波纹钢管涵洞在不稳定岛状冻土地区的应用

邱达志

(东北林业大学)

1 前言

波纹管涵与混凝土涵在结构上有着根本不同的特性，在美国、加拿大等分布有多年冻土的国家，波纹管涵已被广泛应用于公路工程。孔径从0.6～1.8 m：分椭圆形和圆形二种断面，管壁厚4～8 mm;涵顶填土1.2～1.8 m，可通行50 t载重汽车。在我国也曾应用过波纹管涵，如20世纪50年代修建青藏公路时曾将波纹管涵应用于抢修工程，开挖出时发现其使用状况良好。但由于经济技术等原因，未能广泛使用。上世纪末，由于项目研究需要对青藏高原多年冻土区以及东北岛状多年冻土区开展桥涵工程使用情况基本调查。调查结果显示，多年冻土区公路涵洞使用完好率仅占被调查的约30%，涵洞损坏的主要表现为洞口铺砌、八字墙、洞口、墙身等变形而丧失使用功能。这些涵洞破坏的主要原因是基底冻土融化，降低了地基承载力，影响地基的稳定性。

岛状融区多年冻土温度较高，十分脆弱，受到水、热等人为干扰下，冻土逐年融化、变形，在公路使用期内处于不稳定状态。这就要求构造物具有适应大变形、大位移的结构型式，较箱涵、盖板涵、波纹钢管涵和混凝土圆管涵等涵洞结构，波纹钢管涵洞具有明显的优势。

2 波纹钢管涵洞有限元分析

2.1 有限元模型建立

取直径1.5 m，壁厚0.5 mm，的波纹钢管涵建立ANASYS有限元几何模型，波纹钢管采用三维板壳模型，土体采用三维块体模型，土体弹性模量为1.8×107波纹钢管弹性模量为2.1×1011，波纹钢管上覆土体厚度为2.0 m，荷载采用18 t压路机作为施加的竖向荷载。由于我们的研究对象为波纹管涵，土基只是作为施加荷载传递表面荷载的介质，本报告不讨论土基中的力学特征。

2.2 波纹管涵变形分析

波纹管涵整体变形的仿真结果。土中虚线是变形前状态，实线是指变形后的状态。计算结果表明波纹管涵位移变形的最大值分别为 Ux=0.53 mm，Uy=-3.68 mm，Uz=-1.46 mm。

2.3 波纹管涵应力分析

波纹管涵表面等效应力的梯度。计算结果表明σvon∈［0.8 MPa，92.5 MPa］，均小于钢材 Q235 的屈服强度235 MPa，可见波纹管涵在路基土的承载作用下的结构强度是安全的。波纹管涵表面拉压应力交替出现，分布较为合理，无明显的应力集中现象。

3 波纹钢管涵洞工程应用及地基人为上限特点

为验证波纹钢管涵洞的工程应用效果，本研究先后对青藏高原冻土区和东北高纬度冻土区波纹钢管涵洞地基进行了地基上限变化观测和应用效果观测。观测结果表明：(1)采用波纹管涵洞能够明显提升地基冻土人为上限。(2)波纹管涵洞涵身沉降变形较小，涵身整体处于完好状态。(3)混凝土圆管涵地基冻土人为上限明显较波纹管涵洞高，涵洞进出口沉降变形较大，涵身管节间出现错台、开裂、渗水等损坏。

4 结论

波纹钢管涵洞采用无基础安装，不改变原有冻土上覆层和水流特征，使得地基冻土受到人为干扰程度大大降低，因此人为上限变化缓慢，地基沉降变形量较混凝土圆管涵小，相对稳定。地基发生沉降变形后，波纹钢管涵洞涵身有微小的竖向变形，涵身下凹出有积水现象，但管节接缝密封良好，尚未出现渗水。混凝土圆管涵涵洞沉降变形较大，涵身管节间出现开裂渗水问题，有的错台已经超过100 mm以上，不可修复，但当波纹钢管涵洞出现上述情况时，可通过拆除、调整和更换修复大变形引起的局部损坏。综上分析，波纹钢管涵洞在高温不稳定冻土地区具有地基相对稳定、适应大变形、宜维修养护、节约养护工程费用等优点，值得广泛推广应用。

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［1］慕万奎等.多年冻土地区桥涵工程技术研究总报告［J］.2007，(12).

［2］慕万奎.The Analysis of the Stress and Strain State on the Pile in Permafrost［J］.第八届国际冻土工程会议，2009，(10).

［3］慕万奎.热棒技术在伊春岛状冻土路基上的应用［J］.黑龙江交通科技，2006，(11).

［4］章金钊.高原多年冻土地区桥涵设计与施工研究［J］.中国铁道科学，2001，22(4)。