分层填筑钢波纹管涵洞的土压力值的测量与应用
2017-05-24孙栋
孙 栋
(湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410205)
分层填筑钢波纹管涵洞的土压力值的测量与应用
孙 栋
(湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410205)
对高填方钢波纹管涵洞的施工过程中进行土压力试验，分析分层填筑时高填方钢波纹管涵洞的不同位置的土压力变化规律。研究表明：钢波纹管上各个位置所受到的土压力与钢波纹管的填土高度成正比，即钢波纹管埋藏越浅，钢波纹管上各个位置所受到的土压力就越小。在分层填筑过程中不同层的土压力值也不相同，其中每一层中不同位置的钢波纹管也受不同的土压力。研究结论可对高填方钢波纹管涵洞施工变形问题起到一定的指导作用。
钢波纹管涵洞； 分层填筑； 土压力值测量
为了能够更好地适应地基与基础的变形，在高填方路基的分层填筑过程中常常采用柔性的高强度的钢波纹管涵洞[1-4]。在使用钢波纹管涵洞的过程当中，工程设计与施工人员利用钢波纹管涵洞自重轻、强度高、造价低等优点使其在软土和湿限性较强的地区得到广泛应用[5-9]。本研究通过试验分析钢波纹管涵洞不同位置的土压力值的变化对钢波纹管在分层填筑过程中的变形问题进行指导。
1 钢波纹管涵洞土压力测量方法及过程
1.1 钢波纹管涵洞土压力测试方法
本研究从工程中选取一段钢波纹管。经测试该钢管管身采用Q235A热轧钢板制作，钢板的屈服强度≥235 MPa，抗拉强度≥375 MPa。经测量所研究的涵洞波纹管的埋深为17.11 m。测试钢波纹管涵洞内外的土压力值要使用到压力盒，本研究将选取距路中2 m处的不同位置进行测量研究，如图1、图2所示。
图1 钢波纹管涵洞距路中2 m测试断面土压力盒布设图
图2 波纹管涵洞测试断面土压力盒布设示意图
1.2 钢波纹管涵洞土压力测量过程
本研究计划在距路中2 m处的管周径向不同角度上布置土压力的测量盒，测量一下布置点的初始测量值。然后分层填土并利用测量盒测出分层填筑的土压力。在分层填筑以后在路基顶部不同位置加机动车辆的荷载并测出此时的压力值。最后，整理测量出的试验数据并进行分析。
2 施工过程中涵洞土压力测试研究
在公路的施工过程中会涉及到分层填筑钢波纹管涵洞，本研究将取管顶上不同填土层为研究对象。在不同填土层上布置土压力的测量盒并测量出其压力值大小。下面分析几个不同高度的压力情况，分别是填土至管顶以上0.55、0.75、1.65、1.95、2.45、2.95、3.45、3.75、4.25、4.65、5.00、5.35、5.90 m的距离。
2.1 超车道和行车道位置土压力和填土高度的关系
图3、图4为施工过程中距管顶0～7 m管周外侧土压力在超车道和行车道上的测量值。
图3 超车道位置土压力测试结果
图4 行车道位置土压力测试结果
通过比较超车道和行车道位置上土压力的测试结果可以得到以下结论：
1) 在超车道和行车道上钢波纹管涵洞上的测点的土压力都会随着管顶填土高度的增大而增大。
2) 当管周径向为90°时管顶填土测点的土压力不会随着填土高度的增大而增大，而是基本保持在0压力的范围内，这说明钢波纹管中间侧部水平土压力值较低。
3) 在超车道上当管周径向为0°时钢波纹管涵洞上的测点的土压力比其他角度在相同填土高度的土压力都大，但是土压力值大的不明显。
4) 在行车道上当管周径向为60°时钢波纹管涵洞上的测点的土压力比其他角度在相同填土高度的土压力都大。
5) 当管周径向为120°时在超车道和行车道上各测点的土压力与管顶填土高度的增长斜率小于其他角度所对应的增长斜率。
6) 当管周径向为60°时在超车道和行车道上各测点的土压力与管顶填土高度的增长斜率大于其他角度所对应的增长斜率。
7) 在超车道上除了当管周径向为90°时各测点土压力值较低外，其他不同管周径向角度的各测点土压力值大小随管顶填土高度的增加而交替增长。
8) 在行车道上除了当管周径向为90°时各测点土压力值较低外，其他不同管周径向角度的各测点土压力值大小随管顶填土高度的增加而交替增长。但管周径向为60°时的各测点土压力值明显大于其他管周径向角度各测点的土压力值。
2.2 超车道和行车道位置土压力和管周角度的关系
图5、图6分别为行车道与超车道位置土压力与钢波纹管径向角度关系示意图。
图5 行车道位置土压力与钢波纹管径向角度关系示意图
图6 超车道位置土压力与钢波纹管径向角度关系示意图
通过比较超车道和行车道位置上土压力的测试结果可以得到以下结论：
1) 在超车道和行车道上钢波纹管涵洞上的各测点的土压力都会随着管顶填土高度的增大而增大。
2) 超车道上钢波纹管涵洞上的各测点的土压力略大于相同条件下行车道上钢波纹管涵洞上的各测点的土压力。这说明超车道对于钢波纹管抗压性能的要求更高。
3) 在超车道和行车道上当管周径向为60°时钢波纹管涵洞上的各测点的土压力出现峰值，这表明在管周径向为60°时管壁会形成应力集中。
4) 在超车道和行车道上当管周径向为90°时钢波纹管涵洞上的各测点的土压力出现低谷值(基本保持在0压力的范围内)，这与上文所总结的规律相同。
5) 在超车道和行车道上当管周径向从90°增加到120°时，钢波纹管涵洞上的各测点的土压力略有增加。
6) 在超车道和行车道上当管周径向从0°增加到30°时，钢波纹管涵洞上的各测点的土压力有增加也有减少。
7) 总的来讲在超车道和行车道上各工况的变化趋势基本保持一致。
3 结论
1) 虽然高填方路基的施工环境和各测点的测量情况比较复杂，但是在距管顶0～7 m填土高度的范围内超车道和行车道上钢波纹管涵洞上的各测点的土压力都会随着管顶填土高度的增大而增大。
2) 超车道上钢波纹管涵洞上的各测点的土压力略大于相同条件下行车道上钢波纹管涵洞上的各测点的土压力。这说明超车道对于钢波纹管抗压性能的要求更高。
3) 在超车道和行车道上当管周径向为60°时钢波纹管涵洞上的各测点的土压力出现峰值，这表明在管周径向为60°时管壁会形成应力集中。当管周径向为90°时钢波纹管涵洞上的各测点的土压力出现低谷值，基本保持在0压力的范围内。
4) 结合工程实际，由于钢波纹管管周不同角度的土压力随填土高度增长的变化不同，因此需要选用强度高、造价低的回填材料进行压实处理。
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2016-05-31
孙栋( 1983-) ，男，工程师，主要从事公路桥梁隧道工作。
1008-844X(2017)01-0149-03
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