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        不同地基鋼波紋管涵洞受力特征及施工工藝分析

        2020-08-05 12:19:08力,趙侶,胡濱,3
        山東交通科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:變形施工

        張 力,趙 侶,胡 濱,3

        (1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710075;2.中交四公局國(guó)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(chǎn),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(jīng)在全國(guó)大部分省份進(jìn)行了應(yīng)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(zhǎng)的趨勢(shì)。相比較于混凝土結(jié)構(gòu),采用現(xiàn)場(chǎng)拼裝的鋼波紋管涵洞具有多方面的優(yōu)勢(shì):(1)工廠采用滾輪碾壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),結(jié)構(gòu)形式及質(zhì)量易控,且運(yùn)輸方便。(2)工地現(xiàn)場(chǎng)拼裝連接,施工工藝簡(jiǎn)單,施工速度快,在保證施工質(zhì)量的同時(shí)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(qū)(如凍土區(qū)、濕陷性黃土區(qū)、軟土區(qū))鋼波紋管涵洞可解決混凝土涵洞由于基礎(chǔ)不均勻沉降引起的較大變形問(wèn)題。(4)減少了砂石材料的開(kāi)采,減少了環(huán)境污染,且鋼波紋板可回收利用。

        2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        美國(guó)于1896年在本國(guó)內(nèi)對(duì)鋼波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了公路涵洞、通道方面的研究,給出了可行性的研究結(jié)論,對(duì)鋼波紋管結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用建立了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。加拿大于1929在本國(guó)內(nèi)首次將鋼波紋管應(yīng)用在煤礦區(qū),并取得了成功。此后,日本在本國(guó)大量應(yīng)用鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,于1990年編制了鋼波紋管方面的設(shè)計(jì)規(guī)范,納入《日本高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范》中,為鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑒定了基礎(chǔ)。

        截止目前,鋼波紋管涵洞在美國(guó)、加拿大等國(guó)家公路工程中均有推廣應(yīng)用,并進(jìn)行了不同工程結(jié)構(gòu)的研究,制定了設(shè)計(jì)、制造及施工安裝手冊(cè)。

        國(guó)內(nèi)中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司首次于1997年在我國(guó)青藏公路修建了三道鋼波紋管涵洞,獲得了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),取得了初步成功,解決了高原地區(qū)多年凍土區(qū)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(qū)的使用壽命,促進(jìn)了鋼波紋管結(jié)構(gòu)在公路工程中的應(yīng)用。1998年,上海市政工程設(shè)計(jì)研究院引進(jìn)國(guó)外直徑4 m鋼波紋管結(jié)構(gòu),在上海新開(kāi)河進(jìn)行了應(yīng)用,組織人員測(cè)試了車輛荷載作用下鋼波紋管涵洞的應(yīng)力應(yīng)變,并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,獲得了大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),取得顯著的研究成果。2000—2019年中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司持續(xù)10年先后依托實(shí)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(yīng)用,并進(jìn)行了系統(tǒng)性研究工作,形成了鋼波紋管涵洞的設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量檢驗(yàn)成套技術(shù),并編制了多部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),取得了多項(xiàng)技術(shù)成果,規(guī)范了市場(chǎng),促進(jìn)了波紋鋼行業(yè)的發(fā)展。

        從國(guó)外的研究來(lái)看,成果多偏向于鋼波紋管涵洞調(diào)研、總結(jié),標(biāo)準(zhǔn)的編制;國(guó)內(nèi)多為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)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(nèi)應(yīng)力和管外土壓力,關(guān)于不同基礎(chǔ)的鋼波紋管涵洞研究則很少,也沒(méi)有對(duì)基礎(chǔ)材料的要求進(jìn)行分析,因此很有必要對(duì)不同基礎(chǔ)的鋼波紋管涵洞進(jìn)行研究。

        鋼波紋管涵洞為柔性結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)不能使用混凝土等剛性材料,而且基礎(chǔ)材料強(qiáng)度不夠或壓實(shí)不充分往往會(huì)引起結(jié)構(gòu)的過(guò)大變形或結(jié)構(gòu)的破壞。針對(duì)這一問(wèn)題,本項(xiàng)目采用直徑4 m鋼波紋管涵洞,波形參數(shù)為波長(zhǎng)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(chǔ)分為一般填土、碎石、天然砂礫、級(jí)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(shù)值模擬分析方法對(duì)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(jìn)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(jìn)行建模,施加公路一級(jí)荷載,對(duì)直徑4 m鋼波紋管涵洞的管頂、管底和管側(cè)三處軸線方向的應(yīng)力和變形進(jìn)行對(duì)比分析。不同回填基礎(chǔ)的參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 不同回填基礎(chǔ)的參數(shù)

        3.2 工況說(shuō)明

        車輛荷載按照國(guó)內(nèi)公路橋涵規(guī)范中要求的公路-1級(jí)汽車荷載形式,立面、平面尺寸見(jiàn)圖1、圖2,主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

        表2 車輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

        圖1 公路-Ⅰ級(jí)荷載立面布置(mm)

        圖2 公路-Ⅰ級(jí)荷載平面(mm)

        3.3 模擬結(jié)果分析

        圖3 基礎(chǔ)為一般填土?xí)r模型變形

        圖4 基礎(chǔ)為碎石時(shí)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(jí)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(chǔ)(一般填土、碎石、天然砂礫、級(jí)配碎石)情況下鋼波紋管涵洞的應(yīng)力和變形規(guī)律。不同基礎(chǔ)的模型變形見(jiàn)圖3~圖6。

        圖5 基礎(chǔ)為天然砂礫時(shí)模型變形

        圖6 基礎(chǔ)為級(jí)配碎石時(shí)模型變形

        3.3.1 應(yīng)力分析

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

        圖7 管頂應(yīng)力變化曲線

        圖8 管底應(yīng)力變化曲線

        圖9 管側(cè)應(yīng)力變化曲線

        3.3.2 變形分析

        管頂、管底和管側(cè)的位移變化曲線見(jiàn)圖10~圖12,可以看出:(1)各回填基礎(chǔ)工況下,從管涵管端到管中再到管涵端口,管涵位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),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(guān)系為管頂>管側(cè)>管底。(3)不同材料基礎(chǔ)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(jí)配碎石。當(dāng)基礎(chǔ)強(qiáng)度較差時(shí),通過(guò)改善基礎(chǔ)材料可以有效減少鋼波紋管涵洞的變形,確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。(4)對(duì)荷載作用下四種回填基礎(chǔ)的管頂、管底和管側(cè)的位移變化分析,回填基礎(chǔ)為級(jí)配碎石、天然砂礫時(shí)管涵所受應(yīng)力最小,與應(yīng)力分析結(jié)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(cè)位移變化曲線

        4 鋼波紋管涵洞施工要點(diǎn)

        4.1 基礎(chǔ)施工

        4.1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求

        (1)由于鋼波紋管為柔性結(jié)構(gòu),因此基礎(chǔ)不宜采用剛性結(jié)構(gòu),當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制,必須使用時(shí)應(yīng)設(shè)置砂礫緩沖層,減小剛性基礎(chǔ)對(duì)波紋管的破壞。(2)鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)成型時(shí)宜預(yù)留沉降量,應(yīng)根據(jù)鋼波紋管結(jié)構(gòu)的管底縱坡、管頂填土具體高度進(jìn)行設(shè)計(jì)。高填方路基時(shí)(一般管頂填土高度大于8.0 m),應(yīng)針對(duì)具體情況對(duì)基礎(chǔ)承載力做單獨(dú)設(shè)計(jì)。

        4.1.2 基礎(chǔ)材料要求及施工

        (1)當(dāng)基礎(chǔ)為一般地質(zhì)土層時(shí),應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)采用天然砂礫或級(jí)配碎石進(jìn)行換填;材料稀缺地區(qū)也可選用碎石土、礫石等材料,但應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求后方可使用。(2)對(duì)于膨脹土、濕陷性黃土等地區(qū)鋼波紋管涵洞除了基礎(chǔ)應(yīng)換填外,還應(yīng)做好隔水處理。(3)多年凍土區(qū)鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)涵位處凍土特征、上限深度、路基填土高度、施工季節(jié)、施工條件等因素綜合分析確定。涵洞基礎(chǔ)的選擇應(yīng)與凍土地基類型相適應(yīng);當(dāng)?shù)鼗鶠楦邷貎鐾習(xí)r,基底應(yīng)進(jìn)行保溫隔熱處理?;A(chǔ)頂部可鋪設(shè)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(cè)各加寬1.0~2.0 m的寬度要求,換填的長(zhǎng)度應(yīng)結(jié)合涵洞管節(jié)總長(zhǎng)度和涵洞出入口的鋪砌方式等確定,不應(yīng)小于管節(jié)總長(zhǎng)度。

        4.2 拼裝施工

        (1)安裝前應(yīng)檢查涵底標(biāo)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(zhǔn)確定第一張鋼波紋板,由下向上順次拼裝,圓周向連接應(yīng)采用錯(cuò)縫拼裝,兩片板連接孔對(duì)齊后進(jìn)行螺栓固定連接。(2)鋼波紋板件拼裝搭接時(shí),上部板件應(yīng)在外側(cè),以防止土體中水滲入管內(nèi)。(3)鋼波紋管全部拼裝完成后,應(yīng)用定扭汽動(dòng)扳手,控制扭矩為270~410 N·m,緊固所有螺栓。(4)預(yù)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(yīng)從管涵兩側(cè)對(duì)稱分層(壓實(shí)后厚度小于0.3 m)回填,同時(shí)應(yīng)控制兩側(cè)回填的高程差不能大于0.6 m。楔形部位采用粗沙進(jìn)行“水密法”振搗密實(shí)。管頂上部機(jī)械壓實(shí)時(shí),應(yīng)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(dòng)壓路機(jī)壓實(shí),后采用小型壓路機(jī)壓實(shí),填土厚度超過(guò)0.8 m后,方可采用20 t壓路機(jī)振壓。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1)國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼波紋管涵洞均做了大量的應(yīng)用和研究,結(jié)構(gòu)形式多為同一換填基礎(chǔ)情況下的受力分析或模擬分析,關(guān)于不同基礎(chǔ)材料的鋼波紋管涵洞應(yīng)力、變形的研究則很少有報(bào)道。(2)不同基礎(chǔ)材料對(duì)鋼波紋管涵洞的應(yīng)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(jí)配碎石。(3)通過(guò)改善基礎(chǔ)材料可有效改善鋼波紋管涵洞的受力和變形,建議基礎(chǔ)換填材料選用級(jí)配碎石或天然砂礫。材料稀缺地區(qū)也可選用碎石土、礫石等材料,但應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,滿足規(guī)范要求后方可使用。(4)鋼波紋管涵洞應(yīng)做好施工組織,拼裝施工應(yīng)控制好板片之間的連接,且管涵兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱回填,同時(shí)各環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保施工質(zhì)量。

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