山區(qū)公路鋼波紋管涵抗滑移設(shè)計(jì)研究

尹惠　種鵬云

摘 要：山區(qū)公路存在地形起伏較大、地質(zhì)情況復(fù)雜、施工工期緊等問題，而鋼波紋管涵因其結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)越性，能良好地適用于山嶺重丘區(qū)，但在設(shè)計(jì)時(shí)往往存在涵底縱坡較大的問題，本文從鋼波紋管涵的受力分析入手，根據(jù)工程實(shí)例，提出了以防滑墩的形式解決問題的方法，為山區(qū)公路鋼波紋管涵的推廣應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路 鋼波紋管涵 抗滑移 設(shè)計(jì)研究

中圖分類號(hào)：U449 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（b）-0049-03

鋼波紋管涵具有對地基承載力要求低、施工方便快捷、經(jīng)濟(jì)性好、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來在公路橋涵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。但在山區(qū)，往往存在地勢陡峭、地形復(fù)雜的特點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生涵洞涵底縱坡較大的問題，但目前關(guān)于這一問題的研究較少。

鋼波紋管涵在國外的公路、鐵路和房屋建工程中早已被方泛采用，美國、加拿大等國家從20世紀(jì)80、90年代開始制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。中國于20世紀(jì)90年代才逐步開展鋼波紋管的研究、生產(chǎn)及應(yīng)用，目前在中國東北、華北、西北及華東地區(qū)公路工程中已開始大規(guī)模應(yīng)用。

1 鋼波紋管涵受力計(jì)算

1.1 鋼波紋管力學(xué)性能

鋼波紋管的力學(xué)性能是由鋼波紋管的材料決定的，本文采用Q235A熱軋鋼板制作，鋼板屈服強(qiáng)度不應(yīng)小于235MPa，抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于375MPa。鋼波紋管是一種柔性結(jié)構(gòu)，它建成后與周圍土體形成一種組合結(jié)構(gòu)，共同受力。當(dāng)波紋管的柔度達(dá)到一定的數(shù)值后，穩(wěn)定問題成為起控制性的因素。可以采用如ANSYS等大型通用有限元程序建立數(shù)值模型進(jìn)行分析[1]。

1.2 鋼波紋管涵受力分析

一般來說，斜坡上的涵洞涵底縱坡不宜大于5%，圓管涵的縱坡不宜大于3%[2]?；谝陨弦?guī)定設(shè)計(jì)的鋼波紋管涵投入使用后，會(huì)受到兩種垂直壓力及一種水平力，垂直壓力分別為填土對鋼波紋管涵的垂直壓力，以及車輛荷載對鋼波紋管涵的垂直壓力；水平力一般由車輛荷載引起，可忽略不計(jì)[3]。

即涵洞受力為：

F=F1+F2 （1）

式中：F為垂直壓力；

F1為土壓力；

F2為車輛荷載壓力。

但在山區(qū)，很多沖溝或涵洞布設(shè)位置斷面橫坡遠(yuǎn)大于5%。這就導(dǎo)致涵洞“下滑力”——F'隨著坡度的增加而增大，當(dāng)坡度增加到一定值時(shí)，F(xiàn)'大于涵體本身重力G與垂直壓力F所形成的摩擦力，涵洞就會(huì)向下滑移。所以一般規(guī)定：當(dāng)涵底縱坡大于5%時(shí)，涵底宜采用齒狀基礎(chǔ)，或者出口設(shè)置為扶壁式。當(dāng)涵底縱坡大于10%時(shí)，洞身及基礎(chǔ)應(yīng)分段做成階梯形[2]。但鋼波紋管涵由于其結(jié)構(gòu)形式及材料的特殊性，涵底不能采用齒裝基礎(chǔ)，那么，如何解決山區(qū)涵底大縱坡情況下的涵洞防滑問題呢？

涵洞下滑受力分析：

所以，根據(jù)以上公式就可以算出鋼波紋管涵在不同管徑、波形及不同地質(zhì)情況下產(chǎn)生滑移的臨界坡度i0 。

2 鋼波紋管涵防滑移方案設(shè)計(jì)

2.1 減小涵底縱坡i

計(jì)算出鋼波紋管涵產(chǎn)生滑移的臨界縱坡后，如果根據(jù)實(shí)際地形設(shè)計(jì)的涵底縱坡大于，可以通過調(diào)整使之小于即可，但這樣會(huì)造成鋼波紋管涵埋深增加、涵長增加及進(jìn)出水口填挖方增加，進(jìn)而造成鋼波紋管涵施工及后期維護(hù)成本增加較多。

2.2 采用防滑墩措施

根據(jù)地下埋置式管道固定墩的方式，并結(jié)合鋼波紋管涵的特點(diǎn)，在涵洞有滑移趨勢的情況下設(shè)置防滑墩以平衡“下滑力”。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

小跨徑波紋管為圓形整體管，采用整管節(jié)拼裝、法蘭螺栓連接；大跨徑波紋管為分片拼裝。但無論跨徑多大，其外形構(gòu)造均為“波形”，可利用其凹曲線位置作為“卡槽”，輔以環(huán)形設(shè)施將涵身安裝在固定墩上，這樣就能夠有效防止涵洞滑移，如圖1所示。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)理念，防滑墩形式如圖2所示。

如圖2所示，以混凝土墩為固定措施，再以地腳螺栓和φ20鋼筋將涵身固定在混凝土墩上，防滑墩墻體長度為鋼波紋管直徑D+2×0.5m，墻體寬度為1.5m，鋼筋每隔200mm設(shè)置一道。防滑墩的數(shù)量根據(jù)實(shí)際坡度 的值確定，間距一般為沿鋼波紋管涵縱向30～50m設(shè)置一道。

3 實(shí)例應(yīng)用

云南省建水（個(gè)舊）至原元陽高速公路項(xiàng)目地處山嶺地區(qū)，大部分涵洞所處位置為高填方路段，涵長較長，根據(jù)測量及地勘資料，地形自然坡度大，陡坡涵洞較多，且山區(qū)天然水系復(fù)雜，應(yīng)避免大體積開挖山體或地基處理，涵洞布設(shè)宜明挖天然淺基。且項(xiàng)目所在地地震動(dòng)峰值加速度值為0.30g，根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02-2013）規(guī)定中對涵洞的相關(guān)規(guī)定：設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度大于或等于0.20g地區(qū)的高速公路和一級(jí)、二級(jí)公路上的涵洞，應(yīng)選用外形封閉的圓管涵或箱涵。而本項(xiàng)大跨徑涵洞較多，且涵長較長，同時(shí)存在工期緊的問題，經(jīng)過對鋼筋混凝土圓管涵、鋼波紋管涵和箱涵設(shè)計(jì)、施工方案比選，本項(xiàng)目推薦采用鋼波紋管涵（見表1）。

確定采用鋼波紋管涵后，根據(jù)每道涵洞的地勘資料及填土高度、涵洞直徑及涵長等參數(shù)確定鋼波紋管涵產(chǎn)生滑移的臨界縱坡。

以其中一道涵洞為例：涵洞直徑為2m，根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算出當(dāng)涵底縱坡大于5%時(shí)需設(shè)置防滑墩。由于涵洞所處沖溝原地面線較陡，且涵洞位于高填路基路段，分別分析涵洞降低涵底縱坡和增加防滑墩兩種情況。

（1）降低涵底縱坡至3%。

降低涵底縱坡為3%，鋼波紋管設(shè)計(jì)涵長為82m，涵頂填土高度16.5m，填方240.85m3，挖方4117m3，如圖3所示。

（2）增加防滑墩。

增加防滑墩，涵底縱坡根據(jù)實(shí)際地形為15%，鋼波紋管設(shè)計(jì)涵長為71.8m，涵頂填土高度13m，填方208.54m3，挖方428.47m3，防滑墩2個(gè)，如圖4所示。

通過對工程實(shí)例的分析，可以得出：當(dāng)?shù)孛婵v坡較大時(shí)，適當(dāng)增加涵洞涵底縱坡，增加防滑墩措施，能夠縮短涵長、降低填土高度及涵洞施工的填挖工程量，進(jìn)而能夠有效降低涵洞工程造價(jià)（見表2）。

4 結(jié)語

本文研究了山嶺重丘區(qū)鋼波紋管涵設(shè)計(jì)施工過程中面臨地面縱坡較大的問題時(shí)，鋼波紋管涵的受力分析，提出了以“防滑墩”的形式解決涵底縱坡較大的問題，并根據(jù)工程實(shí)例分析了降低涵底縱坡及增加防滑措施兩種方案的各項(xiàng)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣雪梅，雷俊卿，王全錄，等.波紋鋼管涵洞的力學(xué)機(jī)理分析與試驗(yàn)研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006，30（11）：289-293.

[2] JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[3] 李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2007.