濕陷性黃土地區(qū)高填方大孔徑鋼波紋管涵洞受力分析

解衛(wèi)江， 梁凱， 胡濱， 何強(qiáng)

(1.山西離隰高速公路有限公司， 山西 太原 030006； 2．中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710075；3．西安中交土木科技有限公司， 陜西 西安 710075； 4.西安工業(yè)大學(xué)， 陜西 西安 710021)

濕陷性黃土特殊地質(zhì)修筑混凝土涵洞時(shí)，常常由于地基的下沉引起混凝土涵洞產(chǎn)生裂縫等問題，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻沉降引起涵洞的破壞。而鋼波紋管涵洞可解決以上問題，且方便運(yùn)輸，現(xiàn)場拼裝工藝簡單，后期養(yǎng)護(hù)方便，更能適應(yīng)濕陷性黃土的土質(zhì)特點(diǎn)，推廣前景廣闊。公路工程中修筑鋼波紋管涵洞具有很多優(yōu)勢，很有必要開展相關(guān)研究，特別是高填方、大孔徑結(jié)構(gòu)受力方面的研究，以得到其內(nèi)壁應(yīng)變及外壁土壓力的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

針對山西濕陷性黃土地區(qū)的特點(diǎn)，在離隰高速公路上進(jìn)行直徑5 m，波距400 mm×波高150 mm，壁厚8 mm鋼波紋管涵洞的應(yīng)用。鋼波紋管涵洞管周兩側(cè)采用分層對稱填筑，管周1 m和管頂填筑1 m范圍內(nèi)采用小型夯機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，其他區(qū)域采用25 t壓路機(jī)壓實(shí)。鋼波紋管涵洞長度為170.6 m,測試位置為涵洞長度的中間位置。路基高度為20.1 m。

1.1 管內(nèi)應(yīng)變布置方案

在路中位置，波峰、波谷和波側(cè)沿管周切向進(jìn)行應(yīng)變片布置，角度按以下分布：0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°，合計(jì)27個(gè)測試點(diǎn)位；同時(shí)沿管周軸向進(jìn)行應(yīng)變片布置，角度按以下分布：0°、45°、90°、135°和180°合計(jì)15個(gè)測試點(diǎn)位，切向和軸向合計(jì)42個(gè)測試點(diǎn)位。具體的布置位置如圖1、2所示。

圖1 應(yīng)變片不同角度分布圖

圖2 應(yīng)變片布置平面圖

1.2 管外土壓力盒布置方案

在路中位置鋼波紋管外側(cè)按照不同的角度分別貼著管壁埋設(shè)壓力盒，角度按以下分布：0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°共計(jì)9個(gè)測點(diǎn)。

1.3 測試工況

鋼波紋管涵洞管頂按照設(shè)計(jì)要求的一定厚度進(jìn)行填筑，通過壓實(shí)并驗(yàn)收通過后，方可進(jìn)行應(yīng)變及土壓力的采集，每次采集5組數(shù)據(jù)，取平均值。應(yīng)變與土壓力的測試工況一致(表1)。

表1 測試工況統(tǒng)計(jì)

2 鋼波紋管涵洞測試結(jié)果及分析

2.1 管內(nèi)切向應(yīng)變測試結(jié)果及分析

(1) 波峰切向應(yīng)變隨管頂填土高度增長的測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 波峰切向應(yīng)變隨填土高度增長分布規(guī)律

由圖3可知：① 總體上，管側(cè)90°、管周60°和45°為壓應(yīng)變，大小關(guān)系為：管周45°>管周60°>管頂90°；而拉應(yīng)變的大小關(guān)系為：管周135°>管周150°>管底180°>管頂0°>管周30°>管周120°；② 不同角度應(yīng)變值增長率先增大后減小，其中管周135°為最大拉應(yīng)變，而最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在管周45°；③ 填土2.2～13.0 m過程中，各角度應(yīng)變值突然增大，這是由于管頂1 m范圍的黃土碾壓不充分(為避免破壞鋼波紋管，未采用大型機(jī)械進(jìn)行壓實(shí))，填至管頂上2.2 m時(shí)，對管頂黃土進(jìn)行了充分碾壓，應(yīng)變值增長幅度較大；管頂填土16.2～20.1 m時(shí)，各角度應(yīng)變值幾乎不變，這是由于土體與鋼波紋管之間產(chǎn)生了土拱效應(yīng)，減小了鋼波紋管內(nèi)壁受力。

(2) 波谷切向應(yīng)變隨管頂填土高度增長測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 波谷切向應(yīng)變隨填土高度增長分布規(guī)律

由圖4可得出：① 管頂填土2.2～13.0 m，應(yīng)變增長幅度最大，這是由于管頂1 m范圍的黃土碾壓不充分，后期充分碾壓形成的應(yīng)變值增長較大；而當(dāng)填筑16.2～20.1 m過程中，由于形成土拱效應(yīng)，應(yīng)變值幾乎不變；② 與波峰規(guī)律相反，波谷在管周45°拉應(yīng)變最大，而管周135°壓應(yīng)變最大。

(3) 波側(cè)切向應(yīng)變隨管頂填土高度增長測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 波側(cè)切向應(yīng)變隨填土高度增長分布規(guī)律

由圖5得出：① 波側(cè)的應(yīng)變變化規(guī)律與波峰和波谷相似，前期波動(dòng)增長，中期(管頂填土2.2～13.0 m)快速增長，后期(管頂填土16.2～20.1 m)趨于穩(wěn)定；② 總體來看，波側(cè)作為波峰和波谷過渡區(qū)，主要為力的傳遞作用，受力較小。

(4) 對比圖3～5，可以看出：① 管頂填筑黃土較薄時(shí)(即2.2 m以內(nèi))，部分位置應(yīng)變值出現(xiàn)拉、壓交替變化的情形，這可能是小型夯機(jī)在施工過程中對鋼波紋管有一定的影響，鋼波紋管各角度應(yīng)力出現(xiàn)重新分布的情況；② 總體上，管頂填土不斷增加時(shí)，應(yīng)變均逐漸增大。對比波峰和波谷可以看出，相同測點(diǎn)的應(yīng)變性質(zhì)剛好不同，具有互補(bǔ)性；③ 綜合對比波峰、波谷和波側(cè)的應(yīng)變值，得出波峰的管周135°為最大拉應(yīng)變，其值為232 με，波谷的管周135°為最大壓應(yīng)變，其值為-195 με，均小于鋼材允許值，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

(5) 隨著測試位置的變化，波峰切向應(yīng)變結(jié)果如圖6所示。

圖6 波峰切向應(yīng)變隨角度變化分布規(guī)律

對圖6分析得出：① 應(yīng)變可分為3個(gè)部分：第一部分，鋼波紋管0°位置在整個(gè)填土過程為拉應(yīng)變，30°逐漸變?。坏诙糠?，管周45°→60°→90°為壓應(yīng)變逐漸減??；第三部分，管周120°→135°→180°再次變成拉應(yīng)變；② 45°和135°應(yīng)變值變化較大，表現(xiàn)為力的集中，現(xiàn)場填筑時(shí)采取必要的觀測；③ 沿著管頂0°→管底180°的不同角度的變化，應(yīng)變值也在不斷變化，總體上為拉應(yīng)變→壓應(yīng)變→拉應(yīng)變的變化過程。

(6) 波谷隨著測試位置的變化，波谷切向應(yīng)變結(jié)果見圖7。

圖7 波谷切向應(yīng)變隨角度變化分布規(guī)律

由圖7可得：波谷應(yīng)變值在管頂0°→管底180°的范圍，出現(xiàn)壓應(yīng)變→拉應(yīng)變→壓應(yīng)變交替變化的現(xiàn)象。

(7) 隨著測試位置變化波側(cè)切向應(yīng)變結(jié)果見圖8。

圖8 波側(cè)切向應(yīng)變隨角度變化分布規(guī)律

由圖8可得出：① 管周45°、管周120°→180°均為拉應(yīng)變，且120°→180°變化過程為先逐漸變大至135°為最大值，后逐漸隨著測試位置變化而減小。管頂0°→30°、管周60°→90°均為拉應(yīng)變，且都有增大的趨勢；② 波側(cè)在管周45°、135°和管側(cè)90°出現(xiàn)應(yīng)力集中。但同一角度的應(yīng)變與波峰、波谷相比，數(shù)值上比較小。

(8) 對比圖6～8可得出：① 從整個(gè)測試角度來看，相同角度波峰和波谷的應(yīng)變變化規(guī)律恰好相反，并且具有一定的周期性和互補(bǔ)性；② 波峰、波谷和波側(cè)在管周45°和135°位置均出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測。

2.2 管內(nèi)軸向應(yīng)變變化規(guī)律分析

波峰、波谷、波側(cè)軸向應(yīng)變隨填土高度增長的變化規(guī)律見圖9。

圖9 軸向應(yīng)變隨填土高度增長分布規(guī)律

由圖9可得出以下規(guī)律：

(1) 管頂填土初期，即小于4.1 m，波峰、波谷和波側(cè)的軸向應(yīng)變變化曲線相似，管周不同角度拉、壓應(yīng)變交替且增幅較小；當(dāng)管頂填土4.1～13.0 m過程中，應(yīng)變值開始快速增加，這是由于管頂黃土在管頂1 m范圍碾壓不充分，后充分碾壓，應(yīng)變值增長幅度較大；管頂填土16.2～20.1 m，應(yīng)變值開始緩慢增加并趨于平穩(wěn)，此時(shí)形成土拱效應(yīng)。

(2) 波谷和波峰同一角度應(yīng)變值相反，具有一定互補(bǔ)性。

(3) 軸向應(yīng)變變化規(guī)律與切向相似，但整體略小，說明鋼波紋管涵洞以切向受力為主、軸向受力為輔。

2.3 管外徑向土壓力測試結(jié)果及分析

(1) 管外徑向土壓力隨填土高度變化的測試結(jié)果見圖10。

圖10 管外徑向土壓力隨填土高度的變化規(guī)律

由圖10可以得出：① 施工過程中，各角度徑向土壓力值隨填土高度的增加而逐漸增大，且增長率先大后?。虎?填土初期(管頂填土4.1 m以內(nèi))，各角度徑向土壓力值迅速增加，增長率最大，大小關(guān)系為：管底180°>管側(cè)90°>管周120°>管頂0°>管周60°>管周45°>管周150°>管周30°。填土至4.1～13.0 m，管外各角度徑向土壓力值出現(xiàn)快速增大；填土后期(管頂填土16.2～20.1 m)各角度徑向土壓力值趨于穩(wěn)定，此時(shí)形成土拱效應(yīng)；③ 各個(gè)測點(diǎn)的徑向土壓力值均以拋物線的形式增長。填筑至管頂上4.1 m時(shí)應(yīng)進(jìn)行觀測，防止鋼波紋管產(chǎn)生較大變形。

(2) 管外徑向土壓力隨測試位置變化的測試結(jié)果見圖11。

圖11 管外徑向土壓力隨測試位置的變化規(guī)律

由圖11可以得出：① 不同角度徑向土壓力隨填土高度增長幅度不同，最大土壓力值在管底180°位置，最小土壓力值在管周135°位置；② 從整個(gè)圓周角度來看，管外各角度徑向土壓力從管頂0°→管底180°的變化趨勢為：減小→迅速增大→急劇減小→增大。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算與測試結(jié)果對比分析

(1) 采用極限狀態(tài)法對直徑5 m、波形400 mm×150 mm、壁厚8 mm的鋼波紋管涵洞進(jìn)行計(jì)算，最大填土高度約為15 m。

(2) 鋼波紋管涵洞現(xiàn)場實(shí)際填土達(dá)到20.1 m，并沒有較大的變形，現(xiàn)場應(yīng)用安全穩(wěn)定。這主要由于鋼波紋管涵洞與土體形成了土拱效應(yīng)，抵消了一部分受力。因此在高填方路基鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)考慮土拱效應(yīng)對填土高度的影響。

(3) 對于高填方路基，鋼波紋管涵洞與周圍土體形成土拱效應(yīng)的關(guān)鍵在于施工時(shí)應(yīng)控制好鋼波紋管管周土體的壓實(shí)度，管周兩側(cè)應(yīng)對稱均勻碾壓，確保填筑質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1) 鋼波紋管涵洞內(nèi)壁波峰、波谷和波側(cè)的切向應(yīng)變，初期各角度應(yīng)力重新分布，填土中期快速增長，后期增長緩慢。波峰和波谷變化規(guī)律正好相反，具有互補(bǔ)性，且隨角度變化具有一定的周期性規(guī)律。管周45°和135°位置均出現(xiàn)了應(yīng)力集中，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測。

(2) 鋼波紋管涵洞內(nèi)壁波峰、波谷和波側(cè)的軸向應(yīng)變，變化趨勢與切向相似，但整體值比切向略小。說明鋼波紋管涵洞主要為切向受力，軸向受力為輔，共同受力有利于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

(3) 鋼波紋管涵洞徑向土壓力初期增長較快、增幅較大，但填土后期形成土拱效應(yīng)，土壓力值幾乎不變。從整個(gè)圓周角度來看，存在減小→迅速增大→急劇減小→增大的變化過程。

(4) 鋼波紋管涵洞可解決濕陷性黃土特殊地質(zhì)修筑混凝土涵洞時(shí)，地基下沉引起混凝土涵洞產(chǎn)生裂縫等問題，且具有造價(jià)低、施工速度快、環(huán)保等優(yōu)勢，推廣應(yīng)用前景廣闊。