湿陷性黄土地区高填方大孔径钢波纹管涵洞受力分析

2022-07-06解卫江梁凯胡滨何强

中外公路 2022年3期

解卫江，梁凯，胡滨，何强

(1.山西离隰高速公路有限公司，山西太原 030006； 2．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075；3．西安中交土木科技有限公司，陕西西安 710075； 4.西安工业大学，陕西西安 710021)

湿陷性黄土特殊地质修筑混凝土涵洞时，常常由于地基的下沉引起混凝土涵洞产生裂缝等问题，进而产生不均匀沉降引起涵洞的破坏。而钢波纹管涵洞可解决以上问题，且方便运输，现场拼装工艺简单，后期养护方便，更能适应湿陷性黄土的土质特点，推广前景广阔。公路工程中修筑钢波纹管涵洞具有很多优势，很有必要开展相关研究，特别是高填方、大孔径结构受力方面的研究，以得到其内壁应变及外壁土压力的变化规律。

1 试验方案

针对山西湿陷性黄土地区的特点，在离隰高速公路上进行直径5 m，波距400 mm×波高150 mm，壁厚8 mm钢波纹管涵洞的应用。钢波纹管涵洞管周两侧采用分层对称填筑，管周1 m和管顶填筑1 m范围内采用小型夯机进行夯实，其他区域采用25 t压路机压实。钢波纹管涵洞长度为170.6 m,测试位置为涵洞长度的中间位置。路基高度为20.1 m。

1.1 管内应变布置方案

在路中位置，波峰、波谷和波侧沿管周切向进行应变片布置，角度按以下分布：0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°，合计27个测试点位；同时沿管周轴向进行应变片布置，角度按以下分布：0°、45°、90°、135°和180°合计15个测试点位，切向和轴向合计42个测试点位。具体的布置位置如图1、2所示。

图1 应变片不同角度分布图

图2 应变片布置平面图

1.2 管外土压力盒布置方案

在路中位置钢波纹管外侧按照不同的角度分别贴着管壁埋设压力盒，角度按以下分布：0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°共计9个测点。

1.3 测试工况

钢波纹管涵洞管顶按照设计要求的一定厚度进行填筑，通过压实并验收通过后，方可进行应变及土压力的采集，每次采集5组数据，取平均值。应变与土压力的测试工况一致(表1)。

表1 测试工况统计

2 钢波纹管涵洞测试结果及分析

2.1 管内切向应变测试结果及分析

(1) 波峰切向应变随管顶填土高度增长的测试结果如图3所示。

图3 波峰切向应变随填土高度增长分布规律

由图3可知：① 总体上，管侧90°、管周60°和45°为压应变，大小关系为：管周45°>管周60°>管顶90°；而拉应变的大小关系为：管周135°>管周150°>管底180°>管顶0°>管周30°>管周120°；② 不同角度应变值增长率先增大后减小，其中管周135°为最大拉应变，而最大压应变出现在管周45°；③ 填土2.2～13.0 m过程中，各角度应变值突然增大，这是由于管顶1 m范围的黄土碾压不充分(为避免破坏钢波纹管，未采用大型机械进行压实)，填至管顶上2.2 m时，对管顶黄土进行了充分碾压，应变值增长幅度较大；管顶填土16.2～20.1 m时，各角度应变值几乎不变，这是由于土体与钢波纹管之间产生了土拱效应，减小了钢波纹管内壁受力。

(2) 波谷切向应变随管顶填土高度增长测试结果如图4所示。

图4 波谷切向应变随填土高度增长分布规律

由图4可得出：① 管顶填土2.2～13.0 m，应变增长幅度最大，这是由于管顶1 m范围的黄土碾压不充分，后期充分碾压形成的应变值增长较大；而当填筑16.2～20.1 m过程中，由于形成土拱效应，应变值几乎不变；② 与波峰规律相反，波谷在管周45°拉应变最大，而管周135°压应变最大。

(3) 波侧切向应变随管顶填土高度增长测试结果如图5所示。

图5 波侧切向应变随填土高度增长分布规律

由图5得出：① 波侧的应变变化规律与波峰和波谷相似，前期波动增长，中期(管顶填土2.2～13.0 m)快速增长，后期(管顶填土16.2～20.1 m)趋于稳定；② 总体来看，波侧作为波峰和波谷过渡区，主要为力的传递作用，受力较小。

(4) 对比图3～5，可以看出：① 管顶填筑黄土较薄时(即2.2 m以内)，部分位置应变值出现拉、压交替变化的情形，这可能是小型夯机在施工过程中对钢波纹管有一定的影响，钢波纹管各角度应力出现重新分布的情况；② 总体上，管顶填土不断增加时，应变均逐渐增大。对比波峰和波谷可以看出，相同测点的应变性质刚好不同，具有互补性；③ 综合对比波峰、波谷和波侧的应变值，得出波峰的管周135°为最大拉应变，其值为232 με，波谷的管周135°为最大压应变，其值为-195 με，均小于钢材允许值，结构安全稳定。

(5) 随着测试位置的变化，波峰切向应变结果如图6所示。

图6 波峰切向应变随角度变化分布规律

对图6分析得出：① 应变可分为3个部分：第一部分，钢波纹管0°位置在整个填土过程为拉应变，30°逐渐变小；第二部分，管周45°→60°→90°为压应变逐渐减小；第三部分，管周120°→135°→180°再次变成拉应变；② 45°和135°应变值变化较大，表现为力的集中，现场填筑时采取必要的观测；③ 沿着管顶0°→管底180°的不同角度的变化，应变值也在不断变化，总体上为拉应变→压应变→拉应变的变化过程。

(6) 波谷随着测试位置的变化，波谷切向应变结果见图7。

图7 波谷切向应变随角度变化分布规律

由图7可得：波谷应变值在管顶0°→管底180°的范围，出现压应变→拉应变→压应变交替变化的现象。

(7) 随着测试位置变化波侧切向应变结果见图8。

图8 波侧切向应变随角度变化分布规律

由图8可得出：① 管周45°、管周120°→180°均为拉应变，且120°→180°变化过程为先逐渐变大至135°为最大值，后逐渐随着测试位置变化而减小。管顶0°→30°、管周60°→90°均为拉应变，且都有增大的趋势；② 波侧在管周45°、135°和管侧90°出现应力集中。但同一角度的应变与波峰、波谷相比，数值上比较小。

(8) 对比图6～8可得出：① 从整个测试角度来看，相同角度波峰和波谷的应变变化规律恰好相反，并且具有一定的周期性和互补性；② 波峰、波谷和波侧在管周45°和135°位置均出现了应力集中，应进行重点观测。

2.2 管内轴向应变变化规律分析

波峰、波谷、波侧轴向应变随填土高度增长的变化规律见图9。

图9 轴向应变随填土高度增长分布规律

由图9可得出以下规律：

(1) 管顶填土初期，即小于4.1 m，波峰、波谷和波侧的轴向应变变化曲线相似，管周不同角度拉、压应变交替且增幅较小；当管顶填土4.1～13.0 m过程中，应变值开始快速增加，这是由于管顶黄土在管顶1 m范围碾压不充分，后充分碾压，应变值增长幅度较大；管顶填土16.2～20.1 m，应变值开始缓慢增加并趋于平稳，此时形成土拱效应。

(2) 波谷和波峰同一角度应变值相反，具有一定互补性。

(3) 轴向应变变化规律与切向相似，但整体略小，说明钢波纹管涵洞以切向受力为主、轴向受力为辅。

2.3 管外径向土压力测试结果及分析

(1) 管外径向土压力随填土高度变化的测试结果见图10。

图10 管外径向土压力随填土高度的变化规律

由图10可以得出：① 施工过程中，各角度径向土压力值随填土高度的增加而逐渐增大，且增长率先大后小；② 填土初期(管顶填土4.1 m以内)，各角度径向土压力值迅速增加，增长率最大，大小关系为：管底180°>管侧90°>管周120°>管顶0°>管周60°>管周45°>管周150°>管周30°。填土至4.1～13.0 m，管外各角度径向土压力值出现快速增大；填土后期(管顶填土16.2～20.1 m)各角度径向土压力值趋于稳定，此时形成土拱效应；③ 各个测点的径向土压力值均以抛物线的形式增长。填筑至管顶上4.1 m时应进行观测，防止钢波纹管产生较大变形。

(2) 管外径向土压力随测试位置变化的测试结果见图11。