多年凍土區(qū)鋼波紋管涵洞應(yīng)變測試及效益分析

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(shè)的先驅(qū)，作為公路工程中不可或缺的涵洞，更應(yīng)引起足夠重視。因此解決多年凍土區(qū)涵洞穩(wěn)定性技術(shù)問題，對多年凍土區(qū)的開發(fā)與建設(shè)、確保多年凍土地區(qū)公路交通基礎(chǔ)建設(shè)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(nèi)側(cè)應(yīng)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(jīng)濟和社會效益進行分析。

1 試驗原理

1.1 應(yīng)變片的構(gòu)成

力學測試主要以應(yīng)變片作為傳感器，應(yīng)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(yīng)變量轉(zhuǎn)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(dǎo)線的作用。

1.2 應(yīng)變片的工作原理

應(yīng)變片的工作原理是基于金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)，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(chǎn)生的變形量（ε）不同。

1.3 電阻應(yīng)變儀原理

電阻應(yīng)變儀的作用就是將被測試構(gòu)件因荷載作用引起的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化率（ΔR/R）?？梢钥闯?，只要測得電阻變化率值，就可以通過換算得到應(yīng)變值（ε）。電橋是應(yīng)變儀的重要組成部分，通過電橋可以將應(yīng)變片轉(zhuǎn)換的電阻變化率轉(zhuǎn)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(yīng)變儀測量電橋的工作原理如圖2所示，由電工學相關(guān)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(chǎn)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(yīng)變儀讀數(shù)為

則由式（3）可得

式（4）表明：應(yīng)變儀讀數(shù)等于相對橋臂應(yīng)變量相加，相鄰應(yīng)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(nèi)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(yīng)變片布置

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

管周應(yīng)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(cè)3個測試斷面沿管周徑向布設(shè)，共計48個測點，具體布設(shè)如圖3、4所示。

管頂橫向應(yīng)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(shè)18個周向應(yīng)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(shè)如圖5所示。

2.3 測試工況

測試工況如表1所示。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 施工過程路中管周切向應(yīng)變測試結(jié)果分析

3.1.1 路中波峰隨填土高度增加的切向應(yīng)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(yīng)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(yīng)變先增大后減小，在填土至管底+1.65 m時壓應(yīng)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(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，而另一些壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)變，且曲線變化較為均勻。在填土至管底+1.65 m時出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，而另一些壓應(yīng)變數(shù)值幾乎不變。

3.1.3 路中波側(cè)隨填土高度增加的切向應(yīng)變變化

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

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

由圖6～8可以看出，總體上路中波峰、波谷、波側(cè)變化規(guī)律相似：當填土至管底+1.35 m時，整體上為壓應(yīng)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(yīng)力集中及最大壓應(yīng)變。隨著填土高度的增加，一些測點由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，且有拉應(yīng)變繼續(xù)增加的趨勢，一些壓應(yīng)變數(shù)值幾乎不變。

3.1.5 路中波峰沿管周的切向應(yīng)變變化

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

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

3.1.6 路中波谷沿管周的切向應(yīng)變變化

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

3.1.7 路中波側(cè)沿管周的切向應(yīng)變變化

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

除個別點外，管周沿角度變化波側(cè)整體受壓應(yīng)力，管頂0°應(yīng)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(yīng)變測試結(jié)果分析

3.2.1 管頂橫向位置波峰應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力集中；距路中心大于11.8 m各測點均為拉應(yīng)變，且數(shù)值接近。

3.2.2 管頂橫向位置波谷應(yīng)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(yīng)變。從管底+0.6 m填土至管底+1.35 m時，各測點應(yīng)變值先減小后增大；再填土至管底+2.895時，應(yīng)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(yīng)變大于距路中大于8.8 m位置（邊坡區(qū)域）的應(yīng)變值。波谷在距路中心4.7 m位置的拉應(yīng)變最大。

4 效益分析

4.1 經(jīng)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(cè)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(jīng)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(jié)構(gòu)降低10%～30%，多孔則節(jié)約更多，經(jīng)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(yīng)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(shè)工期，使相對運營時間增加，充分體現(xiàn)其較高的經(jīng)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(yīng)用鋼波紋管涵洞更具有明顯的優(yōu)勢，國道214共有4處應(yīng)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(zāi)、地震抗洪中應(yīng)用鋼波紋管涵洞更體現(xiàn)出其優(yōu)異的社會效益和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)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(nèi)壁應(yīng)變值的變化情況進行檢測，總結(jié)出管壁應(yīng)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(nèi)壁應(yīng)變變化規(guī)律具體如下。

（1）路中管周波峰、波谷、波側(cè)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(yīng)變；填土至管底+1.65 m時出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，且有拉應(yīng)變繼續(xù)增加的趨勢，另一些測點壓應(yīng)變幾乎不變。

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

（3）管頂橫向位置波峰、波谷處的應(yīng)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(yīng)力集中，波谷位于行車道應(yīng)變整體上大于路基邊坡區(qū)域的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。

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