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        大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征及施工工藝

        2021-10-16 09:37:34羅學(xué)睿
        山東交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:施工

        羅學(xué)睿,胡 濱,2,何 強

        (1.中交第一公路勘察設(shè)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(yè)大學(xué),陜西 西安 710021)

        引言

        鋼波紋管結(jié)構(gòu)最早在英國的公路排水、通道工程中應(yīng)用,后在美國、加拿大大量推廣。美國一些機構(gòu)主要在其防腐方面進行了大量調(diào)研及試驗研究,總結(jié)了防腐研究成果及應(yīng)用工程的施工工藝,形成了相關(guān)的設(shè)計手冊或施工技術(shù)規(guī)范。日本和韓國借鑒美國經(jīng)驗,進行了鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)的探索,獲得了成功并取得了一些成果,也形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[1-5]。另外,一些非洲國家也進行了小孔徑的應(yīng)用,取得了成功。我國于1997 年首次在青藏公路中應(yīng)用鋼波紋管結(jié)構(gòu),后逐漸推廣應(yīng)用。近年來,國內(nèi)對鋼波紋管涵洞研究進一步深入,形成了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團體標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。國內(nèi)學(xué)者雖然對其進行了一定試驗和分析,但關(guān)于其施工過程中受力情況的現(xiàn)場測試及分析的研究較少,也沒有形成系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),并進行鍍鋅防腐,運輸至現(xiàn)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(nèi)應(yīng)變布置方案

        管內(nèi)應(yīng)變片布置時應(yīng)選擇路中位置的波峰、波谷和波側(cè)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(yīng)變片布置斷面/(°)

        圖2 應(yīng)變片布設(shè)平面

        1.2 現(xiàn)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(yè),然后采集數(shù)據(jù),見表1。

        表1 現(xiàn)場測試工況

        2 鋼波紋管涵洞應(yīng)變變化規(guī)律分析

        2.1 波峰應(yīng)變隨填土高度變化測試結(jié)果

        波峰應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果,見圖3。

        圖3 波峰應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)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(nèi),各角度測試點均為拉應(yīng)變;填土2.0 m時,管周45°、90°為壓應(yīng)變;當(dāng)填土后期時(管頂5.0 ~6.0 m),由于機械的進一步壓實,拉應(yīng)變和壓應(yīng)變值變化均較為平穩(wěn),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(yīng)變,但三者的增長幅度不同,其應(yīng)變值關(guān)系為管周135°>管底180°>管頂0°;管周45°和管側(cè)90°在施工開始時為拉應(yīng)變,后由于施工機械進一步壓實管頂土層,轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變。(3)總體上,鋼波紋管上半圓和下半圓均是45°為最大應(yīng)變值,施工時應(yīng)進行重點觀測。(4)管頂填土1 m 范圍內(nèi),部分角度應(yīng)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(yīng)變隨填土高度變化測試結(jié)果

        波谷應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果,見圖4。

        圖4 波谷應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果

        由圖4 可以得出:(1)初始管頂填土1.0 m 以內(nèi),不同測點的應(yīng)變值都為拉應(yīng)變,僅大小不同;當(dāng)管頂填土增加到2.0 m 時,管周45°和管側(cè)90°仍為拉應(yīng)變,但管頂0°、管底180°和管周135°轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)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(yīng)變值變化略小。(2)與波峰變化規(guī)律正好相反:管周45°和管側(cè)90°為拉應(yīng)變,且應(yīng)變值大小為:管周45°>管側(cè)90°。管頂0°、管底180°和管周135°為壓應(yīng)變,且管周135°應(yīng)變值隨填土高度的增長率最大,應(yīng)變關(guān)系為管周135°>管底180°>管頂0°。(3)最大拉、壓應(yīng)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(cè)應(yīng)變隨填土高度變化測試結(jié)果

        波側(cè)應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果,見圖5。

        圖5 波側(cè)應(yīng)變隨填土高度增加測試結(jié)果

        由圖5 可得:(1)波側(cè)應(yīng)變規(guī)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(yīng)變。(2)2.0 m 時,管周45°、90°和0°為壓應(yīng)變,并逐漸增大。(3)填土后期各角度應(yīng)變值趨于平穩(wěn)。

        2.4 應(yīng)變隨填土高度變化的測試結(jié)果對比

        對比圖3 ~圖5,可以得出:(1)管頂填土2.0 m范圍內(nèi),部分角度應(yīng)變值性質(zhì)(拉應(yīng)變或壓應(yīng)變)存在交替變化的情況,產(chǎn)生力的重新分布,因此,應(yīng)做好機械與人力的配合。(2)波峰、波谷和波側(cè)在1.0 m 時呈現(xiàn)出拉應(yīng)變,進一步施工,部分角度應(yīng)變值發(fā)生變化,應(yīng)變性質(zhì)出現(xiàn)變化(由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變);填土后期(管頂+5.0 m 至管頂+6.0 m),各角度應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。(4)波峰、波側(cè)在鋼波紋管側(cè)135°為最大拉應(yīng)變,最大壓應(yīng)變位于管側(cè)45°,而波谷相反。填土荷載過程中鋼波紋管最大受力均出現(xiàn)在上半圓或下半圓的45°。(5)比較波峰、波谷和波側(cè),其中最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在鋼波紋管波峰的管周315°處,應(yīng)變?yōu)?43με;最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在波谷位置的管周315°角度,為105με,均小于鋼波紋管的允許應(yīng)變值,結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

        2.5 波峰應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

        波峰應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律,見圖6。

        圖6 波峰應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

        由圖6 可以得出:(1)管頂0°不同角度測試結(jié)果均為拉應(yīng)變,而管周45°部分從開始的拉應(yīng)變變?yōu)閴簯?yīng)變,后90°逐漸減小,135°又變?yōu)槔瓚?yīng)變,后180°處變小。(2)管周45°和135°位置都發(fā)生了應(yīng)力集中,施工時為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,應(yīng)進行必要的觀測。(3)隨著角度的轉(zhuǎn)變,應(yīng)變變化為拉應(yīng)變→壓應(yīng)變→拉應(yīng)變。

        2.6 波谷應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

        波谷應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律,見圖7。

        圖7 波谷應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

        由圖7 可以得出:波谷管頂0°各角度呈現(xiàn)出壓應(yīng)變,角度45°變化為拉應(yīng)變,角度90°變小,而角度135°轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)變,且至角度180°壓應(yīng)變減小。隨著角度轉(zhuǎn)變,規(guī)律為:壓應(yīng)變→拉應(yīng)變→壓應(yīng)變。

        2.7 波側(cè)應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

        波側(cè)應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律,見圖8。

        圖8 波側(cè)應(yīng)變沿管周角度的變化規(guī)律

        2.8 應(yīng)變沿管周角度變化測試結(jié)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(cè)存在拉應(yīng)變→壓應(yīng)變→拉應(yīng)變的變化過程;而波谷正好相反。(2)波峰、波谷的應(yīng)變值相比波側(cè)較大,均在管周45°和管周135°出現(xiàn)了應(yīng)力的集中現(xiàn)象,為確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,應(yīng)進行施工監(jiān)測。

        3 鋼波紋管涵洞施工要點

        3.1 基礎(chǔ)施工要點

        (1)鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)為較差的地質(zhì)時(如軟土、凍土等),應(yīng)采用砂礫等材料進行換填。(2)高填方路基應(yīng)在基礎(chǔ)上進行預(yù)拱度的設(shè)計,結(jié)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(yīng)對照圖紙復(fù)核涵底標(biāo)高、中心軸線、兩側(cè)邊線和縱坡,確保準(zhǔn)確無誤。(2)鋼波紋管應(yīng)先拼接成圓環(huán),后軸向錯位拼接。拼接圓環(huán)首先安裝底下第一片板片,然后兩側(cè)對稱由下向上進行拼接。拼裝時兩個板片孔位應(yīng)對齊,螺栓套上墊片由內(nèi)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(nèi)部,兩片波紋板拼接,應(yīng)使得上部的板片在外面,下部的板片在內(nèi)側(cè)。當(dāng)鋼波紋管涵長較長時,應(yīng)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(yīng)檢查螺栓松緊,對于較松的螺栓應(yīng)用扳手進行二次擰緊。待所有螺栓擰緊后,用專業(yè)密封膠對板與板連接處、螺帽處進行密封處理,密封膠應(yīng)符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。最后在鋼波紋管內(nèi)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(dāng)材料受限或運輸困難時,可采用當(dāng)?shù)夭牧希珣?yīng)進行試驗驗證達到規(guī)范要求后方可采用。應(yīng)采用分層對稱填筑,管周0.5 m 內(nèi)應(yīng)用小型夯機夯實,以免施工時大型機械碰撞鋼波紋管,產(chǎn)生凹槽、碰掉鍍鋅層等破壞。管涵兩側(cè)填料應(yīng)符合設(shè)計要求,應(yīng)避免使用帶有棱角的大尺寸石塊的材料進行回填。

        4 結(jié)語

        (1)鋼波紋管的波峰和波谷應(yīng)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(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。(2)鋼波紋管的波峰、波谷及波側(cè)最大受力均出現(xiàn)在上半部圓或下半部圓的45°。(3)鋼波紋管拼裝時應(yīng)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(cè)回填應(yīng)采用分層對稱填筑,管頂最小填土高度應(yīng)杜絕車輛的通行,以免對鋼波紋管產(chǎn)生變形破壞。

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