高填方路基中鋼波紋管涵洞力學(xué)性能研究

孫秀凱 惠慧

【摘要】鋼波紋管涵洞有管節(jié)薄、質(zhì)量輕、便于疊置捆扎，存放運輸方便、施工組裝工藝簡單、生產(chǎn)周期和施工期短等特點，同時波紋管涵洞適應(yīng)能力強，受力條件好，造價低，故其具有很廣闊的應(yīng)用前景。本文通過分層填土分工況測量各測點的應(yīng)變值的方法對高填方鋼波紋管涵洞進(jìn)行野外現(xiàn)場試驗，結(jié)合相關(guān)鋼波紋管涵洞知識，從不同方面研究了鋼波紋管涵洞的力學(xué)性能，研究的結(jié)果表明：波紋管圓環(huán)位置波峰、波谷、波側(cè)隨管周角度變化其應(yīng)變數(shù)值也會相應(yīng)的變化；鋼波紋管圓環(huán)位置波峰波谷和波側(cè)隨著填土高度的增加變化規(guī)律不同。

【關(guān)鍵詞】高填方鋼波紋管涵洞；現(xiàn)場試驗；應(yīng)變；土壓力

0引言

波紋管最早誕生于英國，1896年美國率先進(jìn)行波紋板通道、涵管的可行性研究，并首次應(yīng)用于涵洞。直至20世紀(jì)90年代末我國才逐步開展公路鋼波紋管涵洞的應(yīng)用、研究及生產(chǎn)[1-2]。

現(xiàn)在鋼波紋管涵洞大多都應(yīng)用在低填方路基上，應(yīng)用在高填方路基上的比較少，對這方面的研究也很少。鋼波紋管涵優(yōu)勢鋼波紋管涵在高填方路基上應(yīng)用是具有一定優(yōu)勢的，因其抗變形能力和抗沉降能力較強強，使得其在軟土、膨脹土和濕限性較強地基承載力較低的地區(qū)應(yīng)用的比較多，且其效果相對較好[3]。

本文通過現(xiàn)場試驗，對高填方鋼波紋管涵洞的力學(xué)性能做了很好的闡述。

1 測試方法

1.1 測試涵洞概況

本文以鄭州至盧氏高速公路洛寧至盧氏段3標(biāo)直徑4米單管波紋鋼涵洞現(xiàn)場試驗試驗為依據(jù)。該涵洞進(jìn)出口采用漿砌片石鋪砌，波紋管材質(zhì)為Q235，采用熱浸鍍鋅涂料防腐，用片狀拼裝相連。波紋管在路中線填土高度為19.36米。

1.2 現(xiàn)場實驗方案

1.2.1現(xiàn)場應(yīng)變片布置方案

應(yīng)變片布點：路中0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°波峰、波谷、波側(cè)管周徑向布設(shè)，重復(fù)布設(shè)2次，計42點，0°、90°、180°波峰、波谷、波側(cè)布設(shè)軸向應(yīng)變測點，重復(fù)布設(shè)2次，計18?？傆嫅?yīng)變測點60個。具體布設(shè)見下圖所示。

圖1 波紋管涵洞測試應(yīng)變片分布圖

2 鋼波紋管涵洞現(xiàn)場測試過程

2.1 測試步驟

應(yīng)變測試步驟為：

①啟動發(fā)電機(jī)，接通儀器電源，啟動儀器，進(jìn)入主界面；

②初始化，檢查應(yīng)變片的連接情況并確保連接正常；

③測試初始值；

④施加汽車、壓路機(jī)或填土等荷載；

⑤測試各荷載工況下的應(yīng)變，保存/打印數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果及分析

3.1鋼波紋管涵洞的工況情況

3.2 鋼波紋管切向應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

3.2.1 波峰切向應(yīng)變

本文根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)。分析得出，在填土初期波紋管整體均產(chǎn)生較為明顯的拉應(yīng)變，當(dāng)填土至管頂0.5m時，管周30°、90°由最初的拉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，其余角度依然為拉應(yīng)力。隨著填土高度的增加，應(yīng)變值逐漸增加或減小。

3.2.2 路中波側(cè)隨填土高度增加切向應(yīng)變

根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)。分析得出，在填土初期波紋管整體均產(chǎn)生較為明顯的拉應(yīng)變，除90°外其它角度曲線比較平穩(wěn)，數(shù)值接近。隨著填土高度從管頂+1.98m至管頂+5.9m，波側(cè)除管壁60°、90°出現(xiàn)劇烈波動外，其它位置平穩(wěn)增加或減小。在施工中管頂2m可作為一個重點觀測點進(jìn)行監(jiān)測。

3.3 鋼波紋管軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

3.3.1 波峰軸向應(yīng)變

路中波峰隨填土高度變化軸向應(yīng)變變化趨勢如下圖所示。

圖2 波峰隨填土高度變化軸向應(yīng)變分析

分析得出，波峰不同位置隨著填土高度變化時的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。填土高度較低時，管頂0°所受拉應(yīng)變最大，管頂180°所受拉應(yīng)變最小，隨著填土高度的增加，管頂0°所受拉應(yīng)變變小，管中90°和管底180°位置應(yīng)變值較大且較為接近。且管頂0°、管中90°、管底180°三個位置隨填土高度的不斷增加，其軸向應(yīng)變所呈現(xiàn)的變化規(guī)律是較為接近的，均為拉應(yīng)變增加→拉應(yīng)變減小→拉應(yīng)變增加的變化規(guī)律。

3.3.2 波側(cè)軸向應(yīng)變

路中波側(cè)隨填土高度變化軸向應(yīng)變趨勢如下圖所示。

圖3 波側(cè)隨填土高度變化軸向應(yīng)變分析

分析得出，波側(cè)不同位置隨著填土高度變化時的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。填土高度較低時，管頂0°所受拉應(yīng)變最小，管頂180°所受拉應(yīng)變最大，隨著填土高度的增加，管中90°所受拉應(yīng)變最小，管底0°位置逐漸增大并出現(xiàn)最大值。而管底180°位置所受應(yīng)變較為穩(wěn)定，管頂0°和90°位置的應(yīng)變值隨著填土高度的變化不斷變化。

4 結(jié)論

（1）對于波峰切向應(yīng)變，隨著填土高度的增加，應(yīng)變值逐漸增大或縮?。粚τ诓ǚ遢S向應(yīng)變，隨著填土高度的增加，管頂0°所受拉應(yīng)變變小，管中90°和管底180°位置應(yīng)變值較大且較為接近。

（2）對于波側(cè)切向應(yīng)變，在填土初期波紋管整體均產(chǎn)生較為明顯的拉應(yīng)變；對于波側(cè)軸向應(yīng)變，波側(cè)不同位置隨著填土高度變化時的軸向應(yīng)變呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

（3）鋼波紋管軸向數(shù)據(jù)變化曲線在波峰和波側(cè)相似，說明鋼波紋管軸向受力調(diào)節(jié)性比較好，將力都均勻分配到軸向各點。

參考文獻(xiàn)：

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[3]范曉明.淺議鋼波紋管涵在高填方應(yīng)路基上的應(yīng)用[J]，企業(yè)導(dǎo)報，2012（10）：294.

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[5]中交第一公路勘察設(shè)計研究院·公路鋼波紋管涵洞設(shè)計與施工技術(shù)研究（報告集） [R]·2003·

[6]陳昌偉.波形鋼板結(jié)構(gòu)及其在公路工程中的應(yīng)用[J].公路，2000（7）：48.

[7]梁鐘琪.土力學(xué)及路基[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

項目簡介：鄭州至盧氏高速公路洛寧至盧氏段項目是《河南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分。

作者簡介：孫秀凱（1987-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士，從事道路工程研究。