谈钢波纹管涵在高填方路基上的应用

随着固原市经济的发展，原有的城市规模已不能适应当前的发展需要，为此在市区以西约2Okm。范围内规划了固原新区。北新街作为固原市新老城区的连接线，它的实施进度将直接影响新城区的发展，而如何跨过深达37m 的饮马河沟又是北新街道路工程的重点，方案选择是否合理直接影响工程质量、进度和投资。
　　1 方案选定
　　从现场勘测断面来看，饮马河为U形沟，河道较顺直，两岸为黄土，岸壁直立，沟底常年有水，来源主要为上游泉眼渗漏和当地一些小作坊排污水；沟底土质为0.5～1.0m淤泥层，以下为砂砾层。根据水文调查结果，本沟上游沟长2 km，汇水面积1.5km。由于当地政府封山育林，暴雨后坡面水基本被截流利用，近年来未发生过洪水。沟上游已规划为城市用地，近几年将逐步填平。经综合考虑并与建设单位、当地规划部门协商，决定以填方路基形式穿过，但必须设置构造物满足目前排水需要。根据沟两岸地形及固原市规划部门提供的控制标高，沟中最大路基填土高度达37 m。按有关规范，路堤边坡高度大于2Om就属于高路基，对高路基下的构造物需进行特殊设计。由于设置钢筋砼拱涵或钢筋砼板涵要求地基允许承载力较高，而沟底地质勘察结果表明，其地基承载力不能满足要求l如采用桩基础，费用又太高；设置钢筋砼圆管涵，地基承载力不能满足要求，而且管节接头在涵顶36m高填土路基作用下很容易变形渗水，影响路基稳定。经过查询类似工程设计，综合比较后决定采用直径1m、管壁厚3.5mm的钢波纹管涵，为防止上游雍水，作一定高度路基防护，并作防渗处理。
　　2 钢波纹管的特点
　　2.1 钢波纹管的优点
　　1)质量轻。以内径1m的涵管为例，钢波纹管涵每米质量为60~300kg(依波纹形式和钢板厚度而定)，仅为钢筋砼圆管涵质量的4%～20%，这给施工运输和安装带来极大方便。
　　2)耐久性好。根据相关资料，镀锌防腐处理好的钢波纹管的使用寿命为75年以上，几乎不需要养护。对涵洞来说，这样的使用寿命完全可以满足相关规范的要求。
　　3)采用工厂化生产。钢波纹管一般是在工厂成批生产，可大大降低成本，质量稳定、可靠。
　　4)安装方便。由于钢波纹管的安装过程是简单的栓接和就位过程，施工人员不必经过特殊培训即可操作。
　　2.2 钢波纹管与钢筋砼四管涵的区别
　　钢波纹管是波形钢板经特殊加工而成的柔性结构，钢筋砼圆管涵是刚性结构，=者在荷载作用下的受力不同。在垂直荷载作用下，钢波纹管断面会发生微小变化，通过与周围土体的相互作用，将荷载有效地传递给周围土体；而荷载作用在钢筋砼圆管涵上时，其形状基本不会发生变化，荷载大部分由涵管基础底部土体承担。钢波纹管涵底部压力明显比钢筋砼圆管涵底部压力小得多，而且其微小变化，使其周边径向压力更均匀。钢波纹管将荷载分摊到周围土体，形成土体和涵管结构相互作用体系，共同承担荷载，涵管底部压力较小，因此，不必对其基础进行特殊处理。相反，基底部分相对较疏散，有利于土体一结构相互作用体系的形成，这样，省去了钢筋砼涵管所需的圬工基础，施工过程简单，结构物综合造价降低。
　　3 钢波纹管涵的设计
　　3。1 钢波纹管力学计算模型
　　目前，钢波纹管设计计算中一般采用有限元程序来分析金属波纹管的受力和变形。其计算模型一般将波纹管和土体看作结合在一起的弹性体，将波纹管分割为四节点的壳单元，将士体分割为四节点的实体单元。边界条件是路基顶面为自由面，底面的竖向位移设为零，水平方向可以滑动。
　　3。2 钢波纹管的设计荷载
　　钢波纹管涵洞的设计荷载由恒载和活载两部分组成，恒载主要是钢波纹管上的回填士重力，活载主要为行驶在桥涵上的汽车荷载。由于本涵洞士较高，活载所占比例很小，可以忽略不计。
　　3。3 钢波纹管涵基底处理
　　钢波纹管基础采用柔性基础，直接将钢波纹管放置于一定厚度的砂砾石垫层上。在荷载作用下，涵洞基础允许有一定变形，主要考虑地基允许承载力和软弱下卧层沉降值能否满足高填方路基的要求。对本涵洞，将原地表淤泥层和软弱下卧层进行换填砂砾处理。
3.4 钢波纹管涵计算结果
　　根据以上计算模型和受力分析，采用ANASYS有限元分析软件计算，定义钢结构的强度应力作为强度条件，按下式计算：

　　整个模型的最大强度应力为19.845MPa，小于A3钢板屈服强度(245MPa)，说明结构稳定。钢波纹管相对竖向位移为1.0 cm，满足设计要求(计算过程略)。
　　4 钢波纹管涵的施工
　　钢波纹管涵具有强度高、质量轻、安装方便、费用低及柔性好(可以承受不均匀沉降和微小变形)等优点，但上述特点建立在设计合理、施工可靠的基础上，因此，良好的安装施工是保障钢波纹管结构安全、可靠的重要条件。
　　4.1 底座施工
　　钢波纹管底座一般是平坦的，要求底座由相对松散的材料组成，以使钢波纹管和底座材料有效结合。与钢波纹管直接接触的材料中不能含有粒径大于75 rnm的砾石r也不能含有冻土、高塑土和腐殖质土等。当埋置地点为软弱地基时，可以按路基处理的相关办法进行处理后，按正常地基埋置钢波纹管结构方法进行施工。对高填土或发生沉降较大的路段，应根据沉降计算设置合理的预拱度。
　　4.2 钢波纹管的运输与安装
　　安装时，为了保护表层镀锌层，不能将钢波纹管直接从卡车上翻拉下来，而应用吊车装卸或慢慢滚下来；安放时需对现场的涵管节及其附属配件进行检测，检测其结构尺寸及防腐是否达到要求，必要时需对镀锌涂层表面涂沥青或其他防腐材料。
　　4.3 洞口处理
　　进出洞口管节直接加工成与路基边坡坡率相同的斜开口形式，在其与河床接头处进出口地面设边坡防护，在一定范围内应采用双层浆砌片石铺砌，以防冲刷，并做必要的防渗处理。
　　4.4 结构物两侧回填
　　结构物两侧回填质量直接关系到土体与结构相互作用体系形成受力的好坏，因此，对结构物回填必须从严要求，并重视施工过程。通常影响回填质量的主要因素包括回填材料、回填方式及压实度。钢波纹管周围的回填材料和回填方式的选择在很多方面与路基填筑基本一致，不同的是由于钢波纹管结构会对周围土体产生侧压力，其周围回填材料需更加密实。这里所说的周围回填范围一般指结构两侧各一倍直径、上部30 cm且不小于1/6直径的区域。回填时，优先选用颗粒状材料，尽量避免选用粘性材料。为了确保结构的可靠性，应使回填材料最小压实度达到9O ，对较大孔径结构，最小压实度应达到95%。压实机械一般包括手工夯、机械夯、压路机及振动压路机等，根据施工场地要求确定。
　　结构物两侧回填应对称施工，分层回填，每层高度控制在15～3Ocm，下层压实度达到后才能回填上一层，两侧回填高差不能超过一层厚度。回填高度满足最小填土高度后，便可按正常路基填筑方法进行其他施工。对钢波纹管角隅回填要特别慎重，高填方涵洞尤应注意。
　　4.5 注意事项
　　1)施工季节应严格控制，防止在冰冻季节施工，影响施工质量。别对粉粘粒含量应严格控制，防止产生冻胀导致涵洞涵管破坏。
　　3)基础与涵管侧面、顶部填料要分层碾压，压实度必须满足要求，否则易引起涵管应力集中、涵管变形和两侧沉陷跳车。
　　4)拼装时，应严格控制涵底纵坡，并加强管节的防腐，确保涵洞使用性能和服务寿命满足要求。
　　5 结语
　　固原市北新街城市道路项目采用钢波纹管涵处理高填方路基，现已施工完成2年，涵洞使用情况良好，建设、施工单位也反映施工方便。钢波纹管涵具有质量轻、耐久性好、施工工期短、对地基要求低、对环境影响小、维修费用低的特点，在高填方路基中，与钢筋砼板涵、拱涵、箱涵相比较经济，在国外已被广泛用于涵洞、排水管、通道、桥梁等，成为替代钢筋砼结构的一种新结构形式。钢波纹管涵洞主要在我国西部严寒地区逐步得到推广使用，我国有关科研设计部门正在编写钢波纹管涵的设计、施工规范。相信随着对结构耐久性认识的逐步提高，钢波纹管涵在公路或其他工程中将具有更广阔的应用前景。