劉 文 平

(蘭州軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730020)

1 概述

隨著城市的快速發(fā)展，以傳統(tǒng)直埋方式敷設(shè)的地下管線已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化城市快速發(fā)展的需求，綜合管廊的建設(shè)成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的地下管廊多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但存在眾多的缺陷，如：多管節(jié)組合體現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制及運(yùn)輸不便，管節(jié)間不存在強(qiáng)度聯(lián)結(jié)，易受基礎(chǔ)沉降影響而破壞等；現(xiàn)澆管廊施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，抗地基不均勻沉降能力差，對(duì)周圍環(huán)境影響也比較大。采用波紋鋼管廊可以很好地解決這些問題。波紋鋼管具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，造價(jià)低，抗彎慣性矩大和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，可解決地基變形、地基不均勻沉降等不良工程地質(zhì)問題，廣泛應(yīng)用于高填方排水涵洞/立交通道、管線穿越等工程。

目前對(duì)于波紋鋼管的研究已有不少研究成果。顧安全等[1，2]分析了管道開裂的規(guī)律，并就是否采取減載措施兩種情況，分別提出了土壓力的計(jì)算公式；馮麗[3]、翁效林等[4]考慮填土與管涵之間的耦合作用，對(duì)地下管涵的力學(xué)性能進(jìn)行了分析；粟繽[5]研究了波紋管跨度與管頂變形、應(yīng)力的關(guān)系；駱志紅[6]通過對(duì)3種不同直徑及不同壁厚的鋼波紋管涵對(duì)應(yīng)不同的填土高度進(jìn)行有限元計(jì)算，分析了鋼波紋管涵及周邊土體的等效應(yīng)力分布規(guī)律；錢海濤[7]分析了公路鋼波紋管涵洞在土體荷載和車輛荷載作用下的可能的變形與破壞情況，對(duì)不同尺寸、波形和壁厚的波紋圓管涵變形及路基沉降進(jìn)行了研究；烏延玲等[8,9]進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，對(duì)波紋鋼管涵的受力變形進(jìn)行了研究，提出了波紋鋼管涵的受力、變形計(jì)算公式。以上研究，僅限于直徑較小的管廊，但是對(duì)于大直徑波紋鋼管廊，未能系統(tǒng)地考慮填土—波紋鋼—荷載的耦合作用下的受力變形特性。本文利用有限差分軟件Flac3D對(duì)填土完成后波紋鋼管廊的受力與變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)波峰、波谷處的受力變形開展研究，揭示波紋鋼管廊受力變形特性。

2 工程概況及有限元模型

地下管廊為雙線波紋鋼管通道結(jié)構(gòu)，兩管廊中心間距7 m，管廊直徑4 m，管頂上覆填土厚度7 m。波紋鋼管廊外設(shè)防水及鍍鋅層，底部為回填密實(shí)土層。開挖后分層回填密實(shí)，壓實(shí)度95%。夯實(shí)后每層厚100 mm～200 mm，回填土為中粗砂、碎石屑及最大粒徑小于40 mm的級(jí)配礪砂。

設(shè)水平方向?yàn)閤方向，波紋鋼管廊軸線方向?yàn)閥方向，豎直方向?yàn)閦方向，豎直向上為正。波紋鋼管廊及回填土均采用彈塑性模型，對(duì)波紋鋼管廊采用Von Mises準(zhǔn)則，對(duì)回填土及地基土選用理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析。填土為粉質(zhì)黏土，物理力學(xué)參數(shù)為重度17.8 N/m3,彈性模量15.2 MPa,泊松比0.3，粘聚力15 kPa，內(nèi)摩擦角23.4°。波紋鋼管廊的強(qiáng)度參數(shù)為抗拉強(qiáng)度4 MPa，彈性模量200 GPa，法向耦合剛度800 MN/m3，剪切耦合剛度800 MN/m3，泊松比0.25，內(nèi)聚力4 kPa，殘余內(nèi)聚力2 kPa，內(nèi)摩擦角20°。波紋管波長(zhǎng)40 mm，波高30 mm。波紋鋼管廊作為襯砌結(jié)構(gòu)，壁厚10 mm，直徑4 m，位于模型中央，圓心距模型四邊均為11 m，即波紋管上方填土為9 m厚，管長(zhǎng)(y方向延伸)為4 m，未開挖前的模型示意圖見圖1。模擬過程分為兩步：第一步是求得模型的初始地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算至平衡；第二步是開挖和襯砌，在開挖后不進(jìn)行平衡，而在襯砌施加以后計(jì)算至最終平衡。

3 計(jì)算結(jié)果分析

波紋鋼管廊施工中，管廊的變形是最受關(guān)注的控制指標(biāo)之一，故分別選取管廊的總應(yīng)變和斷面處波峰、波谷應(yīng)變來(lái)進(jìn)行管廊的變形分析。從圖2可見：相較于波谷，波紋管波峰處產(chǎn)生的應(yīng)變較大，應(yīng)變?cè)隽糠逯颠_(dá)到了6.96×10-3。對(duì)比波峰、波谷處的總應(yīng)變?cè)隽繑?shù)據(jù)，可見：波峰是波谷處應(yīng)變?cè)隽康?倍～4倍，且沿著波紋鋼管廊軸線方向，交替規(guī)律分布。從圖3可見：波峰、波谷處總應(yīng)變?cè)隽康淖畲笾稻诠芾鹊膬杉纾澳_應(yīng)變?cè)隽恐底钚?，波峰和波谷總?yīng)變的分布規(guī)律相同，且與波紋鋼管廊整體應(yīng)變規(guī)律一致，波峰的總應(yīng)變量值大于波谷。

從圖4可以看出：波紋管兩側(cè)在周圍填土荷載作用下，產(chǎn)生了徑向收縮，單側(cè)波峰、波谷處位移量相等，可見分布規(guī)律與波紋無(wú)關(guān)。從圖5中可見：由于管道開挖引起土體回彈，造成波紋管底部的位移是向上的。同時(shí)，由于波紋管的剛度較大和側(cè)向土體的擠壓，造成波紋管頂部的位移也是向上的，但數(shù)值較??；波紋管的z方向位移分布與波紋也無(wú)明顯關(guān)系。

從圖6,圖7中可見：土體對(duì)波紋管的法向作用力是比較均勻的。切向力在波紋管頂部和底部較大，兩側(cè)較小，頂部切向力峰值約是兩側(cè)的1倍～2倍；頂部和底部波紋管波谷處受剪較弱，波峰處受剪較強(qiáng)，兩側(cè)規(guī)律與之相反。

從圖8可以看出：在頂部和底部，波紋管波峰處在x方向上受拉，拉壓應(yīng)力峰值絕對(duì)值相同；左右兩側(cè)在波峰處x方向主要受壓，小部分受拉。這是因?yàn)樽笥覂蓚?cè)中間位置的x方向壓力最大，使波峰處受壓明顯，帶動(dòng)相應(yīng)的頂部和底部波峰處成為受拉區(qū)。從圖9可見：波紋管頂部和底部沿y軸方向，基本以受拉為主；左右兩側(cè)波谷處受拉，波峰處受壓，且拉壓應(yīng)力峰值水平相同，沿波紋鋼管廊軸線均勻分布。

從圖10中可以看出：結(jié)構(gòu)單元不論是正彎矩還是負(fù)彎矩，都出現(xiàn)在波紋管的兩側(cè)。且波峰處出現(xiàn)正彎矩，波谷的頂部為較小的正彎矩，中部出現(xiàn)負(fù)彎矩，波峰、波谷處彎矩絕對(duì)值相差不大，而且數(shù)值也較小。從圖11可見：波紋鋼管廊在x軸上產(chǎn)生的彎矩與結(jié)構(gòu)單元最大彎矩具有相同的分布規(guī)律，該彎矩主要是由兩側(cè)土體的水平向壓力產(chǎn)生的。

4 結(jié)論

1)在波紋鋼管廊與周圍填土的相互作用下，波紋鋼管廊的波峰、波谷處均產(chǎn)生了較大應(yīng)變，波峰和波谷處總應(yīng)變的分布規(guī)律相同，但波峰處的應(yīng)變?cè)隽扛用黠@，在施工中，應(yīng)把波峰處的應(yīng)變量作為控制指標(biāo)。2)波紋鋼管廊在土壓力作用下，產(chǎn)生了徑向收縮和向上的豎向位移，豎向位移約為徑向的2倍，且數(shù)值都較小，與波紋分布無(wú)關(guān)。3)鋼波紋管在填土荷載作用下，波紋鋼管的結(jié)構(gòu)性得到充分發(fā)揮，波峰、波谷受力協(xié)調(diào)，使得波紋鋼管廊整體受力較為均勻，共同承擔(dān)填土荷載作用。