高等级公路圆管涵开裂原因及防治措施

摘要:分析了圆管涵受力情况,提出过大的施工荷载、管涵的自身品质是现高等级公路圆管涵屡屡开裂的原因,从而提出防治措施。 关键词:圆管涵;开裂;防治

1圆管涵开裂原因分析

1.1受力原因

圆管涵受到垂直土压力、施工荷载、运营期间的行车荷载、管节自重、侧向约束力的共同作用。管节垂直压力作用大于横向约束力作用,竖向为压缩变形,横向为膨胀变形,从而导致管顶开裂,同时,从对以往高等级公路圆管涵开裂现象的调查也发现,沿涵管方向,洞口附近填土低,碾压少,涵管开裂不严重,路基中部则破裂严重。

钢筋混凝土圆管涵为刚性管节,主要有以下受力特性:(1)、刚性涵管下的基底压力和沉降,一般比邻近路堤下的大;(2)、洞顶填土作用于涵洞上的压力,大于洞顶土柱的压力;(3)、刚性涵洞的变形不影响作用于涵洞上或其基底上的压力。

圆管涵的设计荷载为:汽-超20+结构重力+土重力+土侧压力;验算荷载为:挂-120+结构重力+土重力+土侧压力;施工荷载为:机具重力+结构重力+土重力+土侧压力。

取一算例,土容重:r=18KN/m3,土的内摩擦角:?渍=35°,管节内径D内=1.25m,外径D外=1.49m,管壁厚度0.12m,混凝土容重25KN/m3。如图1,计算得运营阶段管涵内力如表1,施工阶段管涵内力管涵内力如表2(单位:KN·M)。

对比表1和表2,可以发现,《公路桥涵施工技术规范》虽然规定涵洞顶上填土厚度必须大于0.5~1m时,才允许机械通过,但没有对压实机械的荷载做明确规定,没有体现涵洞填筑与一般路基填筑的特殊性,对涵洞填筑高度H≤0.5m时采用什么类型压实机械,填筑高度H>0.5m时是否还有必要限制施工荷载没有明确规定,从而施工荷载内力有可能远大于设计、验算荷载内力,导致涵洞在填筑施工中出现开裂。 1.2 制作原因

目前圆管涵多数为离心法生产,该生产工艺技术难度比较大,容易出现离析,在某圆管涵生产厂家以内外钢筋为界,分内、中、外三层在刚制成的涵管上分别取样,水洗,过0.08mm筛,烘干作筛分,发现: 内层:砂:碎石=1.19:1,砂率54%; 中层:砂:碎石=0.35:1,砂率26%; 外层:砂:碎石=0.03:1,砂率3%;

圆管涵壁集料分层明显,内层为细集料,中层为中集料,外层为粗集料,导致混凝土强度不均,特别是抗剪强度降低。

2 防治措施

2.1 圆管涵管座型式的选取

公路上常用的圆管涵管座形式大致有三种:素土平基管座、弧形土基座、弧形混凝土管座。由于素土平基管座圆管涵反力集中于管底,涵管受力条件很不利,故在高等级公路上一般不予采用。 从理论上来说,弧形土基座和弧形混凝土管座相比,两者弯矩相差不大,但考虑到弧形土基座要求先填筑路基再反开挖成圆弧形,但弧形土基形状很难做到和圆管外壁一致,必然存在一定空隙,从而增大内力。而且采用弧形土基要求在涵两侧距涵洞中心2倍孔径范围内分层对称填筑内摩擦角大的混合土如石灰土、水泥稳定土等,然后对称夯实至95%压实度,故施工难度也较大。

现在高等级公路圆管涵一般采用弧形混凝土管座,它施工简单,质量令人放心,且有利于涵管的安

放,一般采用120度的护管基础,但对照图1可知,管底受负弯矩,120度的护管基础只能防止不均匀沉降,并不能改善管的受力情况,故临长高速公路将其改为180度的护管基础,如图2,因为横向边界变形的制约是抑制圆管涵开裂的关键,180度的护管基础能提供横向水平向内制约力。

取原算例,计算结果如表3、表4(单位:KN·M)。对比表1和表2、表3和表4可知,由于使用了180度的护管基础,给涵管提供了横向约束力,可大大减小涵管内力值。 2.2涵管制作

钢筋混凝土圆管涵一般采用离心法施工,当转速过低、混凝土塌落度较小时,混凝土密实度无法保证;当转速过高、混凝土塌落度较大时,易发生离析现象,混凝土在离心力作用下粗骨料富集于涵管外壁,水泥浆富集于涵管内壁;以上两种情况都将严重影响混凝土强度,应根据混凝土塌落度制定合理的离心法施工频率、时间,既保证涵管混凝土密实,又尽可能减少混凝土的离析分层。

推荐涵管混凝土配合比为:水泥用量不小于350~400Kg/m3;W/C=0.4~0.5;粗骨料最大粒径不大于15~20mm;砂率40~50%;塌落度3~7cm。 推荐离心成型制度如表5。 2.3回填方法

根据受力分析,如回填方法不当,施工荷载内力有可能大于设计、验算荷载内力,从设计上当然可以考虑这些因素的影响,但不经济,应结合回填施工工艺予以控制。

圆管涵设计一般分填土高度为1~4m和4~8m两种,对比表1和表2、表3和表4可发现,填土高度H=0.5m时8T压路机的施工荷载内力与填土高度4m时设计、验算荷载内力相差不大;当填土高度H>1m后,施工荷载内力则显著减小,故在进行回填时应:在H=0~0.5m范围内用小型夯实机械夯实到压实度90%以上;H=0.5~1m范围内用主动轮荷重8T的压路机压实;以上范围内如压实度不够,可减薄每层松铺厚度;H>1m后可用大吨位压路机压实。 3 结语

高等级公路钢筋混凝土圆管涵的开裂,主要是由于施工规范规定不详细,设计时没有考虑施工荷载的影响以及管涵自身的制作品质。通过引入180度护管基础,可以大幅度的改善管涵受力情况;通过规范管节制作方法,可以确保管涵品质;通过制定相应回填方法,可以在经济的情况下确保管涵不开裂。