管周角度的變化規律

由圖6 可以得出：（1）管頂0°不同角度測試結果均為拉應變，而管周45°部分從開始的拉應變變為壓應變，后90°逐漸減小，135°又變為拉應變，后180°處變小。（2）管周45°和135°位置都發生了應力集中，施工時為確保結構穩定，應進行必要的觀測。（3）隨著角度的轉變，應變變化為拉應變→壓應變→拉應變。

2.6 波谷應變沿管周角度的變化規律

波谷應變沿管周角度的變化規律，見圖7。

圖7 波谷應變沿管周角度的變化規律

由圖7 可以得出：波谷管頂0°各角度呈現出壓應變，角度45°變化為拉應變，角度90°變小，而角度135°轉變成壓應變，且至角度180°壓應變減小。隨著角度轉變，規律為：壓應變→拉應變→壓應變。

2.7 波側應變沿管周角度的變化規律

波側應變沿管周角度的變化規律，見圖8。

圖8 波側應變沿管周角度的變化規律

2.8 應變沿管周角度變化測試結果對比

通過圖6 ～圖8 對比分析，可以得出：（1）隨著角度的變化，波峰和波側存在拉應變→壓應變→拉應變的變化過程；而波谷正好相反。（2）波峰、波谷的應變值相比波側較大，均在管周45°和管周135°出現了應力的集中現象，為確保結構穩定，應進行施工監測。

3 鋼波紋管涵洞施工要點

3.1 基礎施工要點

（1）鋼波紋管涵洞基礎為較差的地質時（如軟土、凍土等），應采用砂礫等材料進行換填。（2）高填方路基應在基礎上進行預拱度的設計，結合路基高度、涵長等綜合因素進行取值。

3.2 拼裝施工要點

（1）鋼波紋管涵洞安裝前應對照圖紙復核涵底標高、中心軸線、兩側邊線和縱坡，確保準確無誤。（2）鋼波紋管應先拼接成圓環，后軸向錯位拼接。拼接圓環首先安裝底下第一片板片，然后兩側對稱由下向上進行拼接。拼裝時兩個板片孔位應對齊，螺栓套上墊片由內向外穿過孔位，后螺帽進行擰固。（3）防止雨水等通過板片縫隙流入鋼波紋管內部，兩片波紋板拼接，應使得上部的板片在外面，下部的板片在內側。當鋼波紋管涵長較長時，應邊拼裝邊校核軸向中心線，以防止鋼波紋管偏位。（4）拼裝完成后應檢查螺栓松緊，對于較松的螺栓應用扳手進行二次擰緊。待所有螺栓擰緊后，用專業密封膠對板與板連接處、螺帽處進行密封處理，密封膠應符合相關的標準要求。最后在鋼波紋管內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

鋼波紋管涵洞管周一般宜采用天然砂礫進行回填，當材料受限或運輸困難時，可采用當地材料，但應進行試驗驗證達到規范要求后方可采用。應采用分層對稱填筑，管周0.5 m 內應用小型夯機夯實，以免施工時大型機械碰撞鋼波紋管，產生凹槽、碰掉鍍鋅層等破壞。管涵兩側填料應符合設計要求，應避免使用帶有棱角的大尺寸石塊的材料進行回填。

4 結語

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