波紋鋼管涵洞在不穩定島狀凍土地區的應用

邱達志

(東北林業大學)

1 前言

波紋管涵與混凝土涵在結構上有著根本不同的特性，在美國、加拿大等分布有多年凍土的國家，波紋管涵已被廣泛應用于公路工程。孔徑從0.6～1.8 m：分橢圓形和圓形二種斷面，管壁厚4～8 mm;涵頂填土1.2～1.8 m，可通行50 t載重汽車。在我國也曾應用過波紋管涵，如20世紀50年代修建青藏公路時曾將波紋管涵應用于搶修工程，開挖出時發現其使用狀況良好。但由于經濟技術等原因，未能廣泛使用。上世紀末，由于項目研究需要對青藏高原多年凍土區以及東北島狀多年凍土區開展橋涵工程使用情況基本調查。調查結果顯示，多年凍土區公路涵洞使用完好率僅占被調查的約30%，涵洞損壞的主要表現為洞口鋪砌、八字墻、洞口、墻身等變形而喪失使用功能。這些涵洞破壞的主要原因是基底凍土融化，降低了地基承載力，影響地基的穩定性。

島狀融區多年凍土溫度較高，十分脆弱，受到水、熱等人為干擾下，凍土逐年融化、變形，在公路使用期內處于不穩定狀態。這就要求構造物具有適應大變形、大位移的結構型式，較箱涵、蓋板涵、波紋鋼管涵和混凝土圓管涵等涵洞結構，波紋鋼管涵洞具有明顯的優勢。

2 波紋鋼管涵洞有限元分析

2.1 有限元模型建立

取直徑1.5 m，壁厚0.5 mm，的波紋鋼管涵建立ANASYS有限元幾何模型，波紋鋼管采用三維板殼模型，土體采用三維塊體模型，土體彈性模量為1.8×107波紋鋼管彈性模量為2.1×1011，波紋鋼管上覆土體厚度為2.0 m，荷載采用18 t壓路機作為施加的豎向荷載。由于我們的研究對象為波紋管涵，土基只是作為施加荷載傳遞表面荷載的介質，本報告不討論土基中的力學特征。

2.2 波紋管涵變形分析

波紋管涵整體變形的仿真結果。土中虛線是變形前狀態，實線是指變形后的狀態。計算結果表明波紋管涵位移變形的最大值分別為 Ux=0.53 mm，Uy=-3.68 mm，Uz=-1.46 mm。

2.3 波紋管涵應力分析

波紋管涵表面等效應力的梯度。計算結果表明σvon∈［0.8 MPa，92.5 MPa］，均小于鋼材 Q235 的屈服強度235 MPa，可見波紋管涵在路基土的承載作用下的結構強度是安全的。波紋管涵表面拉壓應力交替出現，分布較為合理，無明顯的應力集中現象。

3 波紋鋼管涵洞工程應用及地基人為上限特點

為驗證波紋鋼管涵洞的工程應用效果，本研究先后對青藏高原凍土區和東北高緯度凍土區波紋鋼管涵洞地基進行了地基上限變化觀測和應用效果觀測。觀測結果表明：(1)采用波紋管涵洞能夠明顯提升地基凍土人為上限。(2)波紋管涵洞涵身沉降變形較小，涵身整體處于完好狀態。(3)混凝土圓管涵地基凍土人為上限明顯較波紋管涵洞高，涵洞進出口沉降變形較大，涵身管節間出現錯臺、開裂、滲水等損壞。

4 結論

波紋鋼管涵洞采用無基礎安裝，不改變原有凍土上覆層和水流特征，使得地基凍土受到人為干擾程度大大降低，因此人為上限變化緩慢，地基沉降變形量較混凝土圓管涵小，相對穩定。地基發生沉降變形后，波紋鋼管涵洞涵身有微小的豎向變形，涵身下凹出有積水現象，但管節接縫密封良好，尚未出現滲水。混凝土圓管涵涵洞沉降變形較大，涵身管節間出現開裂滲水問題，有的錯臺已經超過100 mm以上，不可修復，但當波紋鋼管涵洞出現上述情況時，可通過拆除、調整和更換修復大變形引起的局部損壞。綜上分析，波紋鋼管涵洞在高溫不穩定凍土地區具有地基相對穩定、適應大變形、宜維修養護、節約養護工程費用等優點，值得廣泛推廣應用。

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［1］慕萬奎等.多年凍土地區橋涵工程技術研究總報告［J］.2007，(12).

［2］慕萬奎.The Analysis of the Stress and Strain State on the Pile in Permafrost［J］.第八屆國際凍土工程會議，2009，(10).

［3］慕萬奎.熱棒技術在伊春島狀凍土路基上的應用［J］.黑龍江交通科技，2006，(11).

［4］章金釗.高原多年凍土地區橋涵設計與施工研究［J］.中國鐵道科學，2001，22(4)。