高填方路基中钢波纹管涵洞土压力分析

摘 要：波纹管涵洞由于其适应能力强，受力条件好，施工方便，造价低而被广泛应用，本文通过对高填方钢波纹管涵洞进行野外现场试验以及有限元模拟研究，通过分层测量高填方路基中土压力的方法分析钢波纹管涵洞管周和管外各点所受力的大小，为今后高填方路基中钢波纹管涵洞的建设提供参考资料。

关键词：高填方钢波纹管涵洞;现场试验;分层填筑;土压力;结果分析

引言

波纹管最早诞生于英国，1896年美国率先进行波纹板通道、涵管的可行性研究，并首次应用于涵洞。直至20世纪90年代末我国才逐步开展公路钢波纹管涵洞的应用、研究及生产。中交第一勘察设计院有限公司李祝龙教授认为钢波纹管涵洞由于轴向波纹的存在使其具有优良的受力特征，轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变，可最多程度上分散荷载效应[1]。在欧美国家，公路建设更注重环保，在设计中尽量少破坏天然山体，尽量减少高填方深挖路基，所以有关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试验研究[2]。所以对高填方钢波纹管涵洞的研究就更少了，范晓明等认为钢波纹管涵洞在高填方路基上应用是具有一定优势的，因其抗变形能力和抗沉降能力较强强，使得其在软土、膨胀土和湿限性较强地基承载力较低的地区应用的比较多，且其效果相对较好[3]。史成万等认为高填方钢波纹管涵洞施工时回填高度满足最小填土高度后，便可按正常路基填筑方法进行其他施工。对钢波纹管角隅回填要特别慎重，高填方涵洞尤应注意[4]。本文通过现场试验，对高填方钢波纹管涵洞的力学性能做了很好的阐述。

1 现场涵洞土压力测试方法

本文主要是采用现场试验的方法进行高填方钢波纹管涵洞土压力的研究。

1.1 测试涵洞概况

本文以郑州至卢氏高速公路洛宁至卢氏K89+317直径4米单管波纹钢涵洞现场试验试验为依据。该涵洞进出口采用浆砌片石铺砌，波纹管材质为Q235，采用热浸镀锌涂料防腐，用片状拼装相连。本实验涵洞波纹管在路中线的填土高度为19.36米

1.2 现场实验方案

通过埋设应变片和压力盒测定不同边界条件下的钢波纹涵管洞的受力和变形特征。

1.2.1压力盒埋置方案

土压力布点：路中4m和5.8m处的管周径向0°、30°、60°、90°、120°、150°各2个（如图1、2所示），与0°高度对应的路基部分（水平方向管外3米和8米）分别布设各2 个，共布设16个。其中150°处贴着管壁的为1号，沿着管壁向上依次为2-6号，另一断面（路中5.8m处）对应1号的为7号，然后在沿着管壁依次向上为8-12号，水平方向管外3m的分别为13、14号，对应00位置水平方向管外8m的两个压力盒为15、16号。压力盒的具体布设见下图。

2.钢波纹管涵洞现场测试过程

2.1 测试步骤

①将压力盒埋入预先布置的点的土中，并测一下初始值;

②分层填土，每填一层测一下压力盒数据;

③当填到预先布置点的时候接着埋压力盒，并测量其初始值;

④填到一定高度时，在不同位置加汽车荷载并记录相应的压力盒数据;

⑤整理实验数据。

3 测试结果及分析

3.1钢波纹管涵洞的径向土压力

对于本此实验，回填开挖的土体时是分层回填的，主要分13种工况，具体工况情况见下表。

4施工过程中涵洞土压力测试研究

4.1管周外侧土压力变化

4.1.1管顶填土0～6米管周外侧土压力变化

根据现场试验数据，将管顶填土0～6m管周外侧土压力在行车道位置土压力测试结果整理如下图3。

从上图可以得出如下结论。

（1）随着填土高度从管顶填筑至管顶+5.90m，管周外侧各测点（除管周90°测点外）土压力都逐渐增加;

（2）管周90°处土压力基本为零或为负值（可能受到局部影响为负值），说明管中间侧部水平土压力值较低;

（3）管顶和管周60°处土压力相对其他角度偏大些，这两处所受到的土压力较大;

（4）随着填土高度的变化，土压力的大小值存在变化的可能，即存在外部压力因填土高度差异的压力重新分部，但在填土高于管顶3～6m之间，其大小次序基本不变，仅数值上存在变化的差异。

（5）管周120°处土压力与填土高度的增长斜率小于其他角度相应的增长率。

4.1.2钢波纹管涵洞管顶与管外路基土压力对比

1）隨着填土高度的增加，依然是：管外3m和8m处路基土压力大于同一水平标高的管顶0°垂直土压力;管外3米处路基土压力>管外8米处路基土压力。

2）根据增长的趋势，随着土体的增加，管顶土压力有可能大于或者等于管外8m处路基土压力，这是因为随着填土高度的增加，钢波纹管对土压力的影响越来越小。

5.结论

（1）高填方路基钢波纹管涵洞管周外侧各点所受到的土压力比较复杂，在一定填土高度内，钢波纹管管周外侧各点（除管周90°测点外）的土压力随着填土高度增加而增加。

（2）对于钢波纹管涵洞，当管顶填土高度一样时，管周各点的土压力值不同，其中管周60°处的土压力最大，管中处土压力最小，并且数值几乎在0值附近。

参考资料：

[1]李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究[M].西安：中 交第一公路勘察设计研究院，2003.

[2]周世生.高路堤涵洞空间竖向压力理论及结构型式优化研究 [D]，西安：长安大学，2008.

[3]范晓明.浅议钢波纹管涵在高填方应路基上的应用[J]，企业导报，2012（10）：294.

[4]史成万.钢波纹管涵在高填方路基上的应用[J]，公路与汽运，2007，1（1）： 122-124.

[5]梁钟琪.土力学及路基[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[6]王秉勇.涵洞顶填土压力的讨论及计算[J].铁道工程学报， 2002 （2）： 50-54.

[7]李祝龙，刘百来.钢波纹管涵洞力学性能现场试验研究[J].公 路交通科技， 2006， 23 （3）： 79-82.

[8]陈昌伟·波形钢板结构及其在公路工程中的应用[J].公路， 2000 （7）： 48-54.

作者简介：

孙秀凯：

出生日期：1987.4

单位：中冶京诚工程技术有限公司