地基不均匀沉降条件对大直径钢波纹管涵受力特征分析

2022-07-07王晓明周永兴

工程与建设 2022年3期

杨光，王晓明，周永兴

(中交隧道局华中工程有限公司，湖北武汉 430021)

0 引言

近些年，钢波纹管涵作为一种新型涵管结构，广泛应用于高速公路、城市道路、污水管等工程中。鉴于南方山区高速公路软弱地基较多导致地基承载力不均匀等特点，结合大直径钢波纹管涵在不均匀沉降地基中的应用实例，利用有限元软件对波纹管涵洞在不均匀沉降地基施工中的力学性能进行模拟分析，根据其受力特性，结合实际现场地形，确定合理的钢波纹管涵洞施工工艺。

1 工程概况

钢波纹管涵管片采用Q235A热轧钢板制成，涵长为50 m，直径为5 m，涵顶填土高度为5.4 m。管涵处于山谷中，主要用于山区雨季排水。该段为半填半挖路基，其中右幅基底为强风化片麻岩，左侧为水田，地质变化较大。管涵洞身断面如图1所示。

2 地基不均匀沉降条件对钢波纹管涵受力特性分析

2.1 台背回填过程中波纹管受力特性分析

为了准确分析波纹管和地层的受力特性以及应变响应，这里采用有限元软件ANSYS进行建模计算。地层模型如图2所示。

图2 地层模型

模型中采用壳单元来表征波纹管管片，由于波纹管片单元与地层单元尺寸差别较大，因此这里选用Shell 181这类壳单元。波纹间距根据工程实际选择200 mm，壁厚选择5 mm。为了探究波纹中心高度对波纹管受力特性的影响，这里分别采用了40、50和60 mm三种不同的波纹中心高度，波纹管管径大直径波纹管要求取为6 m。为了简化计算，在波纹管纵向上模型仅取1 m的计算长度，波纹管有限元模型如图3所示，波纹样图如图4所示。

图3 管片模型

图4 波纹样图

涵洞外围地层土体采用六面体8节点三维实体单元(Solid 45)模拟。为了保证波纹管与地层的连接，模型中波纹管与地层具有公共的接触面，但二者并未有公共的关键点，因此二者的变形相互独立，与工程实践相符。钢波纹管单元及地层单元材料参数见表1。

表1 模型1计算参数

根据圣维南原理，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布，因此模型可以选取一定范围的土体进行建模计算。模型中波纹管轴向计算长度取为1 m，波纹管两侧及底面土体计算宽度各取1倍管径，波纹管顶面地层高度按照实际分别取为2 m、3 m、4 m、5 m和6 m。在本项目的钢波纹管涵工程，波纹管顶面地层高度一般不超过6 m，因此模型计算不考虑6 m及以上的情况。模型竖向应力分布特征如图5所示，水平方向应力分布特征如图6所示。

图5 模型竖向应力分布

图6 模型水平方向应力分布

从图5、图6中可以看出，地层的水平应力分布沿管轴向呈较好的对称分布，在涵洞顶部水平应力为拉应力，且沿着涵洞两侧逐渐减小，相应的压应力逐渐增加，涵洞的最大水平压应力出现在洞室两侧，这一分布规律也与弹性力学解析解相符。

钢波纹管的竖向应力分布特征如图7所示，水平应力分布特征如图8所示。

图7 波纹管竖向应力分布

图8 波纹管水平应力分布

从图7、图8中可以看出，钢波纹管的竖向压应力在钢波纹管的两侧最大，相应的在钢波纹管的顶部和底部出现最大竖向拉应力；钢波纹管的水平应力分布较为均匀。

2.2 钢波纹管和圆钢管在相同填土高度受力特性分析

为了分析地基不均匀沉降条件对钢波纹管涵受力特征的影响，同时研究钢波纹管涵对基础的适应能力，这里采用不同类别的基础材料参数，建立了第二套模型，通过有限元软件分析钢波纹管在不同基础条件下的受力特征，同时分别采用钢波纹管和圆钢管建立有限元模型以分析钢波纹管在基础不均匀沉降条件下的优越性。

第二套模型中所建的地层模型也是如图2所示，第二套模型中采用的圆钢管模型如图9所示。与第一套模型中一样，第二套模型中也是取纵向长度1 m为计算长度，且边界条件与第一套模型完全相同。结合工程实际，第二套模型中采用波纹管直径为5 m，波纹管壁厚为6 mm，波纹中心高度为60 mm。

地层的竖向变形如图9所示，管涵竖向变形如图10所示。

图9 地层竖向变形

图10 涵管竖向变形

从图9、图10中可以看出，采用相同尺寸的钢波纹管，地层顶部的竖向最大位移有所减小，地层顶部的沉降变形区范围较小，但采用直径5 m、壁厚6 mm的钢波纹管或圆钢管均能满足模型的变形要求，且二者的计算差别不大。

相同尺寸的钢波纹管和圆钢管在相同填土高度下管涵水平应力分布特征如图11所示。

图11 涵管水平位移

从图11中可以看出，钢波纹管涵模型较之圆钢管涵模型，其涵管的水平应力分布更为均匀，这主要是由于钢波纹管在管涵轴向方向形成波形，能最大限度地调整和分散由于地基变形产生的集中应力。因此，钢波纹管在公路桥涵的工程中具有更大的实际应用价值。

3 不均匀沉降对钢波纹管涵受力特性影响

为了分析地基不均匀沉降条件对钢波纹管涵受力特性的影响，分别采用钢波纹管和圆钢管建立高速公路涵洞模型，模型采用波纹管和圆钢管壁厚均为6 mm，直径均为5 m，波纹管波纹中心高度为60 mm，模型中心填土高度均为6 m，稍大于工程实际中的5.9 m。

波纹管涵和圆钢管涵在相同不均匀地基条件下地层的水平和竖向变形图分别如图12、图13所示。

图12 不均匀地基条件下地层竖向变形

图13 不均匀地基条件下地层水平变形

从图12、图13中可以看出，采用两种管涵，模型地层的水平和竖向变形规律完全相同，均在涵洞顶部出现最大约19.9 mm的竖向位移，且二者的变形完全关于涵管轴线对称，表明钢波纹管能适应一定的土体变形，能适应一定范围内的不均匀沉降基础条件，因此在遇到地基有较大变形时仍能满足使用要求。

不均匀地基条件下地层竖向应力分布特征如图14所示。

图14 不均匀地基条件下地层竖向应力分布

从图14中可以看出，采用钢波纹管的涵洞地层竖向最大拉应力出现在涵洞顶部，为0.53 MPa，竖向最大压应力出现在软弱基础与强风化片麻岩的交界处，为1.37 MPa；相应的，采用圆钢管的涵洞地层竖向最大拉应力同样出现在涵洞顶部，为0.65 MPa，竖向最大压应力出现在软弱基础与强风化片麻岩的交界处，为1.98 MPa。因此，采用钢波纹管能有效减小地层中的最大拉压应力，使地层中的应力分布更为均匀，有利于结构的受力。