納啟才+胡濱+梁養(yǎng)輝+李祝龍

0 引言

中國多年凍土分布面積約為2.15×106 平方公里，位居世界第三。公路是多年凍土開發(fā)與建設的先驅，作為公路工程中不可或缺的涵洞，更應引起足夠重視。因此解決多年凍土區(qū)涵洞穩(wěn)定性技術問題，對多年凍土區(qū)的開發(fā)與建設、確保多年凍土地區(qū)公路交通基礎建設順利實施，有著十分重要的意義。

多年凍土區(qū)混凝土涵洞出現(xiàn)的凍融會引起不均勻沉降、裂縫、橋頭“跳車”、凍脹疲勞破壞等病害。國道214線共和至玉樹段利用鋼波紋管涵洞代替混凝土涵洞，對以上病害取得了很好的處理效果，因此有必要對大管徑鋼波紋管涵洞施工過程中的受力特征進行研究[1-3]。

本文對G214共和至玉樹段K557+499直徑3 m的鋼波紋管涵洞進行現(xiàn)場測試，探討大孔徑鋼波紋管涵洞內側應變變化，對多年凍土區(qū)鋼波紋管涵洞的力學性能作出闡述，并對鋼波紋管涵洞的經濟和社會效益進行分析。

1 試驗原理

1.1 應變片的構成

力學測試主要以應變片作為傳感器，應變片是由敏感柵、基底、覆蓋層及引出線組成，如圖1所示。敏感柵是應變量轉化為電阻變化量的敏感部分；基底和覆蓋層具有定位和保護電阻絲與被測體絕緣的作用；引線起著連接測量導線的作用。

1.2 應變片的工作原理

應變片的工作原理是基于金屬絲的電阻應變效應，即金屬絲電阻隨機械變形而改變的物理現(xiàn)象。其在不同方向外力作用下，所產生的變形量（ε）不同。

1.3 電阻應變儀原理

電阻應變儀的作用就是將被測試構件因荷載作用引起的應變量轉換成電阻變化率（ΔR/R）?？梢钥闯觯灰獪y得電阻變化率值，就可以通過換算得到應變值（ε）。電橋是應變儀的重要組成部分，通過電橋可以將應變片轉換的電阻變化率轉換為電壓變化，再將電壓變化輸送至放大器加以放大。

電阻應變儀測量電橋的工作原理如圖2所示，由電工學相關知識可知電橋輸出電壓

當R1+R3=R2+R4，電橋輸出電壓U0=0，此時電橋處于平衡狀態(tài)，式（2）為電橋平衡條件。在平衡條件下，當橋臂4個電阻R1、R2、R3、R4分別產生電阻變化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時，利用平衡條件并略去非線性高階小量，則輸出電壓

因為，代入式（2）得

應變儀讀數(shù)為

則由式（3）可得

式（4）表明：應變儀讀數(shù)等于相對橋臂應變量相加，相鄰應變量相減。

2 試驗方案

2.1 測試涵洞基本情況

本文以G214共和至玉樹段K557+499處直徑3 m的鋼波紋管涵洞為依托項目。鋼波紋管波高55 mm，波長200 mm，采用Q235A熱軋鋼板制成，防腐采用表面熱浸鍍鋅，且現(xiàn)場安裝前管壁內外均勻涂刷防腐瀝青，進出口采用漿砌片石鋪砌[4-10]。

2.2 應變片布置

通過對鋼波紋管涵洞管周內壁不同角度粘貼應變片，測定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的應變變化規(guī)律[11-14]。

管周應變片布置：路中心0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°、210°、225°、240°、270°、300°、315°、330°處的波峰、波谷、波側3個測試斷面沿管周徑向布設，共計48個測點，具體布設如圖3、4所示。

管頂橫向應變片布置：沿管軸線方向自路中至邊坡，在管頂0°處的波峰、波谷位置均勻布設18個周向應變片。其中管頂波峰距路中心距離依次為2.2、3.4、4.6、5.8、7、8.8、10.6、11.8、13 m，共9個測點。管頂波谷距路中心距離依次為2.3、3.5、4.7、5.9、7.1、8.9、10.7、11.9、13.1 m，共9個測點。具體布設如圖5所示。

2.3 測試工況

測試工況如表1所示。

3 測試結果及分析

3.1 施工過程路中管周切向應變測試結果分析

3.1.1 路中波峰隨填土高度增加的切向應變變化

由圖6可以看出，當填土至管底+1.35 m時，除管周270°和300°外，整體上為壓應變，且數(shù)值較為接近。填土從管底+1.35 m至管底+1.95 m時，各測點壓應變先增大后減小，在填土至管底+1.65 m時壓應變達到最大值。隨著填土高度增加，在填土至管底+1.95 m時，管周一些測點由壓應變轉化為拉應變，而另一些壓應變數(shù)值幾乎不變。

3.1.2 路中波谷隨填土高度增加的切向應變變化

由圖7可以看出，當填土至管底+1.35 m時，除管頂0°、管周300°和315°外，整體上為壓應變，且曲線變化較為均勻。在填土至管底+1.65 m時出現(xiàn)應力集中。隨著填土高度的增加，在管底+2.275 m時，一些測點由壓應變轉化為拉應變，而另一些壓應變數(shù)值幾乎不變。

3.1.3 路中波側隨填土高度增加的切向應變變化

由圖8可以看出，隨著填土高度的增加，波側的變化規(guī)律與波峰、波谷相似，故不再重復論述。

3.1.4 路中波峰、波谷、波側隨填土高度增加的切向應變對比分析

由圖6～8可以看出，總體上路中波峰、波谷、波側變化規(guī)律相似：當填土至管底+1.35 m時，整體上為壓應變，且波谷曲線變化較為均勻。在填土至管底+1.65 m時出現(xiàn)應力集中及最大壓應變。隨著填土高度的增加，一些測點由壓應變轉化為拉應變，且有拉應變繼續(xù)增加的趨勢，一些壓應變數(shù)值幾乎不變。

3.1.5 路中波峰沿管周的切向應變變化

由圖9可以看出，管周0°～45°為壓應變，且隨角度的增大逐漸減??；60°轉化為拉應變；120°～240°為壓應變，數(shù)值相近；270°～330°為拉應變，先增大后減小，并在管周330°時轉化為壓應變。endprint

管周60°、270°、300°及315°為拉應力，其余角度為壓應力。管周60°處出現(xiàn)應力集中。

3.1.6 路中波谷沿管周的切向應變變化

由圖10可以看出，管周0°～45°應變有正有負；60°～240°為壓應變，數(shù)值相近；管周300°轉化為拉應變；300°～330°不同填土高度下變化不同，一部分拉應變逐漸減小，一部分壓應變逐漸增大。在管周90°處出現(xiàn)應力集中。

3.1.7 路中波側沿管周的切向應變變化

由圖11可以看出，管周30°～45°應變有正有負；60°轉化為壓應變，后逐漸減小；90°～240°整體為壓應變，壓力值接近；270°～330°不同填土高度下變化不同，一部分拉應變略微減小，一部分拉應變轉化為壓應變，并略微增大后又減小。在管周60°、300°處出現(xiàn)應力集中。

除個別點外，管周沿角度變化波側整體受壓應力，管頂0°應變值未能測出。

3.2 施工過程中管頂橫向位置波峰和波谷應變測試結果分析

3.2.1 管頂橫向位置波峰應變

由圖12可以看出，從管底+0.6 m填土至管底+1.65 m的過程中為拉應變，并逐漸減小。填土至管底+1.95 m時，距路中小于7 m處為壓應變，且隨著填土高度的增加而增大；距路中大于7 m處為拉應變，且隨著填土高度的增加而增大。

由圖13可以看出，波峰在距路中心5.8 m位置出現(xiàn)應力集中；距路中心大于11.8 m各測點均為拉應變，且數(shù)值接近。

3.2.2 管頂橫向位置波谷應變

由圖14可以看出，填土高度從管底+0.6 m增加至管底+2.895 m的過程中，波谷各測點整體上為拉應變。從管底+0.6 m填土至管底+1.35 m時，各測點應變值先減小后增大；再填土至管底+2.895時，應變值逐漸增大。

由圖15可以看出，同一填土高度，在距路中小于8.8 m位置（行車道）的應變大于距路中大于8.8 m位置（邊坡區(qū)域）的應變值。波谷在距路中心4.7 m位置的拉應變最大。

4 效益分析

4.1 經濟效益

采用鋼波紋管涵洞代替鋼筋混凝土涵洞，不僅極大地改善了公路地基變形和涵洞兩側的不均勻沉降問題，而且有效地減少了工程造價，取得了顯著的經濟效益。采用3 m以上孔徑時，鋼波紋管涵洞的造價可比鋼筋混凝土結構降低10%～30%，多孔則節(jié)約更多，經濟效益顯著。

4.2 社會效益

相對于鋼筋混凝土涵洞，鋼波紋管涵洞的應用，一方面節(jié)約了大量的石材、水泥，有利于環(huán)保；另一方面可以大幅縮短建設工期，使相對運營時間增加，充分體現(xiàn)其較高的經濟效益。特別是在局部地區(qū)（如寒冷地區(qū)）一年中施工期僅5～6個月，應用鋼波紋管涵洞更具有明顯的優(yōu)勢，國道214共有4處應用鋼波紋管涵洞，平均每處節(jié)省工期1～3個月。同時在青海玉樹搶險救災、地震抗洪中應用鋼波紋管涵洞更體現(xiàn)出其優(yōu)異的社會效益和經濟效益。

5 結語

根據(jù)因地制宜的原則，創(chuàng)新性地首次在青海高海拔多年凍土區(qū)采用直徑3 m大管徑鋼波紋管，并對其施工過程中管內壁應變值的變化情況進行檢測，總結出管壁應變的變化規(guī)律，對高海拔多年凍土區(qū)大管徑鋼波紋管涵洞的施工具有一定的參考作用。鋼波紋管涵洞管內壁應變變化規(guī)律具體如下。

（1）路中管周波峰、波谷、波側隨填土高度的變化規(guī)律相似：當填土至管底+1.35 m時，整體上為壓應變；填土至管底+1.65 m時出現(xiàn)應力集中；隨著填土高度的增加（至管底+2.895 m），一些測點由壓應變轉化為拉應變，且有拉應變繼續(xù)增加的趨勢，另一些測點壓應變幾乎不變。

（2）路中管周波峰、波谷、波側在管周0°～90°、管周270°～330°存在應力重新分布的過程，應變變化幅度較大；且分別在管周60°、90°、300°處出現(xiàn)應力集中。

（3）管頂橫向位置波峰、波谷處的應變都隨填土高度的增加整體上呈拋物線增長，規(guī)律較為明顯。波峰距路中心5.8 m位置處出現(xiàn)應力集中，波谷位于行車道應變整體上大于路基邊坡區(qū)域的應變。

（4） 高寒地區(qū)采用3 m以上孔徑鋼波紋管涵洞，造價比圬工涵洞低，可降低工程投資10%～30%，節(jié)省工期1～3個月，甚至更多。

（5）通過鋼波紋涵洞的施工應用及后續(xù)檢測，證明其整體穩(wěn)定性優(yōu)于同類混凝土涵洞。因此，在一定條件下大管徑鋼波紋管涵洞可在高海拔多年凍土區(qū)進行推廣應用。

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