公路高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞徑向土壓力及效益分析

孫建光， 鐘明， 易達(dá)， 金玉良， 胡濱*

(1.中交第四公路工程局有限公司， 北京市 100022； 2．中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司； 3．西安中交土木科技有限公司)

1 引言

鋼波紋管涵洞是一種波紋狀的拼裝結(jié)構(gòu)，英國(guó)首先用于灌溉農(nóng)田的涵洞，隨后美國(guó)、加拿大在公路工程中進(jìn)行了大量應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，日本、韓國(guó)也進(jìn)行了鋼波紋管橋涵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并對(duì)其進(jìn)行了防腐等方面的研究，制定了各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。中國(guó)1995—1997年在青藏公路應(yīng)用，取得了成功，解決了多年凍土地區(qū)混凝土涵洞由于凍脹融沉產(chǎn)生的裂縫問(wèn)題。截至目前，中國(guó)已經(jīng)在青海、安徽、西藏、內(nèi)蒙、新疆、湖南、山西、河北等30多個(gè)省區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。雖然中國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)公路小孔徑(孔徑小于4 m)鋼波紋管涵洞受力變形、防腐等方面也進(jìn)行了研究，但關(guān)于高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞的受力特征、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方面研究得較少，制約了鋼波紋管涵洞在公路工程中的推廣，因此很有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

隨著中國(guó)公路行業(yè)的快速發(fā)展，鋼波紋管涵洞在公路工程中應(yīng)用越來(lái)越多，特別是在山嶺重丘地區(qū)應(yīng)用數(shù)量快速增長(zhǎng)，但中國(guó)關(guān)于高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞土壓力研究較少。該文通過(guò)對(duì)貴州江口至玉屏高速公路高填方6 m孔徑鋼波紋管涵洞施工過(guò)程中分層土壓力的分析，揭示隨著填土高度增加鋼波紋管涵洞管周不同位置土壓力的變化規(guī)律，同時(shí)對(duì)比分析鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 依托工程概況

依托工程為江口至玉屏高速公路5標(biāo)樁號(hào)K45+936雙孔直徑6 m鋼波紋管涵洞，兩孔之間凈距為2 m，波形參數(shù)為波距300 mm×波高110 mm，壁厚為6 mm(鍍鋅前)，所用材料為Q235鋼材，鋼波紋板出廠時(shí)采用熱浸鍍鋅進(jìn)行防腐處理，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)采用螺栓進(jìn)行拼裝施工，且現(xiàn)場(chǎng)安裝前管壁內(nèi)外均勻涂刷瀝青二次防腐。鋼波紋管楔形部位采用粗砂填充、“水密法”施工，進(jìn)出口為八字墻結(jié)構(gòu)。管周1 m、兩管之間及管頂填筑1 m范圍內(nèi)采用小型夯機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，其他施工區(qū)域采用重量為25 t壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，管頂填筑高度為13.53 m。

3 試驗(yàn)方案

3.1 鋼波紋管涵洞外壁土壓力測(cè)試方案

土壓力盒出廠前進(jìn)行了校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試測(cè)已確保其準(zhǔn)確性。按照試驗(yàn)方案，在鋼波紋管外壁不同角度按以下方法依次埋設(shè)壓力盒：壓力盒切著管壁，與管壁之間、壓力盒周?chē)捎眉?xì)沙填充，人工夯實(shí)后采用細(xì)土再次回填。

壓力盒按照一定角度在管外埋設(shè)，具體為：在路中位置鋼波紋管外側(cè)按照一定的角度進(jìn)行壓力盒的布置，依次為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°和330°共計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)。相隔1.8 m按照同樣方案布置，作為對(duì)照，合計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)。具體布設(shè)如圖1所示。

圖1 鋼波紋管涵洞外壁壓力盒布置圖

3.2 測(cè)試工況

鋼波紋管涵洞施工時(shí)，管周0.3 m及管頂0.5 m范圍內(nèi)應(yīng)禁止機(jī)械施工，避免機(jī)械對(duì)鋼波紋管的破壞。管側(cè)及管頂均采用分層填筑，每層填筑完成后機(jī)械駛離鋼波紋管20 m以外停止施工，后采用土壓力測(cè)試儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，待采集完成后方可進(jìn)行下一步施工。具體測(cè)試工況見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試工況匯總

4 鋼波紋管涵洞管外壁徑向土壓力測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 管周徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律

管周徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出：

圖2 管周徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律

(1) 鋼波紋管涵洞施工過(guò)程中，隨著填土高度的不斷增加，各測(cè)點(diǎn)徑向土壓力值均逐漸增大。

(2) 總體上，管周各角度的土壓力增長(zhǎng)分為3個(gè)階段：① 第1階段波動(dòng)增長(zhǎng)區(qū)(管頂+0.2 m至管頂+1.0 m)，各測(cè)點(diǎn)徑向土壓力增長(zhǎng)幅度較小，這是由于管頂填土1.0 m范圍內(nèi)，為避免大型機(jī)械施工使鋼波紋管產(chǎn)生較大變形，甚至出現(xiàn)垮塌等現(xiàn)象，而采用重量較輕的夯機(jī)配合人工進(jìn)行夯實(shí)，壓實(shí)不夠引起的；② 第2階段為快速增長(zhǎng)區(qū)(管頂+2.2 m至管頂+9.2 m，即填土從管頂至1.5D左右，D為直徑)，隨著填土高度的增加以及施工機(jī)械進(jìn)一步的壓實(shí)，彌補(bǔ)了第1階段壓力值不足，部分角度徑向土壓力值突然增大，但大小關(guān)系保持一致，管底180°>管側(cè)90°>管側(cè)270°>管側(cè)120°>管側(cè)240°>管頂0°>管側(cè)60°>管側(cè)300°>管側(cè)210°>管側(cè)30°>管側(cè)330°；③ 第3階段為緩慢增長(zhǎng)區(qū)(管頂+11.8 m至路面頂部，即填土約為2D至路面頂部)，各角度徑向土壓力值隨著填土高度增加幾乎不變，這是由于鋼波紋管與周?chē)馏w形成土拱效應(yīng)，形成拱區(qū)，減少了鋼波紋管的受力。

(3) 施工過(guò)程中，填土管頂+9.2 m時(shí)，各角度土壓力由快速增長(zhǎng)變?yōu)榫徛鲩L(zhǎng)，處于增長(zhǎng)的拐點(diǎn)，施工時(shí)應(yīng)注意觀察并進(jìn)行必要的檢測(cè)。

(4) 總體上管底180°、管側(cè)90°、管側(cè)270°和管頂0°位置土壓力較大，這是因?yàn)殇摬y管涵洞為薄殼結(jié)構(gòu)，隨著管頂填土的增加，該4處測(cè)點(diǎn)變形較大，但最大壓力值小于允許值，結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定。

(5) 各測(cè)點(diǎn)徑向土壓力均以?huà)佄锞€(xiàn)形式增長(zhǎng)，只是與管頂填土高度的增長(zhǎng)斜率有所不同。管頂0°在填土至管頂+9.2 m時(shí)突然增大，說(shuō)明此時(shí)管頂周?chē)芰^大，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行同步觀測(cè)。

4.2 管周徑向土壓力隨測(cè)試位置的變化規(guī)律

管周徑向土壓力隨測(cè)試位置的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出：

圖3 管周徑向土壓力隨測(cè)試位置變化規(guī)律

(1) 隨著填土高度的增加，不同角度徑向土壓力分布較為均勻，隨著填土高度的增加逐漸增大。

(2) 隨著測(cè)試位置的變化，從管頂0°→管周330°變化過(guò)程中，土壓力變化規(guī)律為減小→增大→減小→增大→減小→增大→減小的過(guò)程，且呈波浪形變化。

(3) 除管頂0°以外，各測(cè)點(diǎn)以管底180°為對(duì)稱(chēng)軸，呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的規(guī)律，說(shuō)明受管周及管頂土體的約束，鋼波紋管受力較為均衡，有利于鋼波紋管涵洞的整體穩(wěn)定性。

(4) 管周90°、管底180°和管周270°出現(xiàn)應(yīng)力集中，但各角度的最大應(yīng)力值均小于鋼材的允許應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。雖然壓力較小，但施工時(shí)應(yīng)采取一定的措施確保工程的整體安全穩(wěn)定性。

(5) 總體上，各角度土壓力值變化規(guī)律明顯，隨著填土高度的增加逐層遞增，管底180°的增加幅度要大于其他角度，說(shuō)明管底受較大的土壓力，因此在鋼波紋管涵洞地基處理時(shí)，應(yīng)保證地基換填材料滿(mǎn)足規(guī)范要求，且壓實(shí)后的承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，以免工后產(chǎn)生較大的變形。

5 鋼波紋管涵洞效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

鋼波紋管涵洞采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝施工，工藝簡(jiǎn)單方便，施工速度快，相比較于混凝土涵洞可大幅度縮短施工工期，縮短高速公路項(xiàng)目的建設(shè)時(shí)間，進(jìn)而減少施工時(shí)人員和機(jī)械成本費(fèi)用的投入，同時(shí)相對(duì)提高項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)時(shí)間，使項(xiàng)目能盡快投入到運(yùn)營(yíng)階段，盡早產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

在公路高填方路基工程中，考慮到地基處理的費(fèi)用、基礎(chǔ)換填及管涵兩側(cè)回填施工的費(fèi)用，鋼波紋管涵洞較混凝土涵洞節(jié)約工程造價(jià)。項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)貴州省江玉高速、都勻高速等多條高速公路的調(diào)研，并進(jìn)行了鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞的造價(jià)對(duì)比分析，總體上孔徑越大，鋼波紋管涵洞節(jié)省造價(jià)越多。孔徑小于2 m的鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞造價(jià)相當(dāng)，節(jié)省工期10～30 d；孔徑3～5 m時(shí)，與鋼筋混凝土蓋板涵造價(jià)比較節(jié)約10%左右，相應(yīng)地節(jié)省工期30～60 d；孔徑6～8 m時(shí)，與鋼筋混凝土橋梁造價(jià)比較節(jié)約18%左右，相應(yīng)地節(jié)省工期50～90 d；孔徑9～10 m時(shí)，與鋼筋混凝土橋梁造價(jià)比較節(jié)約25%左右，相應(yīng)地節(jié)省工期80～150 d?？傮w上采用鋼波紋管結(jié)構(gòu)減少了工程造價(jià)，縮短了施工工期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 社會(huì)效益分析

鋼波紋管涵洞采用拼裝工藝，施工速度快，不需要混凝土結(jié)構(gòu)支模、拆模及后期養(yǎng)生，受天氣影響較小，可在雨季和冬季施工，解決了山嶺重丘區(qū)多雨雪天氣影響工程質(zhì)量和工程進(jìn)度，解決了冬季溫度較低影響混凝土施工質(zhì)量的難題。

由于受山嶺重丘區(qū)公路工程高填方路基的影響，材料缺乏及地形的限制，混凝土涵洞后期維護(hù)常常較為困難，需要投入大量的人力物力，而鋼波紋管涵洞在后期只需定期涂刷乳化瀝青進(jìn)行防腐維護(hù)，不但施工工藝簡(jiǎn)單、操作方便，而且節(jié)省了后期維護(hù)成本。

對(duì)于一些特殊地區(qū)(如軟土、凍土、濕陷性黃土等地區(qū))，應(yīng)用混凝土涵洞經(jīng)常出現(xiàn)地基變形產(chǎn)生裂縫進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)物的破壞，鋼波紋管涵洞采用拼裝施工，能較大地適應(yīng)地基產(chǎn)生的變形，避免了結(jié)構(gòu)物破壞引起的工程事故，特別適合在以上地區(qū)使用。水毀路段、軍事保修等臨時(shí)工程，采用鋼波紋管涵洞更具有優(yōu)勢(shì)。

鋼波紋管涵洞減少了砂石、水泥等材料的用量，避免了山石開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞，減少了環(huán)境污染，有利于環(huán)保，同時(shí)所用鋼材后期可回收利用，避免了混凝土結(jié)構(gòu)后期拆除對(duì)環(huán)境的進(jìn)一步破壞，符合國(guó)家提倡的“環(huán)境友好型”理念。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼波紋管涵洞管外不同角度位置現(xiàn)場(chǎng)布置土壓力盒，持續(xù)對(duì)路基填筑高度13.65 m、孔徑6 m的鋼波紋管涵洞施工過(guò)程中管外徑向土壓力值進(jìn)行了觀測(cè)，得出了高填方大孔徑鋼波紋管涵洞的管外徑向土壓力變化規(guī)律，并對(duì)鋼波紋管涵洞的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1) 施工過(guò)程中，隨著填土高度的不斷增加，鋼波紋管涵洞各測(cè)點(diǎn)徑向土壓力值逐漸增大，且呈現(xiàn)出拋物線(xiàn)形式的增長(zhǎng)曲線(xiàn)。

(2) 總體上，隨著填土高度的增加，鋼波紋管涵洞管外徑向土壓力增長(zhǎng)分為波動(dòng)增長(zhǎng)→快速增長(zhǎng)→緩慢增長(zhǎng)的過(guò)程。

(3) 隨著測(cè)試位置的變化，從管頂0°→管周330°變化過(guò)程中，土壓力為減小→增大→減小→增大→減小→增大→減小的過(guò)程，且呈波浪形變化。除管頂0°以外，各測(cè)點(diǎn)以管底180°為對(duì)稱(chēng)軸，呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的規(guī)律。

(4) 鋼波紋管涵洞采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，施工工藝簡(jiǎn)單，相比較于混凝土結(jié)構(gòu)，孔徑越大節(jié)省造價(jià)越多，同時(shí)可大幅度縮短施工工期。鋼波紋管涵洞受天氣影響較小，減少了砂石等材料的開(kāi)采，后期維護(hù)方便且可回收利用，有利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。