玉树钢结构(大孔径钢波纹管通道分层土压力及效益分析)
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玉树钢结构(大孔径钢波纹管通道分层土压力及效益分析)
魏赣英 刘大明 王勋 梁养辉 胡滨
广东省南粤交通云湛高速公路管理中心 中交第一公路勘察设计研究院有限公司
摘 要：通过野外现场试验,分析了大孔径钢波纹管通道外侧土压力的大小及变化规律,同时对钢波纹管通道经济、社会效益进行了分析,为今后大孔径钢波纹管通道施工提供参考资料。通过研究取得以下结论:随着填土高度的增加,管周外侧及管外路基土压力均逐渐增大。应对管周90°、120°位置重点观测,防止由于土压力的突然增大或减小引起管道的整体变形或局部受力过大引起垮塌。相比于钢筋混凝土结构,钢波纹管通道节省了造价,缩短了施工工期,减少了水泥、块石等的用量,有利于环保。
关键词：大孔径;钢波纹管通道;土压力;效益分析;
1 概述
随着公路建设的发展,公路改建等级的提高,高速公路的延伸,遇到的特殊地质环境越来越多。对公路桥涵来说,涵洞的不均匀沉降是其破坏的主要形式之一。从材料、结构和功能的本质关系上分析,采用柔性、高强度的钢波纹管涵洞,不仅具有适应地基与基础变形的能力,而且可以解决因地基基础不均匀沉降导致的涵洞破坏问题。
在汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段修建常规的钢筋混凝土结构涵洞、通道时经常遇到多雨等气候环境直接影响工程质量和施工进度。钢波纹管涵是采用波纹状管或由波纹状弧形板通过连接、拼装形成的一种桥涵形式。采用钢波纹管涵、通道,不仅可以解决多雨等气候环境影响工程质量和施工进度的技术难题,而且可以适应地基变形,减少不均匀沉降带来的破坏。考虑地基处理、基础工程等费用,钢波纹管涵的造价将接近或比钢筋混凝土结构更节省,并且具有施工速度快,不需要养生,不受气温影响的优势,从这些优点分析汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段钢波纹结构应用的需求极为迫切。
本文以汕(头)湛(江)高速公路云浮至湛江段及支线工程第TJ12标K143+083处直径10m钢波纹管通道为依托。钢波纹管的波形参数为波长400mm,波高150mm,壁厚分为两部分:路基中部(管顶填土>6m)区域厚度为10 mm,边坡至管口端壁厚度为8 mm。钢波纹管管材采用Q345钢板热轧加工成型,表面为热浸镀锌,镀锌量不小于600g/m2,平均厚度不小于84um。内外再增加热熔塑防腐提高钢波纹管寿命。钢波纹管采用分块波纹板搭接而成,波纹板采用M24高强螺栓紧固,密封垫密封。地基处理采用砂砾回填,采用压路机械对基底进行分层压实处理。
2 试验方案
管周径向压力盒布设方法为紧贴管壁,压力盒与管壁之间约有6cm土层,每个压力盒布置在管切线方向上,共布设9个土压力盒。压力盒在不同填土高度下测试工况见表1。
图1 管周压力盒布置图 下载原图
表1 压力盒测试工况 导出到EXCEL
| 填土高度,m | |
| 管顶+0.4 | 填土土质:管顶以上素土;测试为填土压实后。 |
| 管顶+1.3 | |
| 管顶+1.6 | |
| 管顶+2.2 | |
| 管顶+2.8 | |
| 管顶+3.2 | |
3 施工过程中通道土压力测试结果分析
根据现场试验数据,将管周外侧不同角度随填土高度增加土压力测试结果整理如图2所示。从图中可以看出。
(1)随着填土高度从管顶+0.4m填筑至路基顶,管周外侧土压力逐渐增加。
(2)随着填土高度的变化,土压力的大小值存在变化的可能,即存在外部压力因填土高度差异压力重新分布,但在填土高于管顶2.2～3.2m之间,其大小次序基本不变,仅数值上存在差异。
(3)填土至路基顶过程中,管周各角度土压力整体上分为2个阶段,填土管顶+0.4m至管顶+1.6m, 管周各角度土压力与路基填土高度的增长斜率较小;填土管顶+2.2m至管顶+3.2m,土压力与路基填土高度的增长斜率突然增大。这说明填土后期,管壁与土体完全密实,共同承受上部力的作用。
(4)整体上管周120°压力值最大,管顶0°压力值最小。随着填土高度的增加,管周各角度土压力存在重新分布的现象。
(5)施工填土至管顶+ 2m左右时,应对钢波纹管涵重点观测,防止由于土压力的突然增大引起管涵的整体变形或局部受力过大引起垮塌。
图2 管周外侧土压力随填土高度测试结果 下载原图
图3 管周外侧土压力随角度变化测试结果 下载原图
将上述图形绘制成按角度变化的趋势,如图3,从中更能直接看出:
(1)随着角度的变化,一般存在着30°的土压力大于0°,45°处有升有降, 60°→120°先减小后迅速增大,在120°处出现峰值之后迅速减小,180°继续略微减小。
(2)各个工况的变化趋势基本一致,但在225°时土压力变化剧烈,存在力的集中现象。
4 钢波纹管结构应用情况及效益分析
4.1应用情况
钢筋混凝土结构的桥涵造价高、施工期长、需使用大量的砂石材料而开采破坏自然环境、环境污染严重、不利于冬季施工,养护维修工作量大成本高,严重影响公路桥涵建设与运营效益。因此,如何改善钢筋混凝土桥涵诸多不利因素,以成为该行业健康发展的当务之急。
钢波纹管作为一种典型的空间结构具有钢结构所特有的良好的延性,抗拉、抗压、抗剪强度较高,构件结构断面小、自重轻,施工速度快,可提供大跨度结构等优良的工程特性。在道路涵洞(通道)结构及各种基础设施方面的应用已有近百年的历史。钢波纹管结构目前已广泛应用于公路、铁路工程中的涵洞、通道、中小桥梁、旧桥涵加固;城市道路下水管、雨水管、污水管等;抢险救灾以及地下掩体、粮仓、大型地下储水罐等方面。
相对于钢筋混凝土结构的桥涵结构而言,目前国内外已建的钢波纹管桥涵结构充分表明,钢波纹板结构在强度、稳定性、经济性、抗破坏性、耐腐蚀性、适用环境广,以及施工工艺简单、施工周期短、造价较低、集约标准化生产质量可控、易于维护、施工质量易控制、低碳环保等方面具有显著优势和市场需求的推广应用前景。通过本项目的实施,建立系统、完善的钢波纹管(板)地下综合管廊的设计、施工规范体系、验收标准等,解决设计、施工等技术难题。因此本项目的研究,对钢波纹管涵洞(通道)工程的技术指导,有效提高公路涵洞(通道)的建设速度、降低工程造价等,对促进推广应用具有重要作用。
我国是世界第一钢铁大国,钢铁产量多年来一直在世界上高居榜首,钢铁产能严重过剩。同时,我国又是一个自然资源相对紧缺的国家。因此,节约资源、加强资源的综合应用,已经成为迫切需要加以解决的问题。通过钢质波纹管材料在公路涵洞(通道)工程的应用,可以为我国钢材产能过剩的问题提供一种新的解决途径。另外,作为一种战略储备,作为一种低碳环保的新型技术,钢波纹管在公路涵洞(通道)方面的应用具有重大的战略意义。
4.2效益分析
(1)经济效益
相比于钢筋混凝土结构,钢波纹管结构的建设工期可以大幅度缩短,不仅加快了建设步伐,还充分体现了建设工期缩短使相对运营时间增加的经济效益。
考虑地基处理、基础工程等费用,钢波纹管涵洞的造价比钢筋混凝土结构更节省;相比于钢筋混凝土结构,钢波纹管结构可节省造价5%～30%,工期节省20～60天。
(2)社会效益
钢波纹管涵洞施工速度快,不需要养生,不受气温影响的优势,可以解决多雨等气候环境影响工程质量和施工进度的技术难题;由于其钢结构的特点,只需定期涂刷防腐沥青进行维修处理,并且其钢材可回收利用,符合“生产节约型、环境友好型”社会理念;钢波纹管涵洞一方面节约了大量的石材、水泥,有利于环保,另一方面建设工期可以大幅缩短,不仅加快了建设步伐,充分体现了建设工期缩短即相对运营时间增加的经济效应,特别是在局部地区如寒冷地区一年中施工期仅5～6个月,这样应用钢波纹板桥涵更具有明显的优势,国道214二期共应用4处钢波纹管涵洞,平均每处节省工期1～3个月。同时在青海玉树抢险救灾、地震抗洪中应用钢波纹板桥涵更能体现其明显的社会效益。
(3)环境效益
钢波纹管涵洞施工只需对基础和进出口进行处理,减少了水泥、块石、片石或碎石、砂等的用量,对环境的破坏小,适用于生态环境脆弱的地区,有利于环保。 涵洞结构原材料为钢材,保护环境,符合“安全耐久、资源节约、低碳生活、人文和谐”的设计理念。
5 结论
(1)大孔径钢波纹管通道管周外侧各测点的土压力随着填土高度的增加而增加。填土初期,土压力的大小值存在变化的可能,但在填土后期,其大小次序基本不变,仅数值上存在差异。
(2)施工过程中,当填土高度一致时,钢波纹管涵管周120°土压力值最大,管顶0°土压力值最小。管周120°压力值明显大于其他角度,其虽然受到局部应力引起土压力值增大,但管涵整体仍然安全稳定。
(3) 钢波纹管通道具有造价低、施工工期短、利于环保、利于解决钢材产能过剩等特点,特别适合在公路工程中大量推广应用,其具有显著的经济和社会效益。
(4)目前,国内对大孔径钢波纹管通道在公路工程中应用研究还较少,关于大孔径钢波纹管通道施工过程中管外土压力变化规律研究更少,本试验对同类钢波纹管通道设计、施工有一定参考意义。
参考文献
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