基于模型試驗的高填方涵洞EPS板減荷作用研究

羅呂青 張謝東 李 彬 曉 夏 劉建平 黃笑犬

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限公司1) 武漢 430023) (武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

馬斯頓效應(yīng)是一種由填埋土體的不均勻沉降導(dǎo)致對下方填埋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力的現(xiàn)象.早期馬斯頓效應(yīng)未被考慮納入涵洞設(shè)計，設(shè)計者過小地預(yù)計了涵洞所受荷載，極大地影響了涵洞的安全性[1-2].

馬強等[3]對高填方涵洞涵頂土壓力影響因素敏感性進行了分析，確立了土體6項因素對土壓力系數(shù)的影響；李勝等[4]進行了在涵洞頂部加設(shè)EPS板的室內(nèi)模型試驗，驗證了EPS板作為減荷材料的可行性；顧安全等[5-7]在圓管涵側(cè)部鋪設(shè)不同厚度EPS的板進行現(xiàn)場試驗，證明了EPS板減載效果的優(yōu)良性；姜峰林[8]以實際工程為依托，研究驗證了運用EPS板減荷可有效降低涵洞受力和施工成本；黃笑犬等[9]結(jié)合實際工程分析了涵洞土壓力及EPS板壓縮變形，結(jié)果表明，EPS板可明顯減小涵洞頂土壓力.

作為減荷材料代表的EPS板是一種可產(chǎn)生大變形壓縮的彈塑性材料[10]，其材料特性能較好地適用于減荷卸載.為此，文中設(shè)計了室內(nèi)試驗研究不同密度、不同厚度EPS板對方涵頂部土壓力的影響，分析了填土階段、靜載階段、卸載階段涵洞頂部土壓力變化規(guī)律.

1 模型試驗設(shè)計

1.1 模型設(shè)計

1) 裝置設(shè)計 取模型的縮尺比例為1∶10.試驗在圖1a)自制鋼箱內(nèi)進行，鋼箱尺寸70 cm×30 cm×100 cm(長×寬×高)，一面為玻璃面板.玻璃面板外側(cè)進行圖1b)畫線標記，以涵洞頂部高度(23 cm)為起點，每隔5 cm用長、短橫線交替標記，并標注高度值.

圖1 實物圖

2) 材料設(shè)計 涵洞采用C45混凝土現(xiàn)澆而成的方形管涵，見圖2a)，涵洞外尺寸26 cm×23 cm(長×寬)，壁厚5cm，縱深30 cm.EPS板采用密度分別為14、18、20、24 kg/m3的四種26 cm×15 cm×2 cm(長×寬×高)的定制泡沫板研究密度對涵洞頂部土壓力的影響，見圖2b)，采用密度為18 kg/m3，尺寸為26 cm×15 cm×1 ～ 4 cm(長×寬×高)的定制泡沫板研究厚度對涵洞頂部土壓力的影響，見圖2c).不同密度EPS板彈性模量參數(shù)見表1.填土參考現(xiàn)場條件，砂土的材料參數(shù)見表2.

圖2 示意圖

表1 四種密度EPS板彈性模量值

表2 砂土物理力學(xué)特性

3) 填土設(shè)計 實際工程中涵洞地基為已沉降完成的地基，可視為剛性地基，模型實驗中可用鋼箱底部模擬地基.試驗采用分層填土布置，即涵洞頂板高度開始，每層填土5 cm，直至75 cm.

4) EPS板鋪設(shè)布置 為排除不同工況下砂土壓實度與含水率對涵頂壓力的影響，設(shè)計了圖3的EPS板鋪設(shè)方式：將涵洞在鋼箱之內(nèi)的區(qū)域等分為圖3的前段與后段，靠鋼箱內(nèi)側(cè)的后段鋪設(shè)EPS板，靠玻璃面板一側(cè)的前段不進行減荷設(shè)置，便于實時對比分析減荷前后涵洞頂部土壓力變化規(guī)律.

圖3 試驗布置圖

1.2 測點布置

1) 土壓力盒采用應(yīng)變式微型土壓力盒，量程為30 kPa，為得到減荷前后涵洞頂部垂直土壓力變化規(guī)律，在涵洞前段與后段頂部的中心與邊緣各放置一個土壓力盒，用雙面膠固定，并編號為①、②、③、④，分別代指表3中所示四個測點.

2) 為得到EPS板變形量，圖4a)在EPS板上加設(shè)一片鋼條，用雙面膠固定，從圖4b)鋼箱內(nèi)壁穿出.在鋼箱外壁上設(shè)置百分表，監(jiān)控EPS板中心變形量，見圖4c).

圖4 布置圖

1.3 試驗方案設(shè)計

試驗時，先將砂土填至5 cm線高處，將填土表面整平后清零土壓力盒度數(shù)，作為填土記錄起點.填土?xí)r每填土5 cm將土體表面整平，記錄各傳感器讀數(shù)，直至填滿75 cm.填土完成后持續(xù)記錄各傳感器讀數(shù)300 min，得到土體靜載(沉降)過程中涵洞頂部土壓力變化規(guī)律.等待至填土完成12 h后對鋼箱內(nèi)砂土進行清出(卸載)操作，每清出5 cm厚砂土后，對各傳感器讀數(shù)進行記錄.

不同厚度、不同密度EPS板對涵洞周邊土壓力變化研究各分為四種工況，見表4.

表4 試驗方案

2 模型試驗結(jié)果與分析

2.1 不同厚度EPS板減荷試驗結(jié)果

2.1.1填土階段試驗結(jié)果與分析

四測點處土壓力變化見圖5，①、②點處的減荷比例見圖6.

圖5 垂直土壓力變化

圖6 土壓力減小比例

由圖5～6可知：

1) 在填土過程中，③點與④點處土壓力增長趨勢近似線性，其中③點土壓力變化曲線與垂直土柱壓力理論值接近，④點處土壓力明顯較垂直土柱壓力更大.此階段馬斯頓效應(yīng)已經(jīng)產(chǎn)生，附加應(yīng)力在涵頂邊緣形成，但附加應(yīng)力還未傳遞到涵頂中心處.由圖5a)與圖5c)可知:四次填土的均勻程度接近，可由圖5b)與圖5d)比較減荷效果.

2) 填土高度在35 cm以下時，①點與②點土壓力變化數(shù)值接近上方土柱壓力，對比圖5c)～5d)可知，②點產(chǎn)生了明顯的減荷效果.填土高度達到35 cm以上后，①點與②點處土壓力較土柱壓力更低，且差距逐漸增大.

3) 相同密度下， EPS板厚度越大，其對馬斯頓效應(yīng)的減荷效果越明顯.相同厚度下，隨著填土高度的增加，EPS板的對涵洞頂部土壓力的減荷效果也逐漸增大.馬斯頓效應(yīng)最先作用于涵頂邊緣，并逐漸向涵頂中心擴張.

4) 填土高度達到35 cm前，②點垂直土壓力僅為未鋪設(shè)EPS時的50%，且隨著填土高度地增加，減荷效果也在逐步增加.填土高度達到35 cm后，EPS板對①點處開始展現(xiàn)出減荷效果，且隨著填土高度地增加，其減荷效果也在增加，但增幅逐漸降低.

2.1.2靜載階段試驗結(jié)果與分析

四種工況下的長期靜載階段涵洞頂部垂直壓應(yīng)力變化規(guī)律相似，以工況H-3為例，其涵洞頂部四處傳感器的數(shù)值變化見圖7.四種工況下涵洞后段頂部中心垂直壓應(yīng)力隨時間變化見圖8，EPS板變形量隨時間變化見圖9.

圖7 H-3靜載階段各點垂直土壓力變化

圖8 各工況下涵洞①點垂直土壓力變化

圖9 沉降階段EPS板變形量

由圖7可知：靜載的0～30 min，③點與④點土壓力變化明顯，其中④點的土壓力值較③點處更大，證明馬斯頓效應(yīng)對該部位影響更為明顯.①點與②點處垂直土壓力增幅較小，且在300 min內(nèi)土壓力變化不大，證明EPS板對減小馬斯頓效應(yīng)有較好的效果.

300 min靜載階段結(jié)束后，③點處的垂直壓應(yīng)力為11.9 kPa，④點處的垂直壓應(yīng)力為20.0 kPa，分別為0.7 m土柱壓應(yīng)力(8.23 kPa)的1.45與2.43倍，證明馬斯頓效應(yīng)的產(chǎn)生對涵洞頂部造成了較大的附加應(yīng)力.①點處的垂直壓應(yīng)力為7.02 kPa，②點處的垂直壓應(yīng)力為7.29 kPa，分別為0.7 m土柱壓應(yīng)力的85%與88%，證明了鋪設(shè)EPS板可大幅減小涵洞頂部垂直土壓力.

由圖8可知：四種工況下①點處垂直壓應(yīng)力變化趨勢相似，均為初始時增幅較大，30 min內(nèi)幾乎完成靜載階段應(yīng)力增長量的50%，30 min后同時長應(yīng)力增長幅度明顯下降.且鋪設(shè)的EPS板厚度越大，同時期涵洞上部垂直土壓力越小，減荷效果越好.

由圖9可知：沉降階段內(nèi)，EPS板變形量隨時間變化規(guī)律近似線性，且EPS板厚度越大，其同時期壓縮量也越大.在涵洞頂部壓力增長較快的時段，EPS板的變形量未有較明顯的增幅變大區(qū)域，在后續(xù)頂部土壓力趨近平穩(wěn)的階段，EPS板變形量也未停止增長，說明EPS材料有著明顯的蠕變特性.

2.1.3卸載階段試驗結(jié)果與分析

卸載階段中各工況下①點的應(yīng)力變化與EPS板變形量變化見圖10.

圖10 卸載階涵洞后段頂部中心土壓力于EPS板變形量變化

由圖10可知:完成靜載12 h后，①點處垂直土壓力較填土完成時有較大的增長，工況H-1～H-4分別由7.47、6.79、6.41、5.92 kPa增長為8.71、7.38、7.05、6.55 kPa，證明在沉降過程中馬斯頓效應(yīng)對涵洞頂部造成了較明顯的附加應(yīng)力.

卸載的初始階段，移除涵頂填土對涵頂應(yīng)力影響不甚明顯，當(dāng)剩余填土高度降到50cm以下時，垂直土壓力大幅下降.經(jīng)分析，填土沉降過程中，其內(nèi)部在顆粒間的摩擦力與黏結(jié)力的作用下形成了土拱效應(yīng)，引起了土體內(nèi)部的應(yīng)力重分布，上部填土產(chǎn)生的應(yīng)力不完全作用在涵洞上.當(dāng)填土高度降低到50 cm以下時，土體內(nèi)拱結(jié)構(gòu)破壞，涵洞頂部土壓力正常減小.

EPS板變形量由靜載300 min后的0.393 7 mm增長為0.620 8 mm，在長期荷載作用下EPS板有較明顯的蠕變現(xiàn)象.在卸載過程中EPS板變形量雖有微小降低，但整體變形幾乎沒有變化，穩(wěn)定在0.615 mm附近，說明EPS材料變形對壓力變化敏感性較低.

2.2 不同密度EPS板減荷試驗結(jié)果

2.2.1填土階段試驗結(jié)果與分析

填土階段③點的應(yīng)力變化與上方土柱垂直土壓力接近，與圖5中考慮不同厚度EPS板減荷試驗時結(jié)果相似.鋪設(shè)不同密度EPS板后，①點處垂直土壓力隨填土高度變化曲線見圖11a)， ①點處垂直土壓力的減小比例見圖11b).

圖11 ①點處垂直土壓力變化和土壓力減小比例

由圖11a)可知:當(dāng)填土高度不足35 cm時，鋪有四種密度EPS板的①點處土壓力與垂直土柱壓力(γh)接近.當(dāng)填土高度超過35 cm后，鋪有工況M-1先行產(chǎn)生減荷效果，土壓力小于上方土柱壓力.隨著填土高度增加，工況 M-2、M-3、M-4依次產(chǎn)生減荷效果.由圖11b)可知:EPS板密度越小，其產(chǎn)生減荷效果需求的填土高度越小，其在相同填土高度下減荷效果越好.隨著填土高度的增加，四種工況下EPS板的減荷效果逐漸趨于平穩(wěn).

2.2.2靜載與卸載階段試驗結(jié)果與分析

靜載與卸載階段四種工況下①點的讀數(shù)見圖12,圖13為沉降階段EPS板變形量.

圖12 ①點垂直土壓力變化

圖13 沉降階段EPS板變形量

由圖12a)可知:鋪設(shè)相同厚度的EPS板，密度越低，對涵洞頂部的減荷效果越明顯.其中M-1工況中，靜載300 min后涵洞后段頂部土壓力值小于靜載階段初始時的土壓力值，證明EPS板的減荷效果優(yōu)異，且可提供在長期荷載作用下的減荷環(huán)境.由圖12b)可知:在12 h靜載作用下，工況M-1～M-4的涵洞頂部中心的應(yīng)力從完成填土?xí)r的6.15、6.79、7.26、7.87 kPa變化至6.09、7.38、8.08、9.30 kPa.在卸載過程中，隨著填土高度的減少，初期①點垂直土壓力變化不明顯，待填土高度降低到50 cm附近時，①點垂直土壓力開始大幅降低.

由圖13可知:EPS板變形趨勢與研究厚度影響時相似，均表現(xiàn)出EPS板明顯的蠕變性質(zhì)，且隨著時間的增長，其變形量有趨近平穩(wěn)的趨勢.試驗結(jié)果表明，EPS板密度越低，其在相同時間點的變形量也越大，最終變形量也越大.

3 結(jié) 論

1) 馬斯頓效應(yīng)會對涵洞頂部產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，在涵洞頂部鋪設(shè)EPS板可有效消除馬斯頓效應(yīng).

2) 在沉降過程中，土體內(nèi)部通過顆粒間的黏結(jié)力與摩擦力形成土拱，將涵洞上部填土產(chǎn)生的應(yīng)力進行重分配.

3) 使用EPS板消除馬斯頓效應(yīng)時，鋪設(shè)的EPS板密度越小，其減荷效果越明顯，其應(yīng)變越大；厚度越大，其減荷效果越明顯，其應(yīng)變越小.

4) EPS板有明顯的蠕變效應(yīng)，在荷載作用下不能瞬間完成應(yīng)有變形，在長期荷載作用下EPS板的變形量會有一定增大.