邱達(dá)志

(東北林業(yè)大學(xué))

1 前言

波紋管涵與混凝土涵在結(jié)構(gòu)上有著根本不同的特性，在美國、加拿大等分布有多年凍土的國家，波紋管涵已被廣泛應(yīng)用于公路工程。孔徑從0.6～1.8 m：分橢圓形和圓形二種斷面，管壁厚4～8 mm;涵頂填土1.2～1.8 m，可通行50 t載重汽車。在我國也曾應(yīng)用過波紋管涵，如20世紀(jì)50年代修建青藏公路時曾將波紋管涵應(yīng)用于搶修工程，開挖出時發(fā)現(xiàn)其使用狀況良好。但由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等原因，未能廣泛使用。上世紀(jì)末，由于項(xiàng)目研究需要對青藏高原多年凍土區(qū)以及東北島狀多年凍土區(qū)開展橋涵工程使用情況基本調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，多年凍土區(qū)公路涵洞使用完好率僅占被調(diào)查的約30%，涵洞損壞的主要表現(xiàn)為洞口鋪砌、八字墻、洞口、墻身等變形而喪失使用功能。這些涵洞破壞的主要原因是基底凍土融化，降低了地基承載力，影響地基的穩(wěn)定性。

島狀融區(qū)多年凍土溫度較高，十分脆弱，受到水、熱等人為干擾下，凍土逐年融化、變形，在公路使用期內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這就要求構(gòu)造物具有適應(yīng)大變形、大位移的結(jié)構(gòu)型式，較箱涵、蓋板涵、波紋鋼管涵和混凝土圓管涵等涵洞結(jié)構(gòu)，波紋鋼管涵洞具有明顯的優(yōu)勢。

2 波紋鋼管涵洞有限元分析

2.1 有限元模型建立

取直徑1.5 m，壁厚0.5 mm，的波紋鋼管涵建立ANASYS有限元幾何模型，波紋鋼管采用三維板殼模型，土體采用三維塊體模型，土體彈性模量為1.8×107波紋鋼管彈性模量為2.1×1011，波紋鋼管上覆土體厚度為2.0 m，荷載采用18 t壓路機(jī)作為施加的豎向荷載。由于我們的研究對象為波紋管涵，土基只是作為施加荷載傳遞表面荷載的介質(zhì)，本報(bào)告不討論土基中的力學(xué)特征。

2.2 波紋管涵變形分析

波紋管涵整體變形的仿真結(jié)果。土中虛線是變形前狀態(tài)，實(shí)線是指變形后的狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明波紋管涵位移變形的最大值分別為 Ux=0.53 mm，Uy=-3.68 mm，Uz=-1.46 mm。

2.3 波紋管涵應(yīng)力分析

波紋管涵表面等效應(yīng)力的梯度。計(jì)算結(jié)果表明σvon∈［0.8 MPa，92.5 MPa］，均小于鋼材 Q235 的屈服強(qiáng)度235 MPa，可見波紋管涵在路基土的承載作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是安全的。波紋管涵表面拉壓應(yīng)力交替出現(xiàn)，分布較為合理，無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 波紋鋼管涵洞工程應(yīng)用及地基人為上限特點(diǎn)

為驗(yàn)證波紋鋼管涵洞的工程應(yīng)用效果，本研究先后對青藏高原凍土區(qū)和東北高緯度凍土區(qū)波紋鋼管涵洞地基進(jìn)行了地基上限變化觀測和應(yīng)用效果觀測。觀測結(jié)果表明：(1)采用波紋管涵洞能夠明顯提升地基凍土人為上限。(2)波紋管涵洞涵身沉降變形較小，涵身整體處于完好狀態(tài)。(3)混凝土圓管涵地基凍土人為上限明顯較波紋管涵洞高，涵洞進(jìn)出口沉降變形較大，涵身管節(jié)間出現(xiàn)錯臺、開裂、滲水等損壞。

4 結(jié)論

波紋鋼管涵洞采用無基礎(chǔ)安裝，不改變原有凍土上覆層和水流特征，使得地基凍土受到人為干擾程度大大降低，因此人為上限變化緩慢，地基沉降變形量較混凝土圓管涵小，相對穩(wěn)定。地基發(fā)生沉降變形后，波紋鋼管涵洞涵身有微小的豎向變形，涵身下凹出有積水現(xiàn)象，但管節(jié)接縫密封良好，尚未出現(xiàn)滲水?；炷翀A管涵涵洞沉降變形較大，涵身管節(jié)間出現(xiàn)開裂滲水問題，有的錯臺已經(jīng)超過100 mm以上，不可修復(fù)，但當(dāng)波紋鋼管涵洞出現(xiàn)上述情況時，可通過拆除、調(diào)整和更換修復(fù)大變形引起的局部損壞。綜上分析，波紋鋼管涵洞在高溫不穩(wěn)定凍土地區(qū)具有地基相對穩(wěn)定、適應(yīng)大變形、宜維修養(yǎng)護(hù)、節(jié)約養(yǎng)護(hù)工程費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，值得廣泛推廣應(yīng)用。

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［1］慕萬奎等.多年凍土地區(qū)橋涵工程技術(shù)研究總報(bào)告［J］.2007，(12).

［2］慕萬奎.The Analysis of the Stress and Strain State on the Pile in Permafrost［J］.第八屆國際凍土工程會議，2009，(10).

［3］慕萬奎.熱棒技術(shù)在伊春島狀凍土路基上的應(yīng)用［J］.黑龍江交通科技，2006，(11).

［4］章金釗.高原多年凍土地區(qū)橋涵設(shè)計(jì)與施工研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2001，22(4)。