濕陷性黃土地區(qū)公路鋼波紋管涵洞的受力特征

張 博，梁養(yǎng)輝，胡 濱，郭力源，姜 濤

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710075)

0 引言

隨著公路建設(shè)的發(fā)展、公路改建等級的提高以及高速公路的延伸，施工中遇到的特殊地質(zhì)環(huán)境越來越多。對濕陷性黃土地區(qū)來說，混凝土涵洞的不均勻沉降是其破壞的主要形式之一，采用鋼波紋管涵洞則可解決以上問題［1-3］。

為了推廣鋼波紋管涵洞在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用，了解鋼波紋管涵洞在施工過程中的受力變化規(guī)律，本文對鋼波紋管涵洞在濕陷性黃土地區(qū)適應(yīng)性進行分析，對濕陷性黃土地區(qū)大孔徑鋼波紋管涵洞施工過程中管內(nèi)應(yīng)變及管外土壓力進行受力研究，解決鋼波紋管涵洞在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用這一難題。

1 鋼波紋管涵洞在濕陷性黃土地區(qū)的適應(yīng)性

鋼波紋管涵洞具有柔性、高強度的結(jié)構(gòu)特點，可解決黃土地區(qū)不均勻沉降難題。較混凝土涵洞結(jié)構(gòu)，鋼波紋管在濕陷性黃土地區(qū)修筑更有優(yōu)勢，有廣闊的應(yīng)用前景。總體上，公路鋼波紋管涵洞在濕陷性黃土地區(qū)應(yīng)用具有以下優(yōu)勢［4-8］。

(1)適應(yīng)性強。鋼波紋管抵抗變形能力強，不易損壞，適應(yīng)地基變形能力強。

(2)質(zhì)量易控。鋼波紋板采用工廠標準化生產(chǎn)、質(zhì)量容易控制。

(3)節(jié)省工期。板片薄、質(zhì)量輕、存放運輸方便，適合地形條件復(fù)雜、作業(yè)面小等施工環(huán)境;施工工藝簡單、工期短。

(4)耐久性好。鍍鋅鋼波紋管涵洞的使用壽命可達到 75 年以上［9］。

(5)結(jié)構(gòu)環(huán)保。減少砂、石用量，可拆除、回收、利用，保護環(huán)境。

2 鋼波紋管涵洞受力特征

本試驗對陜北濕陷性黃土地區(qū)鋼波紋管涵洞進行現(xiàn)場測試，鋼波紋管管徑為4 m、波形參數(shù)為200 mm×55 mm，鋼波紋管材質(zhì)為Q235A鋼材，經(jīng)工廠熱軋冷彎加工而成，且出廠時進行了熱浸鍍鋅防腐，施工現(xiàn)場涂刷瀝青進行二次防腐。

2.1 測試設(shè)備的布置方案

2.1.1 管內(nèi)測試應(yīng)變片的布置方案

在鋼波紋管涵洞管內(nèi)沿管周不同角度布置應(yīng)變片，具體布置情況為:分別在波峰、波谷、波側(cè)3個測試斷面布設(shè)應(yīng)變片，每個斷面角度依次為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，共計 21 個測點。具體布設(shè)如圖1、2所示。

2.1.2 管外土壓力盒的布置方案

在鋼波紋管涵洞管外沿管周不同角度布置土壓力盒，具體布置情況為:在管外 0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°位置布設(shè)壓力盒，共計 7 個測點，如圖3所示。

2.1.3 現(xiàn)場測試工況

施工過程采用分層填筑，每層充分壓實后檢測是否達到規(guī)范要求，達到規(guī)范地求之后，停止機械并遠離路基后分別讀取管內(nèi)應(yīng)變測試儀及管外土壓力測試儀的數(shù)據(jù)，進行記錄并存儲［10-11］。為便于分析相同填土高度下管內(nèi)外應(yīng)變變化情況，對應(yīng)變及土壓力采用同一工況進行測試。具體測試情況如表1所示。

圖1 濕陷性黃土地區(qū)鋼波紋管涵洞測試斷面應(yīng)變片布設(shè)

圖2 濕陷性黃土地區(qū)鋼波紋管涵洞應(yīng)變片布設(shè)

圖3 鋼波紋管涵洞土壓力盒隨角度布設(shè)

2.2 測試結(jié)果及分析

2.2.1 施工過程中管內(nèi)壁切向應(yīng)變測試結(jié)果分析

波峰隨填土高度增加，切向應(yīng)變測試結(jié)果如圖4所示。

表1 濕陷性黃土地區(qū)鋼波紋管涵洞測試工況

圖4 波峰隨填土高度增加切向應(yīng)變測試結(jié)果

通過對圖4進行分析，可以得出以下結(jié)論。

隨著填土高度的增加，管底180°、管側(cè)150°、管側(cè)120°、管頂0°拉應(yīng)變值逐漸增大，填土初期(填土高度小于管頂上1.0 m)，各測點拉應(yīng)變存在交替變化的情況;但填土后期(填土高度為管頂上1.0 m至3.8 m)，各測點拉應(yīng)變大小保持一致，且由大到小分別為管底 180°、管側(cè) 150°、管頂 0°、管側(cè) 120°。

管側(cè)30°、管側(cè)60°、管側(cè)90°在填土初期為拉應(yīng)變，當填土至管頂上0.5 m時，由于施工對管壁的影響，拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，隨著施工填土高度的不斷增加壓應(yīng)變不斷增大，其大小關(guān)系由大到小為管側(cè)30°、管側(cè) 60°、管側(cè) 90°。

填土初期(填土高度小于管頂上1.0 m)各測點應(yīng)變值有重新分布的過程，當填土至路基頂(管頂上3.8 m)時，除管頂 0°為拉應(yīng)變外，以管側(cè) 90°為分界線，整個管涵上部以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎虏恳岳瓚?yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

填土初期各測點拉應(yīng)變(或壓應(yīng)變)增長幅度較大，后期填土至路基頂部(管頂上3.8 m)時，應(yīng)變值增長幅度較為緩慢。

波谷隨填土高度增加，切向應(yīng)變測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 波谷隨填土高度增加切向應(yīng)變測試結(jié)果

通過對圖5進行分析，可以得出以下結(jié)論。

當填土高度小于管頂上1.0 m時，各測點均為拉應(yīng)變，且隨施工中填土高度不斷增加逐漸增大;當填土至路基頂部(管頂上3.8 m)后，應(yīng)變值增長幅度趨于緩慢。

隨著填土高度的增加，管底180°、管側(cè)60°、管側(cè)150°、管頂0°為拉應(yīng)變，填土到管頂上1.0 m至2.0 m時，拉應(yīng)變先緩慢減小后逐漸增大。這是由于施工初期為防止重型機械壓實導致鋼波紋管產(chǎn)生大的變形而采用小型夯實機，土層壓實度不夠而產(chǎn)生的;后期采用大型壓路機壓實完全可以解決初期壓實度不夠的問題，對鋼波紋管涵洞使用不產(chǎn)生影響。

管側(cè)120°、管側(cè)90°、管側(cè)30°在填土初期為拉應(yīng)變，當填土到管頂上1.5 m時，由于施工對管壁的影響，拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，然后隨施工填土高度的增加壓應(yīng)變增大，且管側(cè)30°增長幅度大于其他角度。

填土至管頂上1.5 m時，部分測點的拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，此時鋼波紋管涵洞受力不均勻且較為復(fù)雜，施工時應(yīng)重點觀測。

波側(cè)隨填土高度增加，切向應(yīng)變測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 波側(cè)隨填土高度增加切向應(yīng)變測試結(jié)果

通過對圖6進行分析，可以得出以下結(jié)論。

當填土至管頂上0.2 m時，各測點整體依然為拉應(yīng)變。當填土管頂上1.0 m至路基(管頂上3.8 m)時，管側(cè) 30°、管側(cè) 60°、管側(cè) 90°拉應(yīng)變隨著填土高度的增加逐漸增大，且管側(cè)60°曲線與管頂填土高度的增長斜率大于管側(cè)30°和管側(cè)90°;管側(cè)120°、管頂0°、管側(cè)150°、管底180°在管頂上1.5 m位置，由于施工對管壁的影響，出現(xiàn)拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，后隨著施工填土高度的不斷增加，壓應(yīng)變逐漸增大。當填土至路基頂部(管頂上3.8 m)時，應(yīng)變值增長幅度趨于緩慢。

填土初期各測點應(yīng)變值有重新分布的過程，當填土至路基頂(管頂上3.8 m)時，除管頂0°為壓應(yīng)變外，鋼波紋管涵洞上半圓受拉，下半圓受壓。

通過對圖4～6進行分析，可以得出以下結(jié)論。

總體上波峰、波谷、波側(cè)變化規(guī)律相似:填土初期均為拉應(yīng)變，隨著填土高度的增加，分為2部分:一部分測點由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，且有壓應(yīng)變繼續(xù)增加的趨勢;另一部分測點壓應(yīng)變逐漸增大。

波峰、波谷、波側(cè)隨著填土高度增加各測點應(yīng)變值不穩(wěn)定，初期出現(xiàn)應(yīng)變值重新分布;隨著填土高度增加，達到一定高度時(波峰為管頂上1.0 m，波谷和波側(cè)為管頂上1.5 m)，各測點應(yīng)變性質(zhì)確定(即為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變)后，應(yīng)變值隨著填土高度的增加逐漸增大［12］。

除管頂0°外，整體上波峰上半圓受壓，下半圓受拉，而波側(cè)與其恰恰相反，上半圓受拉，下半圓受壓。

波峰和波谷的管頂、管底位置均為拉應(yīng)變，管側(cè)90°位置為壓應(yīng)變，而波側(cè)則相反，管頂、管底位置均為壓應(yīng)變，管側(cè)90°位置為拉應(yīng)變。

波峰填土至管頂上1.0 m、波谷和波側(cè)填土至管頂上1.5 m時，部分測點出現(xiàn)拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，此時鋼波紋管涵洞受力不均勻且較為復(fù)雜，施工時應(yīng)重點觀測。

波峰沿管周角度變化切向應(yīng)變測試結(jié)果見圖7。

圖7 波峰隨測試位置切向應(yīng)變測試結(jié)果

通過對圖7進行分析，可以得出以下結(jié)論。

不同角度之間存在拉、壓應(yīng)變的轉(zhuǎn)換，管頂0°為拉應(yīng)變，管頂30°時(管頂填土0.2 m工況時接近0°)轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，管周60°到90°壓應(yīng)變逐漸減小，管周120°存在應(yīng)變的轉(zhuǎn)化，變?yōu)槔瓚?yīng)變，且隨著角度增大逐漸增大。在管周30°位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。

波谷沿管周角度變化切向應(yīng)變測試結(jié)果見圖8。

圖8 波谷隨測試位置切向應(yīng)變測試結(jié)果

由圖8可以看出，各角度應(yīng)變分為2部分:填土到管頂上0.2 m至1.0 m時，各角度均為拉應(yīng)變，且管頂0°到30°逐漸減小，后增大至60°又迅速減小，90°到150°增長緩慢，180°快速增長。填土到管頂上1.5 m至3.8 m時，0°到120°存在拉、壓應(yīng)變的轉(zhuǎn)換，即 0°、60°為拉應(yīng)變，30°、90°、120°為壓應(yīng)變。150°到 180°為拉應(yīng)變且逐漸增大。管側(cè) 30°、60°、90°時出現(xiàn)應(yīng)力集中，且存在拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替變化過程［13］。

波側(cè)沿管周角度變化切向應(yīng)變測試結(jié)果見圖9。

圖9 波側(cè)隨測試位置切向應(yīng)變測試結(jié)果

由圖9可以看出，整體上管頂0°為壓應(yīng)變，30°轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，且應(yīng)變先增大后減小(在60°時出現(xiàn)最大值)，120°～180°為壓應(yīng)變，且先增大后減小(在150°時出現(xiàn)最大值)?？梢钥闯?，管側(cè)60°出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，管側(cè)150°出現(xiàn)壓應(yīng)力集中。

通過對圖7～9進行對比分析可以得出，波峰與波側(cè)的應(yīng)變正好相反，即同一角度時波峰為拉應(yīng)變而波側(cè)為壓應(yīng)變，波峰為壓應(yīng)變而波側(cè)為拉應(yīng)變，兩者具有互補性;波谷則存在拉、壓應(yīng)變交替變化。

波峰、波谷、波側(cè)均在 0°～30°之間和 90°～150°之間出現(xiàn)拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變(或壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變)。分別在管周 30°、60°和 90°處出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此施工時應(yīng)作為重點部位進行觀測。

2.2.2 施工過程中管外壁土壓力測試結(jié)果分析

施工過程中對管頂進行分層填土壓實，測試不同填土高度下土壓力變化情況，測試結(jié)果如圖10所示，通過分析可以得出以下結(jié)論。

圖10 管外土壓力隨填土高度變化規(guī)律

隨著填土高度從管頂上0.2 m至路基頂(管頂上3.8 m)，管周外側(cè)土壓力逐漸增加。

總體上各測點土壓力的由大到小依次為:0°垂直土壓力、30°徑向土壓力、180°垂直土壓力、60°徑向土壓力、150°徑向土壓力、120°徑向土壓力、90°徑向土壓力。

90°處土壓力與填土高度的增長斜率小于其他角度，說明管中部位水平土壓力值較低。

管頂填土1.5 m以內(nèi)，各測點土壓力增長速度較快;管頂填土高于1.5 m至路基頂(管頂上3.8 m)，各測點土壓力增長速度較慢后趨于定值。

將上述圖形繪制成土壓力隨角度變化，如圖11所示。通過對圖11進行分析，可以得出如下幾點。

圖11 管外土壓力隨管周角度變化規(guī)律

隨著角度從管頂至管底的變化，0°～90°壓力值逐漸減小，在90°處出現(xiàn)低谷值(接近0.01 MPa)，之后120°逐漸增大至180°?？傮w上各工況的變化趨勢基本一致，管側(cè)90°位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

(1)鋼波紋管涵洞對地基要求低，其軸向波紋的存在可以更大程度上分散荷載的應(yīng)力集中，更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，可解決濕陷性黃土地區(qū)混凝土涵洞的不均勻沉降問題，特別適合在濕陷性黃土地區(qū)推廣應(yīng)用。

(2)對濕陷性黃土地區(qū)鋼波紋管涵洞進行了現(xiàn)場測試，得出施工過程中不同填土高度下鋼波紋管管內(nèi)應(yīng)變及管外土壓力的變化規(guī)律。

(3)通過對鋼波紋管涵洞在濕陷性黃土地區(qū)施工過程及施工完成后不定期的檢測，其整體穩(wěn)定性要優(yōu)于同類混凝土涵洞，避免了混凝土涵洞產(chǎn)生的不均勻沉降問題。

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