濕陷性黃土地區高填方大孔徑鋼波紋管涵洞受力分析

解衛江， 梁凱， 胡濱， 何強

(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計研究院有限公司， 陜西 西安 710075；3．西安中交土木科技有限公司， 陜西 西安 710075； 4.西安工業大學， 陜西 西安 710021)

濕陷性黃土特殊地質修筑混凝土涵洞時，常常由于地基的下沉引起混凝土涵洞產生裂縫等問題，進而產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，且方便運輸，現場拼裝工藝簡單，后期養護方便，更能適應濕陷性黃土的土質特點，推廣前景廣闊。公路工程中修筑鋼波紋管涵洞具有很多優勢，很有必要開展相關研究，特別是高填方、大孔徑結構受力方面的研究，以得到其內壁應變及外壁土壓力的變化規律。

1 試驗方案

針對山西濕陷性黃土地區的特點，在離隰高速公路上進行直徑5 m，波距400 mm×波高150 mm，壁厚8 mm鋼波紋管涵洞的應用。鋼波紋管涵洞管周兩側采用分層對稱填筑，管周1 m和管頂填筑1 m范圍內采用小型夯機進行夯實，其他區域采用25 t壓路機壓實。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 管內應變布置方案

在路中位置，波峰、波谷和波側沿管周切向進行應變片布置，角度按以下分布：0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°，合計27個測試點位；同時沿管周軸向進行應變片布置，角度按以下分布：0°、45°、90°、135°和180°合計15個測試點位，切向和軸向合計42個測試點位。具體的布置位置如圖1、2所示。

圖1 應變片不同角度分布圖

圖2 應變片布置平面圖

1.2 管外土壓力盒布置方案

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

1.3 測試工況

鋼波紋管涵洞管頂按照設計要求的一定厚度進行填筑，通過壓實并驗收通過后，方可進行應變及土壓力的采集，每次采集5組數據，取平均值。應變與土壓力的測試工況一致(表1)。

表1 測試工況統計

2 鋼波紋管涵洞測試結果及分析

2.1 管內切向應變測試結果及分析

(1) 波峰切向應變隨管頂填土高度增長的測試結果如圖3所示。

圖3 波峰切向應變隨填土高度增長分布規律

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

(2) 波谷切向應變隨管頂填土高度增長測試結果如圖4所示。

圖4 波谷切向應變隨填土高度增長分布規律

由圖4可得出：① 管頂填土2.2～13.0 m，應變增長幅度最大，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變值增長較大；而當填筑16.2～20.1 m過程中，由于形成土拱效應，應變值幾乎不變；② 與波峰規律相反，波谷在管周45°拉應變最大，而管周135°壓應變最大。

(3) 波側切向應變隨管頂填土高度增長測試結果如圖5所示。

圖5 波側切向應變隨填土高度增長分布規律

由圖5得出：① 波側的應變變化規律與波峰和波谷相似，前期波動增長，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)趨于穩定；② 總體來看，波側作為波峰和波谷過渡區，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(即2.2 m以內)，部分位置應變值出現拉、壓交替變化的情形，這可能是小型夯機在施工過程中對鋼波紋管有一定的影響，鋼波紋管各角度應力出現重新分布的情況；② 總體上，管頂填土不斷增加時，應變均逐漸增大。對比波峰和波谷可以看出，相同測點的應變性質剛好不同，具有互補性；③ 綜合對比波峰、波谷和波側的應變值，得出波峰的管周135°為最大拉應變，其值為232 με，波谷的管周135°為最大壓應變，其值為-195 με，均小于鋼材允許值，結構安全穩定。

(5) 隨著測試位置的變化，波峰切向應變結果如圖6所示。

圖6 波峰切向應變隨角度變化分布規律

對圖6分析得出：① 應變可分為3個部分：第一部分，鋼波紋管0°位置在整個填土過程為拉應變，30°逐漸變??；第二部分，管周45°→60°→90°為壓應變逐漸減??；第三部分，管周120°→135°→180°再次變成拉應變；② 45°和135°應變值變化較大，表現為力的集中，現場填筑時采取必要的觀測；③ 沿著管頂0°→管底180°的不同角度的變化，應變值也在不斷變化，總體上為拉應變→壓應變→拉應變的變化過程。

(6) 波谷隨著測試位置的變化，波谷切向應變結果見圖7。

圖7 波谷切向應變隨角度變化分布規律

由圖7可得：波谷應變值在管頂0°→管底180°的范圍，出現壓應變→拉應變→壓應變交替變化的現象。

(7) 隨著測試位置變化波側切向應變結果見圖8。

圖8 波側切向應變隨角度變化分布規律

由圖8可得出：① 管周45°、管周120°→180°均為拉應變，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°均為拉應變，且都有增大的趨勢；② 波側在管周45°、135°和管側90°出現應力集中。但同一角度的應變與波峰、波谷相比，數值上比較小。

(8) 對比圖6～8可得出：① 從整個測試角度來看，相同角度波峰和波谷的應變變化規律恰好相反，并且具有一定的周期性和互補性；② 波峰、波谷和波側在管周45°和135°位置均出現了應力集中，應進行重點觀測。

2.2 管內軸向應變變化規律分析

波峰、波谷、波側軸向應變隨填土高度增長的變化規律見圖9。

圖9 軸向應變隨填土高度增長分布規律

由圖9可得出以下規律：

(1) 管頂填土初期，即小于4.1 m，波峰、波谷和波側的軸向應變變化曲線相似，管周不同角度拉、壓應變交替且增幅較??；當管頂填土4.1～13.0 m過程中，應變值開始快速增加，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，應變值增長幅度較大；管頂填土16.2～20.1 m，應變值開始緩慢增加并趨于平穩，此時形成土拱效應。

(2) 波谷和波峰同一角度應變值相反，具有一定互補性。

(3) 軸向應變變化規律與切向相似，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果及分析

(1) 管外徑向土壓力隨填土高度變化的測試結果見圖10。

圖10 管外徑向土壓力隨填土高度的變化規律

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??；② 填土初期(管頂填土4.1 m以內)，各角度徑向土壓力值迅速增加，增長率最大，大小關系為：管底180°>管側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定，此時形成土拱效應；③ 各個測點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時應進行觀測，防止鋼波紋管產生較大變形。

(2) 管外徑向土壓力隨測試位置變化的測試結果見圖11。

圖11 管外徑向土壓力隨測試位置的變化規律

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 設計計算與測試結果對比分析

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

(2) 鋼波紋管涵洞現場實際填土達到20.1 m，并沒有較大的變形，現場應用安全穩定。這主要由于鋼波紋管涵洞與土體形成了土拱效應，抵消了一部分受力。因此在高填方路基鋼波紋管涵洞設計時，可適當考慮土拱效應對填土高度的影響。

(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的關鍵在于施工時應控制好鋼波紋管管周土體的壓實度，管周兩側應對稱均勻碾壓，確保填筑質量。

4 結論

(1) 鋼波紋管涵洞內壁波峰、波谷和波側的切向應變，初期各角度應力重新分布，填土中期快速增長，后期增長緩慢。波峰和波谷變化規律正好相反，具有互補性，且隨角度變化具有一定的周期性規律。管周45°和135°位置均出現了應力集中，應進行重點觀測。

(2) 鋼波紋管涵洞內壁波峰、波谷和波側的軸向應變，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，共同受力有利于結構整體穩定。

(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，土壓力值幾乎不變。從整個圓周角度來看，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修筑混凝土涵洞時，地基下沉引起混凝土涵洞產生裂縫等問題，且具有造價低、施工速度快、環保等優勢，推廣應用前景廣闊。