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(qiáng)，受力條件好，施工方便，造價(jià)低而被廣泛應(yīng)用，本文通過對(duì)高填方鋼波紋管涵洞進(jìn)行野外現(xiàn)場試驗(yàn)以及有限元模擬研究，通過分層測(cè)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(diǎn)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(yàn);分層填筑;土壓力;結(jié)果分析

0 引言

波紋管最早誕生于英國，1896年美國率先進(jìn)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(jì)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(jì)院有限公司李祝龍教授認(rèn)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(shí)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(jì)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(yàn)研究[2]。所以對(duì)高填方鋼波紋管涵洞的研究就更少了，范曉明等認(rèn)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(shì)的，因其抗變形能力和抗沉降能力較強(qiáng)強(qiáng)，使得其在軟土、膨脹土和濕限性較強(qiáng)地基承載力較低的地區(qū)應(yīng)用的比較多，且其效果相對(duì)較好[3]。史成萬等認(rèn)為高填方鋼波紋管涵洞施工時(shí)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(jìn)行其他施工。對(duì)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(yàn)，對(duì)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(cè)試方法

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

1.1 測(cè)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(yàn)試驗(yàn)為依據(jù)。該涵洞進(jìn)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(shí)驗(yàn)涵洞波紋管在路中線的填土高度為19.36米

1.2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)方案

通過埋設(shè)應(yīng)變片和壓力盒測(cè)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(diǎn)：路中4m和5.8m處的管周徑向0°、30°、60°、90°、120°、150°各2個(gè)（如圖1、2所示），與0°高度對(duì)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(gè)，共布設(shè)16個(gè)。其中150°處貼著管壁的為1號(hào)，沿著管壁向上依次為2-6號(hào)，另一斷面（路中5.8m處）對(duì)應(yīng)1號(hào)的為7號(hào)，然后在沿著管壁依次向上為8-12號(hào)，水平方向管外3m的分別為13、14號(hào)，對(duì)應(yīng)00位置水平方向管外8m的兩個(gè)壓力盒為15、16號(hào)。壓力盒的具體布設(shè)見下圖。

2.鋼波紋管涵洞現(xiàn)場測(cè)試過程

2.1 測(cè)試步驟

①將壓力盒埋入預(yù)先布置的點(diǎn)的土中，并測(cè)一下初始值;

②分層填土，每填一層測(cè)一下壓力盒數(shù)據(jù);

③當(dāng)填到預(yù)先布置點(diǎn)的時(shí)候接著埋壓力盒，并測(cè)量其初始值;

④填到一定高度時(shí)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1鋼波紋管涵洞的徑向土壓力

對(duì)于本此實(shí)驗(yàn)，回填開挖的土體時(shí)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(cè)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(yàn)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(cè)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(cè)點(diǎn)（除管周90°測(cè)點(diǎn)外）土壓力都逐漸增加;

（2）管周90°處土壓力基本為零或?yàn)樨?fù)值（可能受到局部影響為負(fù)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(duì)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(duì)比

具體見下圖

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(biāo)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(shì)，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?yàn)殡S著填土高度的增加，鋼波紋管對(duì)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(diǎn)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(diǎn)（除管周90°測(cè)點(diǎn)外）的土壓力隨著填土高度增加而增加。

（2）對(duì)于鋼波紋管涵洞，當(dāng)管頂填土高度一樣時(shí)，管周各點(diǎn)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(jì)與施工技術(shù)研究[M].西安：中 ? ? 交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(bào)，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(yùn)，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(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào)， 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(yàn)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.

作者信息

孫秀凱：出生日期：1987.4單位：中冶京誠工程技術(shù)有限公司

惠慧：出生日期：1988.12 單位：河南省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

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