東北季凍區大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征分析

李長江　李祝龍　胡濱　梁養輝　郭力源

摘要：針對東北季凍區大孔徑鋼波紋管涵內壁切向應變及外壁土壓力現場測試，得出波峰、波谷、波側應變變化規律：填土初期均為拉應變，隨著填土高度的增加，一些測點由拉應變轉化為壓應變（均在管周120°出現變化），且有增大趨勢；管壁外側土壓力隨著填土高度增加，且0°垂直土壓力大于其他角度徑向土壓力；綜合分析管內壁應變及管外土壓力可得出管周90°處受力最不均勻，在鋼波紋管生產、安裝時采取一定的加固措施。

關鍵詞：季凍區；土壓力；鋼波紋管涵洞；受力分析

中圖分類號：U449.83文獻標志碼：B

Abstract： The change rule of strain at wave peak， trough and lateral was obtained by running field tests on the tangential strain on the inner wall and earth pressure on the outer wall of steel corrugated culvert with large aperture in northeastern seasonal frost region. It is said that at some gauging points （at 120° around the steel pipe）， tensile strain turns into compressive strain following the increase of the height of fill； earth pressure on the outer wall increases along with the height of fill， with earth pressure at the angle of 0° being the biggest； at 90° around the steel pipe， the uneven force is at its peak， so reinforcement measures should be taken during the mounting.

Key words： seasonal frost region； earth pressure； steel corrugated culvert； force analysis

0引言

鶴崗至大連高速公路季節性凍土區修建的常規鋼筋混凝土結構涵洞，通道施工時經常遇到多雨等氣候環境，直接影響工程質量和施工進度。鋼波紋管涵是采用波紋狀管或波紋狀弧形板通過連接、拼裝形成的一種橋涵形式。采用鋼波紋管涵、通道，不僅可以解決多雨等氣候環境影響工程質量和施工進度的技術難題，而且可以適應地基變形，減少不均勻沉降[13]。考慮地基處理、基礎工程等費用，鋼波紋管結構涵洞的造價比鋼筋混凝土結構更低，且具有施工速度快、省略養生、不受氣溫影響等優勢[45]。從這些優點出發，鶴崗至大連高速公路對鋼波紋管結構應用的需求極為迫切。

目前中國已經對小孔徑鋼波紋管涵洞（直徑小于3 m）進行了大量研究及應用，但對大孔徑鋼波紋管涵洞研究較少，且其多在中國中部、南方等平原地區應用[67]。國內對季凍區大孔徑鋼波紋管涵洞尚未開展研究，為拓展其應用范圍和研究領域，很有必要開展季凍區高速公路大孔徑鋼波紋管涵洞的技術研究。

為更好地解決季凍區混凝土涵洞出現的不均勻沉降、裂縫、凍脹疲勞破壞等病害，鶴大高速利用鋼波紋管涵洞代替混凝土涵洞，取得了很好的效果。

本文依托現場試驗工程，探討季凍區大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征，包括管內應變及管外土壓力變化規律[811]，對東北季凍區大孔徑鋼波紋管涵洞的力學性能作出闡述。

1試驗方案

1.1測試涵洞基本情況

以鶴大高速公路9標樁號K694+633直徑4 m的鋼波紋管涵洞為依托項目，鋼波紋管波高55 mm、波長200 mm，采用Q235A熱軋鋼板制成，防腐工藝采用表面熱浸鍍鋅，且現場安裝前管壁內外均勻涂刷瀝青進行二次防腐[1213]。進出口為八字墻結構。

1.2試驗儀器布置

1.2.1應變片布置

通過對鋼波紋管涵洞管周內壁不同角度粘貼應變片，測定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的應變規律。應變片分別布置在路中心0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°、150°、180°的波峰、波谷、波側，這3個測試斷面沿管周徑向布設，共計27個測點。具體布設如圖1、2所示。

1.2.2土壓力盒布置

通過對鋼波紋管涵洞管周外壁不同角度布置土壓力盒，測定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的土壓力變化規律。管周外壁土壓力盒分別布置在路中心0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°位置，管壁與壓力盒之間距離為6 cm，并采用細砂填充，分層填筑壓實，共計7個測點，如圖3所示。

1.3測試工況

管內應變及管外土壓力測試工況相同，具體如表1所示。

2測試結果及分析

2.1路中管內壁切向應變測試結果分析

2.1.1路中波峰隨填土高度增加的切向應變變化

由圖4可以看出：當填土至管頂上0.2 m時，整體為拉應變；隨著填土高度的增加，管頂0°、管側15°、管側150°、管底180°拉應變值逐漸增大，

圖4路中波峰隨填土高度增加切向應變變化規律

但管側120°處填土至路基頂時拉應變值減小，這可能是由于應變片粘貼不牢固所致；管側30°、管側45°、管側60°、管側90°在填土至管頂上05 m時轉變為壓應變，然后隨著填土高度的增加逐漸增大；填土初期各測點應變值有重新分布的過程，當填土至路基頂（管頂上1.6 m）時，管頂和管底位置附近以拉應變為主，而管中90°位置附近以壓應變為主。

2.1.2路中波谷隨填土高度增加的切向應變變化

由圖5可以看出：當填土到管頂上0.2 m時，整體為拉應變；隨著填土高度的增加，管側120°、管側150°、管側180°初期（管頂上0.5～1.0 m）應變增長較快，后期（管頂上1.6 m）應變增長趨于平穩；其余測點隨著填土高度的增加，拉應變與壓應變在0值附近交替變化，最終整體為壓應變。

2.1.3路中波側隨填土高度增加的切向應變變化

由圖6可以看出：當填土至管頂上0.2 m時，整體依然為拉應變；隨著填土高度的增加，管頂0°至管側90°應變值逐漸增大，管側120°至管底180°初期為拉應變，后轉化為壓應變；填土初期各測點應變值有重新分布的過程，當填土至路基頂（管頂上1.6 m）時，鋼波紋管涵洞上半圓整體受拉，下半圓整體受壓。

2.1.4路中波峰、波谷、波側隨填土高度增加的切向應變對比分析

由圖4～6可以看出：總體上，路中波峰、波谷、波側變化規律相似，填土初期均為拉應變，隨著填土高度的增加，分為2個階層，一些測點由拉應變轉化為壓應變，且有壓應變繼續增加的趨勢，另一些測點壓應變逐漸增大；而不同點在于，波峰管頂和管底位置以拉應變為主，而管中90°位置以壓應變為主；波谷為拉應變與壓應變在0值交替變化；波側為整個圓管上半圓整體受拉，下半圓整體受壓。

2.1.5路中波峰沿管周的切向應變變化

由圖7可以看出，各工況下整體上管頂0°～15°為拉應變逐漸減小，30°轉化為壓應變（填土至管頂上0.2 m時接近0值），45°～90°先增大后減小（在管周60°為最大），120°轉化為拉應變，后逐漸增大。

管頂0°、15°、120°、150°及180°處受拉應力，其他管周角度位置受壓應力。在管周60°處出現應力集中。

2.1.6路中波谷沿管周的切向應變變化

由圖8可以看出，除填土至管頂上1.6 m外，整體上各角度均為拉應變，且管周0°～90°應變增長緩慢，120°～180°增長迅速。當填土至管頂上16 m時，各角度應力重新分布，0°～90°為壓應變，且在管周30°時壓應變最大；120°～180°為拉應變，在管底180°時拉應變最大。

2.1.7路中波側沿管周的切向應變變化

由圖9可以看出，整體上管頂0°至管周120°為拉應變，先逐漸增大，到90°后迅速減小；管周150°～180°不同填土高度應變不同，有正有負，總體上趨于平穩。90°位置應力集中。

2.1.8路中波峰、波谷、波側沿管周的切向應變對比分析

由圖7～9可以看出，波峰、波谷、波側均在管周120°出現拉壓應變交替變化。波峰在管頂0°～120°（除了0°和15°）整體為壓應變；管周150°～180°為拉應變；波谷整體上各角度均為拉應變；波側在管頂0°至管周120°為拉應變；管周150°至管底180°總體上為壓應變，且趨于平穩。

波峰、波側分別在管周60°、90°處出現應力集中，且都在管周120°出現拉壓應變交替變化。因此施工時管周60°、90°、120°應作為重點部位進行觀測。

2.2路中管外壁土壓力測試結果分析

各工況下管周外壁土壓力測試結果如圖10所示。

由圖10可以看出以下幾點。

（1） 隨著填土高度從管頂上0.2 m填筑至路基頂（管頂上1.6 m），管周外側土壓力逐漸增加。

（2） 90°處土壓力基本為零或負值（可能受到局部影響），說明管中部位水平土壓力值較低。

（3） 填土高度超過管頂上0.5 m時，徑向土壓力由大到小為0°、30°、120°、60°、150°；填土高度大于管頂上0.5 m時，總體上徑向土壓力由大到小為0°、30°、60°、120°、150°。

（4） 120°處土壓力與填土高度的增長斜率小于其他角度，總體較低。

（5） 由于施工使壓力盒毀壞，管底180°處土壓力值未能測出。

將圖10繪制成按角度變化的趨勢，如圖11。

從圖11中能更直接地看出以下幾點。

（1） 隨著角度從管頂至管底變化， 0°～90°壓力值逐漸減小，在90°處出現低谷值（接近0），之后120°逐漸增加，150°又減小。

（2） 總體上，各工況的變化基本趨勢一致，僅120°～150°填土至路基頂時（管頂上1.6 m）表現為土壓力增加，填土高度較小時表現為土壓力減小，說明管外土壓力隨著填土高度增加存在力的重新分布。

3結語

首次在東北季凍區進行了大孔徑鋼波紋管涵洞現場試驗，得出管內應變及管外土壓力的變化規律，對鋼波紋管涵洞在該地區設計、施工有一定的借鑒作用。主要規律如下。

（1） 路中管內波峰、波谷、波側應變變化規律相似，填土初期均為拉應變，隨著填土高度的增加，可分為2個階層：一些測點由拉應變轉化為壓應變，且有壓應變繼續增加的趨勢；另一些測點壓應變逐漸增大。

（2） 波峰、波谷、波側均在管周120°出現拉壓應力交替變化。波峰、波側分別在管周60°和90°處出現應力集中。因此施工時管周60°、90°、120°應作為重點部位進行觀測。

（3） 隨著填土高度增加，路中管壁外側土壓力逐漸增加，且0°垂直土壓力大于其他角度徑向土壓力。

（4） 管周90°既在管周內側應變時出現應力集中，又在管外土壓力出現極值，說明此處受力最不均勻，因此鋼波紋管生產、安裝及施工時應在此處采取一定的加固措施。

（5） 通過此鋼波紋管涵洞的施工應用及后續檢測，整體穩定性要優于同類混凝土涵洞。鋼波紋管作為一種環境友好型材料，避免了對天然路基及自然環境的破壞和干擾，最大程度地保持原有生態環境平衡，取得了顯著的環保效益。

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[責任編輯：譚忠華]