随着人们生活水平的不断提高，人们对交通运输提出了更高的需求，公路工程投资的不断扩大，促进了高等级公路建设的高速发展，然而高等级公路不可避免要跨越山谷、河流、山涧等地区，在地势低洼处不得不修建满足排水的结构物，来确保路线的安全。传统的涵洞大多为混凝土圬工结构，具有强度高、承载性能好的特点，在公路修建中得到广泛应用，涵洞约占公路桥梁数量的40%左右，但传统涵洞在修建过程中存在施工圬工量大、施工工序繁琐、修筑周期长等问题，严重影响高等级公路的修建周期，在山区地区此问题尤为显著，且混凝土圬工涵洞在修建后，大多数存在涵洞开裂、基础沉降等病害，一定程度说明在涵洞施工规范和设计规范上存在一定的缺陷，这些施工和设计上的缺陷，严重影响后期涵洞结构的安全和交通的正常运行，同时造成公路后期的维护成本的增加，造成不必要的资金浪费。为解决传统涵洞修建周期长、开裂等病害问题，设计人员往往采用新型结构涵洞，目前钢波纹管涵替代传统混凝土圬工涵洞比较普遍。钢波纹管涵洞的应用，不仅能够增加涵洞的使用寿命，减少后期维护成本，而且能够减少对环境污染较大的混凝土等建筑材料的使用，环境保护意义重大。

本课题依托延安市北过境线改扩建工程，通过现场试验、管涵顶部土压力理论分析和有限元计算三个方面开展对钢波纹管涵应变、截面变形、管涵顶部垂直土压力计算进行研究。通过现场试验，探究钢波纹管在施工填土过程，钢波纹管涵的力学性态表现及管周土压力规律；基于理论分析，考虑沟槽填土在摩擦力作用下发生主应力偏转，引起侧向土压力系数改变的管涵顶部垂直土压力计算模型，探究沟埋式管涵涵顶垂直土压力随填土高度地变化规律；采用有限元计算，对现场试验进行验证，通过模拟填土高度一定时，钢波纹管基本参数、地基土体模量改变对钢波纹管力学性质的影响，在钢波纹管基本参数一定时，模拟上覆填土高度对管涵变形及管顶土压力的影响。通过现场试、有限元计算和理论分析，总结管涵在施工过程钢波纹管应变、变形及土压力规律。在现场试验、有限元计算的基础上，探究钢波纹管涵顶垂直土压力计算方法，为相关工程施工及设计提供一定的参考。主要研究内容如下：

1、钢波纹管涵洞材料力学基本特征分析

（1）钢波纹管材料组成及其性能； （2）钢波纹管材料强度指标及其特性； （3）钢波纹管材料变形指标及其特性。

2、公路钢波纹管涵洞的连接与拼装施工控制技术

（1）钢波纹管涵洞的分类和适应性； （2）涵洞加工与拼装技术； （3）涵洞施工工艺； （4）拼装时的注意事项； （5）波纹钢管廊纵向连接防水构造研究。  

3、施工填土过程中，钢波纹管涵应变、变形及管涵周围土压力规律

（1）管涵侧面及管涵顶填土分层填筑中，管涵波纹的波峰、波侧、波谷应变规律； （2）管涵侧面及管涵顶部填土分层填筑中，管涵截面在水平向、竖向变形规律； （3）管涵侧面及管涵顶部填土分层填筑中，管涵圆周周围土压力规律。 （4）管涵顶部填土分层填筑中，管涵顶部在试验截面平面土压力分布规律。

4、钢波纹管涵涵管顶部垂直土压力计算与变形特性分析

（1）推导矩形沟槽管涵涵顶垂直土压力计算方法； （2）推导梯形沟槽管涵涵顶垂直土压力计算方法； （3）填土内摩擦角对管涵顶部垂直土压力系数影响研究； （4）侧向土压力系数取值对管涵垂直土压力系数影响研究； （5）填土高度对管涵顶部垂直土压力系数影响研究。

5、钢波纹管涵有限元计算与变形特性研究

（1）钢波纹管涵现场施工有限元计算，现场数据和模拟数据对比分析； （2）地基土体弹性模量变化时，钢波纹管涵力学性能影响； （3）钢波纹管涵波峰、波谷一定，填土高度对钢波纹管涵力学性能影响； （4）填土高度一定，波纹管参数（波长、波高、壁厚）对钢波纹管力学性能影响。

6、钢波纹管涵洞设计与施工技术研究

（1）作用荷载计算方法研究； （2）钢波纹管涵洞结构设计方法； （3）钢波纹管涵洞的地基基础设计方法； （4）钢波纹管涵洞施工工艺研究。

通过本课题的研究得到如下主要结论与创新点：

1、揭示了波纹管随填土高度变化的工作机理，波纹管截面的水平向和竖向变形随着填土高度增加呈先增加后减小，在管侧填土过程中，水平向变形呈压缩趋势，竖向变形呈拉伸趋势，最大变形量 达到40.5mm，在填土完成后，管涵截面整体呈现竖向椭圆形； 

2、研究了土体在沟槽摩擦作用下发生主应力偏转形成的小主应力拱，得到了考虑土拱效应影响的侧向土压力系数，推导了涵顶（矩形沟槽、梯形沟槽）垂直土压力计算公式，计算结果与试验数据 较为吻合；

3、提出了上部荷载一定时，管涵截面竖向和水平向变形随着地基土体弹性模量增大而增大；钢波纹管涵截面随填土高度增加先呈现竖向椭圆后变为横向椭圆形；随填土增加管涵顶部土压力增加幅度变小。

结合本课题研究成果，目前已发表论文2篇，申请发明专利两项。

通过本课题的研究，一方面直接用于指导了延安市北过境线改建工程钢波纹管涵洞的应用，对设计和施工提供了技术支持，有效地降低了工程造价、缩短了工期，提高工程效能。另一方面对钢波纹管涵在诸多领域应用都具有及其重要的推广指导意义，社会、经济效益显著。而且节约了混凝土用量，减少环境污染，产生良好的生态效益。通过延安北过境项目试验每道涵洞投资节约19%，工期缩短一半。随着交通路网的形成，大量的公路进入升等改造、大中修，所以 钢波纹管对于旧构造物利用加固特别适用，节约了投资，降低了造价，减少了环境污染。值得大力推广。