高填方路基中鋼波紋管涵洞土壓力分析

摘 要：波紋管涵洞由于其適應(yīng)能力強，受力條件好，施工方便，造價低而被廣泛應(yīng)用，本文通過對高填方鋼波紋管涵洞進行野外現(xiàn)場試驗以及有限元模擬研究，通過分層測量高填方路基中土壓力的方法分析鋼波紋管涵洞管周和管外各點所受力的大小，為今后高填方路基中鋼波紋管涵洞的建設(shè)提供參考資料。

關(guān)鍵詞：高填方鋼波紋管涵洞;現(xiàn)場試驗;分層填筑;土壓力;結(jié)果分析

引言

波紋管最早誕生于英國，1896年美國率先進行波紋板通道、涵管的可行性研究，并首次應(yīng)用于涵洞。直至20世紀90年代末我國才逐步開展公路鋼波紋管涵洞的應(yīng)用、研究及生產(chǎn)。中交第一勘察設(shè)計院有限公司李祝龍教授認為鋼波紋管涵洞由于軸向波紋的存在使其具有優(yōu)良的受力特征，軸向和徑向同時分布因荷載引起的應(yīng)力應(yīng)變，可最多程度上分散荷載效應(yīng)[1]。在歐美國家，公路建設(shè)更注重環(huán)保，在設(shè)計中盡量少破壞天然山體，盡量減少高填方深挖路基，所以有關(guān)高填方涵洞的研究成果很少，更多的是低填方涵洞或者明涵的試驗研究[2]。所以對高填方鋼波紋管涵洞的研究就更少了，范曉明等認為鋼波紋管涵洞在高填方路基上應(yīng)用是具有一定優(yōu)勢的，因其抗變形能力和抗沉降能力較強強，使得其在軟土、膨脹土和濕限性較強地基承載力較低的地區(qū)應(yīng)用的比較多，且其效果相對較好[3]。史成萬等認為高填方鋼波紋管涵洞施工時回填高度滿足最小填土高度后，便可按正常路基填筑方法進行其他施工。對鋼波紋管角隅回填要特別慎重，高填方涵洞尤應(yīng)注意[4]。本文通過現(xiàn)場試驗，對高填方鋼波紋管涵洞的力學(xué)性能做了很好的闡述。

1 現(xiàn)場涵洞土壓力測試方法

本文主要是采用現(xiàn)場試驗的方法進行高填方鋼波紋管涵洞土壓力的研究。

1.1 測試涵洞概況

本文以鄭州至盧氏高速公路洛寧至盧氏K89+317直徑4米單管波紋鋼涵洞現(xiàn)場試驗試驗為依據(jù)。該涵洞進出口采用漿砌片石鋪砌，波紋管材質(zhì)為Q235，采用熱浸鍍鋅涂料防腐，用片狀拼裝相連。本實驗涵洞波紋管在路中線的填土高度為19.36米

1.2 現(xiàn)場實驗方案

通過埋設(shè)應(yīng)變片和壓力盒測定不同邊界條件下的鋼波紋涵管洞的受力和變形特征。

1.2.1壓力盒埋置方案

土壓力布點：路中4m和5.8m處的管周徑向0°、30°、60°、90°、120°、150°各2個（如圖1、2所示），與0°高度對應(yīng)的路基部分（水平方向管外3米和8米）分別布設(shè)各2 個，共布設(shè)16個。其中150°處貼著管壁的為1號，沿著管壁向上依次為2-6號，另一斷面（路中5.8m處）對應(yīng)1號的為7號，然后在沿著管壁依次向上為8-12號，水平方向管外3m的分別為13、14號，對應(yīng)00位置水平方向管外8m的兩個壓力盒為15、16號。壓力盒的具體布設(shè)見下圖。

2.鋼波紋管涵洞現(xiàn)場測試過程

2.1 測試步驟

①將壓力盒埋入預(yù)先布置的點的土中，并測一下初始值;

②分層填土，每填一層測一下壓力盒數(shù)據(jù);

③當填到預(yù)先布置點的時候接著埋壓力盒，并測量其初始值;

④填到一定高度時，在不同位置加汽車荷載并記錄相應(yīng)的壓力盒數(shù)據(jù);

⑤整理實驗數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果及分析

3.1鋼波紋管涵洞的徑向土壓力

對于本此實驗，回填開挖的土體時是分層回填的，主要分13種工況，具體工況情況見下表。

4施工過程中涵洞土壓力測試研究

4.1管周外側(cè)土壓力變化

4.1.1管頂填土0～6米管周外側(cè)土壓力變化

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，將管頂填土0～6m管周外側(cè)土壓力在行車道位置土壓力測試結(jié)果整理如下圖3。

從上圖可以得出如下結(jié)論。

（1）隨著填土高度從管頂填筑至管頂+5.90m，管周外側(cè)各測點（除管周90°測點外）土壓力都逐漸增加;

（2）管周90°處土壓力基本為零或為負值（可能受到局部影響為負值），說明管中間側(cè)部水平土壓力值較低;

（3）管頂和管周60°處土壓力相對其他角度偏大些，這兩處所受到的土壓力較大;

（4）隨著填土高度的變化，土壓力的大小值存在變化的可能，即存在外部壓力因填土高度差異的壓力重新分部，但在填土高于管頂3～6m之間，其大小次序基本不變，僅數(shù)值上存在變化的差異。

（5）管周120°處土壓力與填土高度的增長斜率小于其他角度相應(yīng)的增長率。

4.1.2鋼波紋管涵洞管頂與管外路基土壓力對比

1）隨著填土高度的增加，依然是：管外3m和8m處路基土壓力大于同一水平標高的管頂0°垂直土壓力;管外3米處路基土壓力>管外8米處路基土壓力。

2）根據(jù)增長的趨勢，隨著土體的增加，管頂土壓力有可能大于或者等于管外8m處路基土壓力，這是因為隨著填土高度的增加，鋼波紋管對土壓力的影響越來越小。

5.結(jié)論

（1）高填方路基鋼波紋管涵洞管周外側(cè)各點所受到的土壓力比較復(fù)雜，在一定填土高度內(nèi)，鋼波紋管管周外側(cè)各點（除管周90°測點外）的土壓力隨著填土高度增加而增加。

（2）對于鋼波紋管涵洞，當管頂填土高度一樣時，管周各點的土壓力值不同，其中管周60°處的土壓力最大，管中處土壓力最小，并且數(shù)值幾乎在0值附近。

參考資料：

[1]李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設(shè)計與施工技術(shù)研究[M].西安：中 交第一公路勘察設(shè)計研究院，2003.

[2]周世生.高路堤涵洞空間豎向壓力理論及結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化研究 [D]，西安：長安大學(xué)，2008.

[3]范曉明.淺議鋼波紋管涵在高填方應(yīng)路基上的應(yīng)用[J]，企業(yè)導(dǎo)報，2012（10）：294.

[4]史成萬.鋼波紋管涵在高填方路基上的應(yīng)用[J]，公路與汽運，2007，1（1）： 122-124.

[5]梁鐘琪.土力學(xué)及路基[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[6]王秉勇.涵洞頂填土壓力的討論及計算[J].鐵道工程學(xué)報， 2002 （2）： 50-54.

[7]李祝龍，劉百來.鋼波紋管涵洞力學(xué)性能現(xiàn)場試驗研究[J].公 路交通科技， 2006， 23 （3）： 79-82.

[8]陳昌偉·波形鋼板結(jié)構(gòu)及其在公路工程中的應(yīng)用[J].公路， 2000 （7）： 48-54.

作者簡介：

孫秀凱：

出生日期：1987.4

單位：中冶京誠工程技術(shù)有限公司