楊強(qiáng)強(qiáng)，丁小軍，王 旭，2，張升進(jìn)

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來(lái)，隨著管道在交通、水利、市政、礦山以及輸油等工程中的廣泛應(yīng)用，地下管道已成為現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)輸水、汽、油等資源的一種重要基礎(chǔ)設(shè)施，是除公路、鐵路、水運(yùn)和航空以外的第5大運(yùn)輸方式[1]。穿越道路鋪設(shè)地下管道的現(xiàn)象較為普遍，作用在地下管道的靜荷載主要是覆土土壓力，起主要作用的可變荷載則是車(chē)輛載荷引起的附加動(dòng)土壓力[2]。

路面的不平整度、車(chē)型的不同會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛輪胎產(chǎn)生較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)壓力，這種壓力直接施加于路面使其產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊，導(dǎo)致路基中某一點(diǎn)的附加動(dòng)土壓力大于車(chē)輛靜止時(shí)產(chǎn)生的壓力。隨著重載車(chē)輛日益增多，上述行駛中的車(chē)輛荷載動(dòng)力效應(yīng)將更加顯著[3]。劉大維等[4]建立三維有限元模型，采用移動(dòng)恒動(dòng)荷載對(duì)瀝青路面在重型車(chē)輛荷載作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)作了詳細(xì)分析；Sarkar等[5]通過(guò)多軸車(chē)輛作用于路面使其產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)，并對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析；劉偉等[6]針對(duì)車(chē)輛引起的豎向動(dòng)應(yīng)力隨速度的變化關(guān)系，提出了車(chē)輛速度系數(shù)，并推導(dǎo)出一種求解方法用來(lái)計(jì)算車(chē)輛荷載引起的附加動(dòng)應(yīng)力；Hyodo[7]利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)了交通荷載作用下不同深度的豎向動(dòng)土壓力，經(jīng)分析得到車(chē)輛荷載作用下路基土中某深度一點(diǎn)處的波形曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)變化呈現(xiàn)半波正弦，并得到附加豎向土壓力隨車(chē)速變化的關(guān)系;Alzabeebee等[8]同時(shí)考慮靜載和動(dòng)載應(yīng)用有限元分析對(duì)埋地管道進(jìn)行研究，找出了臨界荷載條件并進(jìn)行了參數(shù)化研究。Alzabeebee等[9]采用Boussinesq法對(duì)交通荷載作用下埋地管道的響應(yīng)進(jìn)行了嚴(yán)格的分析,發(fā)現(xiàn)Boussinesq法計(jì)算過(guò)于保守；魏星等[10]針對(duì)圓形均布荷載作用于地面的情形，通過(guò)數(shù)值積分推導(dǎo)了地基中某一點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力，并進(jìn)一步研究了荷載與地面接觸面積對(duì)附加應(yīng)力的影響；國(guó)內(nèi)外大多采用以地基中某一點(diǎn)處車(chē)輛動(dòng)荷載引起的附加動(dòng)應(yīng)力來(lái)界定影響深度，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的局限性，黃土地區(qū)車(chē)輛荷載作用引起的動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)稀少[11]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)車(chē)輛動(dòng)荷載作用下地基附加應(yīng)力的研究有所欠缺，設(shè)計(jì)規(guī)范中仍用計(jì)算靜力荷載的方法處理交通動(dòng)荷載對(duì)路基的影響[12-13]，采用Boussinesq法、分布角法計(jì)算管道頂部的附加壓力。采用靜力荷載作為車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)軸載，在一定程度上低估了路基土中應(yīng)力大小，是導(dǎo)致路基下方埋地管道早期損壞的主要原因之一，另外大多數(shù)管道服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)電化學(xué)和微生物腐蝕等各種病害，導(dǎo)致管道厚度減少，管道承載能力大幅度減小[14-15]，車(chē)輛重載或超載反復(fù)作用，超越管道承載能力的附加動(dòng)應(yīng)力傳遞至管道，導(dǎo)致地下管道薄弱位置產(chǎn)生應(yīng)力集中使其變形，嚴(yán)重將會(huì)引起管道局部失穩(wěn)、薄弱位置破裂滲漏[16]，引發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害。因此，研究車(chē)輛荷載引起的豎向土應(yīng)力傳遞規(guī)律至關(guān)重要。

本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定黃土路基下不同深度豎向土壓力，研究車(chē)輛荷載作用下豎向土壓力傳遞與擴(kuò)散規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和Boussinesq法、分布角法兩種理論計(jì)算對(duì)比的方法深入研究黃土路基動(dòng)應(yīng)力傳遞規(guī)律，從而為相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工及管道埋深選擇提供參考和指導(dǎo)，為進(jìn)一步研究交通荷載作用下動(dòng)土壓力響應(yīng)傳遞規(guī)律提供參考。

1 測(cè)試儀器及傳感器

1.1 測(cè)試儀器

此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用DH5937動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)，工作原理如圖1所示，此系統(tǒng)在測(cè)試和分析方面具有自動(dòng)、準(zhǔn)確和可靠性，并且可以對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力、壓力等多個(gè)物理量進(jìn)行測(cè)試和分析。因此，此系統(tǒng)是科研研究、工程設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)中作為動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量和分析的重要工具。

圖1 工作原理框圖Fig.1 Block diagram of working principle

1.2 土壓力盒傳感器及測(cè)點(diǎn)布置

由于本次試驗(yàn)要進(jìn)行路基車(chē)輛動(dòng)荷載的測(cè)量，本次試驗(yàn)選擇BW型土壓力盒傳感器，可以靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量，為防止不同埋深土壓力盒超載，分別選取0.2，0.3，0.6 MPa不同量程的壓力盒，直徑和厚度分別為60，11 mm，超載能力為120%，埋入土壤中，壓力盒接觸面要穩(wěn)固，試驗(yàn)時(shí)當(dāng)車(chē)輛荷載移動(dòng)至埋設(shè)土壓力盒正上方時(shí)，土壓力盒受到的壓力最大，在埋設(shè)土壓力盒時(shí)必須固定其方向和位置，與壓力盒受力面接觸的土要經(jīng)過(guò)處理使其直徑在1 mm左右。土壓力盒埋置時(shí)在靠近與應(yīng)變儀連接的一端進(jìn)行編號(hào)，埋設(shè)完畢將同一層的導(dǎo)線(xiàn)困在一起用PVC管保護(hù)。壓力盒埋設(shè)位置為車(chē)輛左右輪、中線(xiàn)、左2 m，由于汽車(chē)沿著中線(xiàn)位置駛過(guò)，車(chē)輛左右輪以中線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，所以?xún)H在離左輪2 m的位置進(jìn)行埋設(shè)壓力盒，土壓力盒測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2(圖中數(shù)字含義示例：2-3-600指第2層的3號(hào)壓力盒量程為600 kPa)。

圖2 壓力盒測(cè)點(diǎn)布置圖(單位:cm)Fig.2 Layout of pressure box measuring points(unit:cm)

2 工程概況

本次埋地管道現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)為某有限責(zé)任公司西部分公司一項(xiàng)目。試驗(yàn)場(chǎng)地位于蘭州市某縣，路基土質(zhì)為中濕粉質(zhì)土；試驗(yàn)車(chē)輛采用6×4三軸重型陜西德龍系列F3000自卸卡車(chē)，卡車(chē)裝載完畢進(jìn)行側(cè)重，軸載分配如表1所示。

表1 軸載分配Tab.1 Axle load distribution

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以直接反映車(chē)輛荷載通過(guò)埋設(shè)壓力盒路基時(shí)的豎向土壓力，本次試驗(yàn)路基經(jīng)過(guò)分層壓實(shí)處理。壓力盒埋深為0.2，0.4，0.6，0.8，1.2，1.8，2.4，3.0 m，車(chē)輛載重為空載(180 kN)、半載(350 kN)、滿(mǎn)載(520 kN)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，加載速度分別取10，20，30 km/h各測(cè)3次，各測(cè)點(diǎn)的最大豎向土壓力取其平均值。

圖3 不同埋深豎向土壓力曲線(xiàn)Fig.3 Vertical earth pressure curves of different buried depths

選取車(chē)輛載重為滿(mǎn)載(520 kN)，速度選取30 km/h，壓力盒埋深為0.2，0.4，0.6，0.8，1.2，1.8，2.4，3.0 m，左輪正下方不同埋深應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，滿(mǎn)載大卡車(chē)(520 kN)豎向土壓力影響深度超過(guò)1.8 m。隨路基深度增加土壓力被逐漸擴(kuò)散吸收，卡車(chē)通過(guò)路基時(shí)最大覆土豎向土壓力由深到淺呈衰減趨勢(shì)。埋深0.2 m 時(shí)最大動(dòng)應(yīng)力為47.9 kPa，3 m時(shí)衰減到2.2 kPa，衰減幅度為93.7%。0.2～0.6 m衰減幅度為21.1%，0.6～1.2 m衰減幅度為54.1%，1.2 m埋深以下覆土豎向土壓力衰減較為緩慢,1.2～3 m衰減幅度為20.2%。隨著深度增加，應(yīng)力出現(xiàn)滯后效應(yīng)，0.2～1.2 m豎向土壓力時(shí)程曲線(xiàn)有3個(gè)峰值，依次由前軸輪胎、后軸前輪、后軸后輪引起，后輪通過(guò)時(shí)引起的峰值比前輪峰值大得多，這是由于大卡車(chē)裝載重量較大，較大比例的重量分配到后輪。1.2 m以下峰值變?yōu)?個(gè)，前輪駛過(guò)埋設(shè)測(cè)試儀器正上方時(shí)引起第1個(gè)峰值，由于后軸雙驅(qū)間距較小，第2個(gè)峰值為后軸雙驅(qū)輪胎共同引起。

4 管頂附加車(chē)輛輪壓計(jì)算

4.1 Boussinesq法

Boussinesq法[17-19]是依據(jù)彈性半空間理論方法計(jì)算車(chē)輪輪壓，并得到附加壓力在土中的傳遞與擴(kuò)散規(guī)律，當(dāng)路基表面施加集中輪壓P時(shí)(圖4)，任意一點(diǎn)處M(x,y,z)的豎向附加車(chē)輪壓力σz為:

(1)

式中R為集中輪壓P作用點(diǎn)至任意一點(diǎn)M處的距離。

圖4 集中輪壓土體附加應(yīng)力Fig.4 Additional stress of soil under concentrated wheel pressure

將車(chē)輪與地面接觸的面假設(shè)為矩形，長(zhǎng)和寬用a，b表示，車(chē)輛荷載分配給每個(gè)車(chē)輪的應(yīng)力為P(圖5所示)。車(chē)輪作用于地面其作用點(diǎn)用(x,y)表示，車(chē)輪均布?jí)毫ψ饔梦⒚娣e為dxdy，則集中力可用p0dxdy代替，路基深度為z的位置由車(chē)輪應(yīng)力引起的豎向附加應(yīng)力可用式(2)計(jì)算:

(2)

圖5 均布輪壓土體附加應(yīng)力Fig.5 Additional stress of soil under uniform wheel pressure

對(duì)地面受力面積積分可得到式(3):

(3)

算例分析：本算例工況為車(chē)速30 km/h，載重 520 kN，因車(chē)輛后輪壓力最大，測(cè)得后軸重為386 kN，在不同埋深為0.2，0.4，0.6，0.8，1.2，1.8，2.4，3.0 m工況下，考慮某一輪壓(a=0.6 m，b=0.2 m，單個(gè)輪子P0=386/4=96.5 kPa)，利用Boussinesq法計(jì)算得到管頂附加應(yīng)力如表2所示。

表2 管頂附加應(yīng)力隨深度變化表Tab.2 Additional stress of pipe top varying with depth

4.2 分布角法

分布角法[13]即車(chē)輛單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值Qvk按車(chē)輪與地面接觸面積的邊緣以某一角度沿路基深度向下傳遞至管頂，不同路基擴(kuò)散角度不同。假設(shè)車(chē)輛荷載引起的附加壓力均勻分布在管道頂部，如圖6所示。

圖6 管頂附加輪壓分布角法示意圖Fig.6 Schematic diagram of pipe top additional wheel pressure distribution angle method on

根據(jù)《給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332—2002)，車(chē)輛荷載作用在埋地管道上方，單個(gè)輪胎產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞至管道頂部，引起的豎向附加壓力標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)式(4)計(jì)算:

(4)

式中，qvk為管頂豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；Qvk為輪壓標(biāo)準(zhǔn)值；a、b分別為輪胎與地面接觸的長(zhǎng)和寬；H為路面至管頂?shù)拇怪本嚯x；μd為車(chē)輛輪壓動(dòng)載系數(shù)，可按表3采用。

表3 動(dòng)力系數(shù)表Tab.3 Dynamic coefficient table

算例分析：分布角法計(jì)算工況的相關(guān)參數(shù)與Boussinesq法相同，采用分布角法計(jì)算附加壓力時(shí)，由于應(yīng)力擴(kuò)散沿著路基深度有一定的擴(kuò)散角度(取35°)，在分布角法計(jì)算式中用系數(shù)1.4等效表示，而實(shí)際路基工程中，由于路基結(jié)構(gòu)及土質(zhì)的不同附加應(yīng)力擴(kuò)散的角度也不同。管頂豎向附加壓力標(biāo)準(zhǔn)值如表4所示。

表4 不同深度附加壓力標(biāo)準(zhǔn)值Tab.4 Standard values of additional pressure at different depths

5 試驗(yàn)與理論計(jì)算對(duì)比分析

由于受到試驗(yàn)場(chǎng)地限制，卡車(chē)行駛速度取10，20，30 km/h，載重取空載、半載、滿(mǎn)載，測(cè)得在不同深度引起的路基土豎向土壓力峰值曲線(xiàn)如圖7所示，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與Boussinesq法、分布角法理論計(jì)算對(duì)比分析，不難發(fā)現(xiàn)：(1)從圖7曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，卡車(chē)在空載、半載時(shí)動(dòng)應(yīng)力峰值均在理論計(jì)算之內(nèi)，理論計(jì)算保守，卡車(chē)滿(mǎn)載時(shí)豎向土壓力受速度影響較大，分布角法比Boussinesq法保守。(2)載重對(duì)路基土壓力影響較大，豎向土壓力隨載重的增加而增大，但并非線(xiàn)性關(guān)系，此趨勢(shì)土體淺層比深層更加明顯，卡車(chē)速度30 km/h，埋深0.6 m時(shí)，從空載、半載到滿(mǎn)載增幅分別為65.7%，51%，在 0.8 m 以下豎向土壓力峰值非常接近且變化幅度不明顯；(3)速度對(duì)路基土附加豎向動(dòng)應(yīng)力影響較小，當(dāng)車(chē)輛荷載較大時(shí)，輪胎對(duì)路面會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，本次試驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)卡車(chē)滿(mǎn)載時(shí)，速度越大，豎向土壓力越大，且增大幅值較小，在1.2 m埋深以下速度對(duì)豎向土壓力基本無(wú)影響。(4)根據(jù)規(guī)范，車(chē)行道下天然氣管道的埋設(shè)深度不得小于0.9 m，從圖7(c)可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)地下管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論計(jì)算方法逐漸不能滿(mǎn)足現(xiàn)代超載、超速現(xiàn)狀，超載、超速對(duì)地下管道造成嚴(yán)重威脅。

圖7 理論與試驗(yàn)覆土壓力對(duì)比曲線(xiàn)Fig.7 Comparison curves theoretical and experimental covering earth pressures

6 結(jié)論

通過(guò)車(chē)輛不同載重、不同速度對(duì)黃土路基下不同深度豎向土壓力測(cè)試分析，并與分布角法和Boussinesq法兩種理論方法對(duì)比分析，得到以下結(jié)論:

(1)隨著深度增大路基豎向土壓力逐漸衰減，在路基0.2～1.2 m衰減幅度達(dá)到75%以上，0.6 m 附近時(shí)衰減最快，1.2 m以下變化幅度不再明顯。

(2)載重對(duì)豎向土壓力的影響較為顯著，空載時(shí)前后輪引起的土壓力峰值相差較小，滿(mǎn)載時(shí)后輪比前輪峰值大的多，由于土體出現(xiàn)應(yīng)力滯后效應(yīng)，1.2 m以上出現(xiàn)3個(gè)峰值，1.2 m以下變?yōu)閮蓚€(gè)峰值。

(3)在路面平整度良好且車(chē)輛未超載的情況下，速度在10～30 km/h范圍內(nèi)，隨著載重增大，速度對(duì)豎向土壓力的影響增大，且增大幅值較小。

(4)車(chē)輛載重為空載(180 kN)、半載(350 kN)分別以速度10，20 km/h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，分布角法和Boussinesq法兩種理論計(jì)算相比試驗(yàn)結(jié)果均較為保守，1.8 m以下Boussinesq法計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相接近。

(5)車(chē)輛滿(mǎn)載(520 kN)、行駛速度為30 km/h工況下，Boussinesq法計(jì)算具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，本研究試驗(yàn)未對(duì)超載、超速工況測(cè)試，所獲數(shù)據(jù)有限，但依據(jù)卡車(chē)空載、半載、滿(mǎn)載及不同速度對(duì)豎向土壓力的影響規(guī)律，車(chē)輛超載、超速將對(duì)理論計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地下管道造成嚴(yán)重威脅。