大孔徑鋼波紋管涵洞分層土壓力及效益分析

張紅宇 胡濱 梁養輝 李祝龍

摘要：通過對大孔徑鋼波紋管涵洞進行野外現場試驗，分析了鋼波紋管涵洞管外土壓力的大小及變化規律，得出：填筑至管頂過程中鋼波紋管由于受兩側碎石擠壓，管頂周圍受力變形最大；填筑至路基頂過程中管底和管頂土壓力均隨著填土高度增加而增加，且距路中越遠值越小。為今后大孔徑鋼波紋管涵洞施工及預拱度設置提供一定的參考。

關鍵詞：大孔徑；鋼波紋管；土壓力；效益分析

中圖分類號：U449.83 文獻標志碼：B

Abstract： According to the field test on culvert with large aperture steel corrugated pipe， the earth pressure surrounding the pipe and its change rule were analyzed， and the following conclusion was drawn： due to the squeezing of gravel from both sides， the top of corrugated pipe suffers the biggest deformation in the process of filling； earth pressure on both ends of the pipe increases along with the fill height when filling up to the top of subgrade， the smaller the farther away from road center， which provides reference for the construction of culverts with large aperture steel corrugated pipe.

Key words： large aperture； steel corrugated pipe； earth pressure； benefit analysis

0 引 言

波紋管涵是波紋狀管或波紋狀板通過連接、拼裝成的一種涵洞形式。波紋管或波紋狀板由鋼、鋁或塑料等材料制成，目前在公路工程中主要用于鋼波紋管涵洞。相對于普通鋼筋混凝土涵洞，鋼波紋管涵洞易于施工，特別是在多雨季節；且應用效果良好，幾乎不會出現結構變形等普通鋼筋混凝土涵洞存在的問題[1-4]。

本文以萬宜高速公路A5標樁號CKO+243的鋼波紋管涵洞現場試驗為依托。鋼波紋管波長150 mm，波高50 mm，壁厚7.0 mm，采用Q235A熱軋鋼板制成，表面防腐采用熱浸鍍鋅，且現場安裝前內外涂刷防腐瀝青。填土從管底至路基頂部，高度為12.04 m。

1 鋼波紋管涵洞試驗方案

在管頂和管底（離管6 cm）以3 m等距離均勻布置土壓力盒，管頂和管底的壓力盒位置上下對應，如圖1所示，編號為①～B12。根據不同填土高度壓實穩定后，分層測試管頂和管底的土壓力[5-7]。

2 土壓力測試結果及分析

2.1 管底土壓力隨填土高度的變化規律

隨著填土高度的增加，管底土壓力變化規律如圖2所示，從圖2可以看出。

（1） 從管底+0.44 m填筑至管底+12.04 m，各測點土壓力逐漸上升。

（2） 從管底+0.44 m填筑至管底+4.73 m（即管直徑范圍內）時，距路中6 m位置的土壓力與填土高度的增長斜率大于其他位置。

（3） 從管底+0.44 m填筑至管底+4.73 m（即管直徑范圍內）時，路中及距路中3、9、12 m位置的土壓力大小有所交替；填土從管底+518 m至管底+1204 m時，除距路中6 m外，土壓力從大到小的順序為：路中、距路中3 m、距路中9 m、距路中12 m。離路中越遠，管底土壓力越小。

（4） 當填土至管底+1.655 m時，部分測點的土壓力值略微下降，這可能是由于施工時壓實不夠引起的。另外，距路中15 m位置處壓力盒失效，未能測出壓力值。

2.2 管頂土壓力隨填土高度的變化規律

管頂土壓力隨著填土高度增加的變化規律如圖3所示，從圖3可以看出。

（1） 隨著填土高度從管頂+0.18 m填筑至管頂+7.04 m，各測點的土壓力逐漸上升。

（2） 填土高度從管頂+0.18 m填筑至管頂+153 m時，各測點的土壓力值較小，數值接近；從管頂+253 m填筑至管頂+704 m時，各位置的土壓力值從大到小的順序為：路中、距路中3 m、距路中6 m、距路中9 m、距路中12 m、距路中15 m。離路中越遠，管頂的土壓力值越小。

2.3 管底與管頂土壓力對比分析

同一填土高度下，管底與管頂的土壓力對比分析如圖4所示，對應工況為從管頂+018 m填土至管頂+704 m，從圖4可以看出。

（1） 隨著填土高度從管頂+018 m至管頂+704 m，各測點的土壓力逐漸上升。

（2） 管頂的土壓力值大于管底的土壓力值，且填土越高差值越大。

3 經濟效益分析

3.1 直接經濟效益

江西萬宜高速應用波紋管涵洞與同一標段相似尺寸的鋼筋混凝土蓋板涵造價進行比較，結果見表1。

從表1可看出：A1標段的1-Φ4涵長163 m的鋼波紋管比4 m×4 m的鋼筋混凝土蓋板涵節省35.86萬元，減少造價11.5%；A2標段的1-Φ3涵長138 m的鋼波紋管比3 m×3 m的鋼筋混凝土蓋板涵節省3036萬元，減少造價202%；A2標段的1-Φ4涵長123 m的鋼波紋管比4 m×45 m的鋼筋混凝土蓋板涵節省4059萬元，減少造價182%；A5標段中1-Φ4涵長985 m的鋼波紋管比4 m×4 m的鋼筋混凝土蓋板涵節省2167萬元，減少造價115%；A5標段的1-Φ5涵長1755 m的鋼波紋管比6 m×5 m的鋼筋混凝土蓋板涵節省5441萬元，減少造價114%。3個標段共節省18289萬元，共減少造價135%。施工工期內每一處可縮短30～50 d，5處共可縮短150～250 d。endprint

3.2 間接經濟效益

鋼波紋管涵采用鋼板熱浸鍍鋅，使用壽命可達到50年以上；在腐蝕性大的環境下采用內外表面瀝青吸附層的鋼波紋管，可在涵洞原使用壽命基礎上提高約20年以上[8-10]。

以安全使用期為50年計算，每10年進行一次重新鋪裝。

（1） 跨徑3 m×3 m鋼筋混凝土蓋板涵重新鋪裝一次費用約2萬元；使用期內換面板費用約6萬元；維修費用為16萬元。直徑3 m鋼波紋管涵洞使用期內需噴涂2次，每次按1萬元計，共需維修費用2萬。能夠節省維修費12萬元。

（2） 跨徑4 m×3 m、4 m×4.5 m鋼筋混凝土蓋板涵重新鋪裝，統一按一次費用約2.3萬元計算；使用期內換面板費用約8萬元；維修費用為195萬元。直徑4 m鋼波紋管涵洞使用期內需噴涂2次，每次按2萬元計，共需維修費用4萬。節省維修費155萬元。

（3） 跨徑6 m×5 m鋼筋混凝土蓋板涵重新鋪裝一次費用約2.6萬元；使用期內換面板費用約11萬元；維修費用為24萬元。直徑5 m鋼波紋管涵洞使用期內需噴涂2次，每次按3萬元計，共需維修費用6萬。能夠節省維修費18萬元。

因此，5處鋼波紋管涵洞在使用期內維修費用共節省約76.5萬元。按照正常施工，工期可縮短150～250 d。如考慮到混凝土施工及后期拆除對環境造成的破壞，則經濟效益會更大。因此大孔徑鋼波紋管具有巨大的應用價值和廣闊的應用前景。

4 結 語

（1） 當管周填土0～5 m時，鋼波紋管由于受兩側碎石擠壓，管頂周圍受力變形最大。

（2） 當管頂填土0～7.04 m（路基頂）時，波峰以拉應力為主，波谷拉、壓應力平衡，波側以壓應力為主，且波峰、波谷、波側都在210°出現應力集中。

（3） 隨著填土高度的增加，管頂、管底的土壓力值從大到小為：路中、距路中3 m、距路中6 m、距路中9 m、距路中12 m以及大于15 m。即離路中越遠，管底和管頂的土壓力值越小。

（4） 同一填土高度下，實測管頂土壓力值大于管底土壓力值，且填土越高差值越大。直徑大于3 m的鋼波紋管涵洞比同尺寸的混凝土蓋板涵造價要降低約10%～20%，工期可縮短30～50 d。

參考文獻：

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[4] 孫伯文，李祝龍，劉洪林.大孔徑鋼波紋涵洞在河北公路中的應用研究[J].山西建筑，2010（8）：263-264.

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[責任編輯：杜敏浩]endprint