李長(zhǎng)江　李祝龍　胡濱　梁養(yǎng)輝　郭力源

摘要：針對(duì)東北季凍區(qū)大孔徑鋼波紋管涵內(nèi)壁切向應(yīng)變及外壁土壓力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出波峰、波谷、波側(cè)應(yīng)變變化規(guī)律：填土初期均為拉應(yīng)變，隨著填土高度的增加，一些測(cè)點(diǎn)由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變（均在管周120°出現(xiàn)變化），且有增大趨勢(shì)；管壁外側(cè)土壓力隨著填土高度增加，且0°垂直土壓力大于其他角度徑向土壓力；綜合分析管內(nèi)壁應(yīng)變及管外土壓力可得出管周90°處受力最不均勻，在鋼波紋管生產(chǎn)、安裝時(shí)采取一定的加固措施。

關(guān)鍵詞：季凍區(qū)；土壓力；鋼波紋管涵洞；受力分析

中圖分類號(hào)：U449.83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： The change rule of strain at wave peak， trough and lateral was obtained by running field tests on the tangential strain on the inner wall and earth pressure on the outer wall of steel corrugated culvert with large aperture in northeastern seasonal frost region. It is said that at some gauging points （at 120° around the steel pipe）， tensile strain turns into compressive strain following the increase of the height of fill； earth pressure on the outer wall increases along with the height of fill， with earth pressure at the angle of 0° being the biggest； at 90° around the steel pipe， the uneven force is at its peak， so reinforcement measures should be taken during the mounting.

Key words： seasonal frost region； earth pressure； steel corrugated culvert； force analysis

0引言

鶴崗至大連高速公路季節(jié)性凍土區(qū)修建的常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵洞，通道施工時(shí)經(jīng)常遇到多雨等氣候環(huán)境，直接影響工程質(zhì)量和施工進(jìn)度。鋼波紋管涵是采用波紋狀管或波紋狀弧形板通過(guò)連接、拼裝形成的一種橋涵形式。采用鋼波紋管涵、通道，不僅可以解決多雨等氣候環(huán)境影響工程質(zhì)量和施工進(jìn)度的技術(shù)難題，而且可以適應(yīng)地基變形，減少不均勻沉降[13]。考慮地基處理、基礎(chǔ)工程等費(fèi)用，鋼波紋管結(jié)構(gòu)涵洞的造價(jià)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更低，且具有施工速度快、省略養(yǎng)生、不受氣溫影響等優(yōu)勢(shì)[45]。從這些優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，鶴崗至大連高速公路對(duì)鋼波紋管結(jié)構(gòu)應(yīng)用的需求極為迫切。

目前中國(guó)已經(jīng)對(duì)小孔徑鋼波紋管涵洞（直徑小于3 m）進(jìn)行了大量研究及應(yīng)用，但對(duì)大孔徑鋼波紋管涵洞研究較少，且其多在中國(guó)中部、南方等平原地區(qū)應(yīng)用[67]。國(guó)內(nèi)對(duì)季凍區(qū)大孔徑鋼波紋管涵洞尚未開(kāi)展研究，為拓展其應(yīng)用范圍和研究領(lǐng)域，很有必要開(kāi)展季凍區(qū)高速公路大孔徑鋼波紋管涵洞的技術(shù)研究。

為更好地解決季凍區(qū)混凝土涵洞出現(xiàn)的不均勻沉降、裂縫、凍脹疲勞破壞等病害，鶴大高速利用鋼波紋管涵洞代替混凝土涵洞，取得了很好的效果。

本文依托現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程，探討季凍區(qū)大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征，包括管內(nèi)應(yīng)變及管外土壓力變化規(guī)律[811]，對(duì)東北季凍區(qū)大孔徑鋼波紋管涵洞的力學(xué)性能作出闡述。

1試驗(yàn)方案

1.1測(cè)試涵洞基本情況

以鶴大高速公路9標(biāo)樁號(hào)K694+633直徑4 m的鋼波紋管涵洞為依托項(xiàng)目，鋼波紋管波高55 mm、波長(zhǎng)200 mm，采用Q235A熱軋鋼板制成，防腐工藝采用表面熱浸鍍鋅，且現(xiàn)場(chǎng)安裝前管壁內(nèi)外均勻涂刷瀝青進(jìn)行二次防腐[1213]。進(jìn)出口為八字墻結(jié)構(gòu)。

1.2試驗(yàn)儀器布置

1.2.1應(yīng)變片布置

通過(guò)對(duì)鋼波紋管涵洞管周內(nèi)壁不同角度粘貼應(yīng)變片，測(cè)定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的應(yīng)變規(guī)律。應(yīng)變片分別布置在路中心0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°、150°、180°的波峰、波谷、波側(cè)，這3個(gè)測(cè)試斷面沿管周徑向布設(shè)，共計(jì)27個(gè)測(cè)點(diǎn)。具體布設(shè)如圖1、2所示。

1.2.2土壓力盒布置

通過(guò)對(duì)鋼波紋管涵洞管周外壁不同角度布置土壓力盒，測(cè)定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的土壓力變化規(guī)律。管周外壁土壓力盒分別布置在路中心0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°位置，管壁與壓力盒之間距離為6 cm，并采用細(xì)砂填充，分層填筑壓實(shí)，共計(jì)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

1.3測(cè)試工況

管內(nèi)應(yīng)變及管外土壓力測(cè)試工況相同，具體如表1所示。

2測(cè)試結(jié)果及分析

2.1路中管內(nèi)壁切向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

2.1.1路中波峰隨填土高度增加的切向應(yīng)變變化

由圖4可以看出：當(dāng)填土至管頂上0.2 m時(shí)，整體為拉應(yīng)變；隨著填土高度的增加，管頂0°、管側(cè)15°、管側(cè)150°、管底180°拉應(yīng)變值逐漸增大，

圖4路中波峰隨填土高度增加切向應(yīng)變變化規(guī)律

但管側(cè)120°處填土至路基頂時(shí)拉應(yīng)變值減小，這可能是由于應(yīng)變片粘貼不牢固所致；管側(cè)30°、管側(cè)45°、管側(cè)60°、管側(cè)90°在填土至管頂上05 m時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，然后隨著填土高度的增加逐漸增大；填土初期各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值有重新分布的過(guò)程，當(dāng)填土至路基頂（管頂上1.6 m）時(shí)，管頂和管底位置附近以拉應(yīng)變?yōu)橹?，而管?0°位置附近以壓應(yīng)變?yōu)橹鳌?

2.1.2路中波谷隨填土高度增加的切向應(yīng)變變化

由圖5可以看出：當(dāng)填土到管頂上0.2 m時(shí)，整體為拉應(yīng)變；隨著填土高度的增加，管側(cè)120°、管側(cè)150°、管側(cè)180°初期（管頂上0.5～1.0 m）應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，后期（管頂上1.6 m）應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨于平穩(wěn)；其余測(cè)點(diǎn)隨著填土高度的增加，拉應(yīng)變與壓應(yīng)變?cè)?值附近交替變化，最終整體為壓應(yīng)變。

2.1.3路中波側(cè)隨填土高度增加的切向應(yīng)變變化

由圖6可以看出：當(dāng)填土至管頂上0.2 m時(shí)，整體依然為拉應(yīng)變；隨著填土高度的增加，管頂0°至管側(cè)90°應(yīng)變值逐漸增大，管側(cè)120°至管底180°初期為拉應(yīng)變，后轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變；填土初期各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值有重新分布的過(guò)程，當(dāng)填土至路基頂（管頂上1.6 m）時(shí)，鋼波紋管涵洞上半圓整體受拉，下半圓整體受壓。

2.1.4路中波峰、波谷、波側(cè)隨填土高度增加的切向應(yīng)變對(duì)比分析

由圖4～6可以看出：總體上，路中波峰、波谷、波側(cè)變化規(guī)律相似，填土初期均為拉應(yīng)變，隨著填土高度的增加，分為2個(gè)階層，一些測(cè)點(diǎn)由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，且有壓應(yīng)變繼續(xù)增加的趨勢(shì)，另一些測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變逐漸增大；而不同點(diǎn)在于，波峰管頂和管底位置以拉應(yīng)變?yōu)橹?，而管?0°位置以壓應(yīng)變?yōu)橹?；波谷為拉?yīng)變與壓應(yīng)變?cè)?值交替變化；波側(cè)為整個(gè)圓管上半圓整體受拉，下半圓整體受壓。

2.1.5路中波峰沿管周的切向應(yīng)變變化

由圖7可以看出，各工況下整體上管頂0°～15°為拉應(yīng)變逐漸減小，30°轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變（填土至管頂上0.2 m時(shí)接近0值），45°～90°先增大后減小（在管周60°為最大），120°轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，后逐漸增大。

管頂0°、15°、120°、150°及180°處受拉應(yīng)力，其他管周角度位置受壓應(yīng)力。在管周60°處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2.1.6路中波谷沿管周的切向應(yīng)變變化

由圖8可以看出，除填土至管頂上1.6 m外，整體上各角度均為拉應(yīng)變，且管周0°～90°應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，120°～180°增長(zhǎng)迅速。當(dāng)填土至管頂上16 m時(shí)，各角度應(yīng)力重新分布，0°～90°為壓應(yīng)變，且在管周30°時(shí)壓應(yīng)變最大；120°～180°為拉應(yīng)變，在管底180°時(shí)拉應(yīng)變最大。

2.1.7路中波側(cè)沿管周的切向應(yīng)變變化

由圖9可以看出，整體上管頂0°至管周120°為拉應(yīng)變，先逐漸增大，到90°后迅速減??；管周150°～180°不同填土高度應(yīng)變不同，有正有負(fù)，總體上趨于平穩(wěn)。90°位置應(yīng)力集中。

2.1.8路中波峰、波谷、波側(cè)沿管周的切向應(yīng)變對(duì)比分析

由圖7～9可以看出，波峰、波谷、波側(cè)均在管周120°出現(xiàn)拉壓應(yīng)變交替變化。波峰在管頂0°～120°（除了0°和15°）整體為壓應(yīng)變；管周150°～180°為拉應(yīng)變；波谷整體上各角度均為拉應(yīng)變；波側(cè)在管頂0°至管周120°為拉應(yīng)變；管周150°至管底180°總體上為壓應(yīng)變，且趨于平穩(wěn)。

波峰、波側(cè)分別在管周60°、90°處出現(xiàn)應(yīng)力集中，且都在管周120°出現(xiàn)拉壓應(yīng)變交替變化。因此施工時(shí)管周60°、90°、120°應(yīng)作為重點(diǎn)部位進(jìn)行觀測(cè)。

2.2路中管外壁土壓力測(cè)試結(jié)果分析

各工況下管周外壁土壓力測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出以下幾點(diǎn)。

（1） 隨著填土高度從管頂上0.2 m填筑至路基頂（管頂上1.6 m），管周外側(cè)土壓力逐漸增加。

（2） 90°處土壓力基本為零或負(fù)值（可能受到局部影響），說(shuō)明管中部位水平土壓力值較低。

（3） 填土高度超過(guò)管頂上0.5 m時(shí)，徑向土壓力由大到小為0°、30°、120°、60°、150°；填土高度大于管頂上0.5 m時(shí)，總體上徑向土壓力由大到小為0°、30°、60°、120°、150°。

（4） 120°處土壓力與填土高度的增長(zhǎng)斜率小于其他角度，總體較低。

（5） 由于施工使壓力盒毀壞，管底180°處土壓力值未能測(cè)出。

將圖10繪制成按角度變化的趨勢(shì)，如圖11。

從圖11中能更直接地看出以下幾點(diǎn)。

（1） 隨著角度從管頂至管底變化， 0°～90°壓力值逐漸減小，在90°處出現(xiàn)低谷值（接近0），之后120°逐漸增加，150°又減小。

（2） 總體上，各工況的變化基本趨勢(shì)一致，僅120°～150°填土至路基頂時(shí)（管頂上1.6 m）表現(xiàn)為土壓力增加，填土高度較小時(shí)表現(xiàn)為土壓力減小，說(shuō)明管外土壓力隨著填土高度增加存在力的重新分布。

3結(jié)語(yǔ)

首次在東北季凍區(qū)進(jìn)行了大孔徑鋼波紋管涵洞現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出管內(nèi)應(yīng)變及管外土壓力的變化規(guī)律，對(duì)鋼波紋管涵洞在該地區(qū)設(shè)計(jì)、施工有一定的借鑒作用。主要規(guī)律如下。

（1） 路中管內(nèi)波峰、波谷、波側(cè)應(yīng)變變化規(guī)律相似，填土初期均為拉應(yīng)變，隨著填土高度的增加，可分為2個(gè)階層：一些測(cè)點(diǎn)由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，且有壓應(yīng)變繼續(xù)增加的趨勢(shì)；另一些測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變逐漸增大。

（2） 波峰、波谷、波側(cè)均在管周120°出現(xiàn)拉壓應(yīng)力交替變化。波峰、波側(cè)分別在管周60°和90°處出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此施工時(shí)管周60°、90°、120°應(yīng)作為重點(diǎn)部位進(jìn)行觀測(cè)。

（3） 隨著填土高度增加，路中管壁外側(cè)土壓力逐漸增加，且0°垂直土壓力大于其他角度徑向土壓力。

（4） 管周90°既在管周內(nèi)側(cè)應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中，又在管外土壓力出現(xiàn)極值，說(shuō)明此處受力最不均勻，因此鋼波紋管生產(chǎn)、安裝及施工時(shí)應(yīng)在此處采取一定的加固措施。

（5） 通過(guò)此鋼波紋管涵洞的施工應(yīng)用及后續(xù)檢測(cè)，整體穩(wěn)定性要優(yōu)于同類混凝土涵洞。鋼波紋管作為一種環(huán)境友好型材料，避免了對(duì)天然路基及自然環(huán)境的破壞和干擾，最大程度地保持原有生態(tài)環(huán)境平衡，取得了顯著的環(huán)保效益。

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[責(zé)任編輯：譚忠華]