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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

2022-01-12 04:37孫建光鐘明易達(dá)金玉良胡濱
中外公路 2021年6期
關(guān)鍵詞:管頂涵洞波紋管

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),英國首先用于灌溉農(nóng)田的涵洞,隨后美國、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,日本、韓國也進(jìn)行了鋼波紋管橋涵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,并對其進(jìn)行了防腐等方面的研究,制定了各國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。中國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)生的裂縫問題。截至目前,中國已經(jīng)在青海、安徽、西藏、內(nèi)蒙、新疆、湖南、山西、河北等30多個省區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。雖然中國一些研究機(jī)構(gòu)和高校對公路小孔徑(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,因此很有必要對其進(jìn)行研究。

隨著中國公路行業(yè)的快速發(fā)展,鋼波紋管涵洞在公路工程中應(yīng)用越來越多,特別是在山嶺重丘地區(qū)應(yīng)用數(shù)量快速增長,但中國關(guān)于高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞土壓力研究較少。該文通過對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,同時對比分析鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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,鋼波紋板出廠時采用熱浸鍍鋅進(jìn)行防腐處理,運(yùn)輸至現(xiàn)場采用螺栓進(jìn)行拼裝施工,且現(xiàn)場安裝前管壁內(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,其他施工區(qū)域采用重量為25 t壓路機(jī)進(jìn)行壓實,管頂填筑高度為13.53 m。

3 試驗方案

3.1 鋼波紋管涵洞外壁土壓力測試方案

土壓力盒出廠前進(jìn)行了校準(zhǔn),現(xiàn)場進(jìn)行試測已確保其準(zhǔn)確性。按照試驗方案,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、壓力盒周圍均采用細(xì)沙填充,人工夯實后采用細(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12個測點(diǎn)。相隔1.8 m按照同樣方案布置,作為對照,合計24個測點(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 測試工況

鋼波紋管涵洞施工時,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。具體測試工況見表1。

表1 測試工況匯總

4 鋼波紋管涵洞管外壁徑向土壓力測試結(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程中,隨著填土高度的不斷增加,各測點(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分為3個階段:① 第1階段波動增長區(qū)(管頂+0.2 m至管頂+1.0 m),各測點(diǎn)徑向土壓力增長幅度較小,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,壓實不夠引起的;② 第2階段為快速增長區(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,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圍土體形成土拱效應(yīng),形成拱區(qū),減少了鋼波紋管的受力。

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

(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,這是因為鋼波紋管涵洞為薄殼結(jié)構(gòu),隨著管頂填土的增加,該4處測點(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) 各測點(diǎn)徑向土壓力均以拋物線形式增長,只是與管頂填土高度的增長斜率有所不同。管頂0°在填土至管頂+9.2 m時突然增大,說明此時管頂周圍受力較大,施工時應(yīng)進(jìn)行同步觀測。

4.2 管周徑向土壓力隨測試位置的變化規(guī)律

管周徑向土壓力隨測試位置的變化規(guī)律見圖3。

從圖3可以看出:

圖3 管周徑向土壓力隨測試位置變化規(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) 隨著測試位置的變化,從管頂0°→管周330°變化過程中,土壓力變化規(guī)律為減小→增大→減小→增大→減小→增大→減小的過程,且呈波浪形變化。

(3) 除管頂0°以外,各測點(diǎn)以管底180°為對稱軸,呈現(xiàn)對稱分布的規(guī)律,說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,說明管底受較大的土壓力,因此在鋼波紋管涵洞地基處理時,應(yīng)保證地基換填材料滿足規(guī)范要求,且壓實后的承載力滿足設(shè)計要求,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)場進(jìn)行拼裝施工,工藝簡單方便,施工速度快,相比較于混凝土涵洞可大幅度縮短施工工期,縮短高速公路項目的建設(shè)時間,進(jìn)而減少施工時人員和機(jī)械成本費(fèi)用的投入,同時相對提高項目運(yùn)營時間,使項目能盡快投入到運(yùn)營階段,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。項目組通過對貴州省江玉高速、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對比分析,總體上孔徑越大,鋼波紋管涵洞節(jié)省造價越多??讖叫∮? m的鋼波紋管涵洞與混凝土涵洞造價相當(dāng),節(jié)省工期10~30 d;孔徑3~5 m時,與鋼筋混凝土蓋板涵造價比較節(jié)約10%左右,相應(yīng)地節(jié)省工期30~60 d;孔徑6~8 m時,與鋼筋混凝土橋梁造價比較節(jié)約18%左右,相應(yīng)地節(jié)省工期50~90 d;孔徑9~10 m時,與鋼筋混凝土橋梁造價比較節(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,縮短了施工工期,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 社會效益分析

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),不但施工工藝簡單、操作方便,而且節(jié)省了后期維護(hù)成本。

對于一些特殊地區(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、軍事保修等臨時工程,采用鋼波紋管涵洞更具有優(yōu)勢。

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

6 結(jié)論

通過對鋼波紋管涵洞管外不同角度位置現(xiàn)場布置土壓力盒,持續(xù)對路基填筑高度13.65 m、孔徑6 m的鋼波紋管涵洞施工過程中管外徑向土壓力值進(jìn)行了觀測,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,并對鋼波紋管涵洞的經(jīng)濟(jì)和社會效益進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:

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

(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分為波動增長→快速增長→緩慢增長的過程。

(3) 隨著測試位置的變化,從管頂0°→管周330°變化過程中,土壓力為減小→增大→減小→增大→減小→增大→減小的過程,且呈波浪形變化。除管頂0°以外,各測點(diǎn)以管底180°為對稱軸,呈現(xiàn)對稱分布的規(guī)律。

(4) 鋼波紋管涵洞采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),施工工藝簡單,相比較于混凝土結(jié)構(gòu),孔徑越大節(jié)省造價越多,同時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)和社會效益。

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