回填施工對鋼帶增強(qiáng)聚乙烯螺旋波紋管涵受力性能影響研究

劉保東，董寒林，范淵博，黃學(xué)偉，田子瀚

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.國道331 線北銀根至路井段公路工程建設(shè)管理辦公室，內(nèi)蒙古 阿拉善盟左旗 750306）

高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）管因其重量輕、成本低、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［1］.鋼帶增強(qiáng)PE 管采用鋼肋承受荷載，HDPE 覆層防止鋼材受到腐蝕，并且能夠一起承受荷載，克服了高密度聚乙烯管強(qiáng)度低、蠕變變形大、內(nèi)襯翹曲開裂的可能性大等缺點(diǎn)以及鋼管易腐蝕的缺陷.鋼帶增強(qiáng)PE 管由于其結(jié)構(gòu)受到損傷時(shí)的變形大于2%，故可歸類為柔性管［2］.柔性管道在回填壓實(shí)管道兩側(cè)土體時(shí)，會造成管道豎向相對變形增加和水平相對變形減小，呈豎向橢圓狀，這種行為被稱為“峰值撓度”［3］.

國內(nèi)外學(xué)者對鋼帶增強(qiáng)PE 管的受力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究.Talesnick等［4］指出回填施工質(zhì)量對鋼帶增強(qiáng)PE 管受力性能的影響顯著.不規(guī)范的施工會導(dǎo)致鋼帶增強(qiáng)PE 管在荷載作用下有更大的變形.顏春等［5］通過對已鋪設(shè)管道的跟蹤調(diào)查和材料性能試驗(yàn)對鋼帶增強(qiáng)PE 管受力及變形的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，分析總結(jié)了該類管材的病害形式及特征.田子瀚［6］指出鋼帶增強(qiáng)PE 管是典型的柔性結(jié)構(gòu)，鋼波紋管抵抗變形能力比鋼帶增強(qiáng)PE 管強(qiáng)，但塑性性能比鋼帶增強(qiáng)PE 管弱.魏超［7］通過不同溫度下的平板加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度變化對鋼帶增強(qiáng)PE 管受力性能的影響不顯著.

數(shù)值模擬是研究鋼帶增強(qiáng)PE 管施工回填過程中的受力性能和影響其回填施工過程中受力性能的因素的有力工具，為了獲得一個(gè)合理的數(shù)值模型，需要解決兩個(gè)問題：①鋼帶增強(qiáng)PE 管的管壁是鋼塑復(fù)合截面，且管為螺旋結(jié)構(gòu)；②回填壓實(shí)過程的模擬.

波紋管在數(shù)值模型中通常被轉(zhuǎn)換為均勻的平面管［8-9］.Mlvnarski等［10］指出，涵洞分析與設(shè)計(jì)（Culvert Analysis and Design，CANDE）軟件可以使用一種包括8 個(gè)單元：1 個(gè)命名單元、2 個(gè)鏈接單元、2 個(gè)腹板單元、2 個(gè)波谷單元、1 個(gè)波峰單元和1 個(gè)線性單元的近似模型來模擬波紋管，但這個(gè)模型僅可用來模擬HDPE 波紋管，難以考慮鋼肋.魏超［7］采用Abaqus 中內(nèi)置的復(fù)合殼單元對鋼帶增強(qiáng)PE 管的管壁截面進(jìn)行了精細(xì)化模擬，并將模擬結(jié)果與平板加載試驗(yàn)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的有效性，但模型較為復(fù)雜，計(jì)算效率不高.Wang等［11］采用等效模量法（Equivalant Modulus Method，EMM）將HDPE 鋼塑纏繞管（Steel-Reinforced High-Density Polyethylene pipes，SRHDPE）等效為平面管，并將其與平板加載試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的有效性.

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過不同的方法對土壤的壓實(shí)過程對結(jié)構(gòu)物的影響進(jìn)行了模擬，這些方法主要分為兩類：一種是由Katona 提出的，稱為附加荷載法［11］.這種方法是指直接在結(jié)構(gòu)物上施加附加荷載，以模擬壓實(shí)效果.Katona 采取的荷載施加方式為對新放置的土層頂部施加均勻壓力來模擬壓實(shí).之后在放置下一層土?xí)r，在下一層土的頂部施加另外一個(gè)均勻壓力，同時(shí)對前一土層施加反向的荷載值抵消荷載對前一層土的壓力.Taleb等［12］采取的荷載施加方法是直接在結(jié)構(gòu)上施加水平壓力來模擬壓實(shí)過程對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效果，水平壓力的大小為被動土壓力.Elshimi等［9］提出了經(jīng)驗(yàn)壓實(shí)修正系數(shù)的概念，施加在結(jié)構(gòu)上的水平壓力為經(jīng)驗(yàn)壓實(shí)修正系數(shù)與被動土壓力相乘，同時(shí)通過與試驗(yàn)值對比得出壓實(shí)修正系數(shù)為2 時(shí)可以對試驗(yàn)管在回填施工過程中的行為進(jìn)行有效的模擬；另一種方法是由Duncan等［13］開發(fā)的，稱為滯回K0法.這種方法是將與土壤壓實(shí)相關(guān)的應(yīng)力路徑納入他們的非線彈性土壤本構(gòu)模型，把殘余水平應(yīng)力視為超固結(jié)應(yīng)力，假設(shè)側(cè)向應(yīng)力的增加可以通過壓實(shí)荷載引起的豎向壓力的增加與靜止土壓力系數(shù)K0相乘來計(jì)算.Yang等［14］通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬，改進(jìn)了滯回K0法，考慮了土工格柵在壓實(shí)過程中對土體的影響.

Molser等［2］指出柔性管道設(shè)計(jì)包括3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：管道上方荷載、管側(cè)土壤剛度，管道剛度.Wang等［15］采用的數(shù)值模擬程序PLAXIS2D建立了數(shù)值模型，并對覆土厚度、溝槽寬度、壓實(shí)壓力大小、回填材料摩擦角等對SRHDPE 管道回填施工過程中受力性能的影響進(jìn)行了研究.采用數(shù)值模擬得到的管彎矩、管周土壓力和管道撓度用來評價(jià)管道回填施工過程中的受力性能.

國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模型對不同類型的柔性管涵的回填過程進(jìn)行的模擬仿真，并指出可能對回填施工過程中的受力性能產(chǎn)生影響的因素.但針對鋼帶增強(qiáng)PE 管涵施工回填階段受力性能和影響的研究鮮有報(bào)道.針對上述問題，本文首先根據(jù)鋼帶增強(qiáng)PE 管的平板加載實(shí)驗(yàn)和EMM 法，獲得了一種將鋼帶增強(qiáng)PE 管等效為平面管的方法.然后采用附加荷載法，獲得了一種適合鋼帶增強(qiáng)PE 管回填施工過程的建模方法，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型的有效性.最后通過獲得的數(shù)值模型，研究溝槽寬度、壓實(shí)壓力大小、回填材料摩擦角3 個(gè)因素對回填施工過程中管涵的變形、管上土壓力、管周彎矩等受力性能的影響.

1 鋼帶增強(qiáng)PE 管數(shù)值模擬

1.1 等效模量法

假設(shè)鋼帶增強(qiáng)PE 管內(nèi)層鋼肋與外側(cè)高密度聚乙烯不發(fā)生界面滑移，本文中采用EMM 法對管材進(jìn)行簡化.等效模量法按為

式中：D為鋼帶增強(qiáng)PE 管的內(nèi)徑；PS 為平板加載實(shí)驗(yàn)確定的管的實(shí)際環(huán)剛度；Eeq為EMM 法獲得的等效彈性模量；teq為EMM 法獲得的等效管壁厚度；EI為單位長度管壁截面的抗彎剛度；ρeq為EMM 法獲得的等效密度；APE為單位長度管壁截面HDPE 的截面面積；AST為單位長度管壁截面鋼帶的截面面積；Aeq為EMM 法獲得的等效截面積；EST為鋼的彈性模量；EPE為高密度聚乙烯的彈性模量；ρST為鋼材的密度；ρPE為高密度聚乙烯的密度.

鋼帶增強(qiáng)PE 管的管壁截面如圖1 所示，環(huán)剛度為12.5 kN/m2，EMM 法計(jì)算管壁的等效厚度和等效彈性模量使用的參數(shù)為：D=0.6 m；PS=14.744 kN/m2（平板加載試驗(yàn)獲得的實(shí)際環(huán)剛度）；EST=206 Gpa；EPE=394.7 MPa；APE=582.498 1 mm2；AST=50.127 2 mm2；ρST=785 0 kg/m3；ρPE=960 kg/m3.

圖1 鋼帶增強(qiáng)PE 管的管壁截面（單位：mm）Fig.1 Wall section of steel belt reinforced PE pipe (unit:mm)

將鋼帶增強(qiáng)PE管管壁尺寸與材料參數(shù)代入式（1）～式（4），可求得：Eeq=4.245 Gpa；teq=0.020 782 7 m；ρeq=539.3 kg/m3.

1.2 鋼帶增強(qiáng)PE 管數(shù)值模型的驗(yàn)證

管道建模采用EMM 得到的材料屬性如表1 所示.使用有限元程序Abaqus，對環(huán)剛度為12.5 kN/m2的鋼帶增強(qiáng)PE 管平板加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2D 平面應(yīng)變模型建模計(jì)算，如圖2 所示.管道上部與下部加載板采用離散剛性板，管道采用2D 梁單元，管道與加載板之間的約束為“硬接觸”，下部加載板采用固定約束，上部加載板施加位移荷載.

圖2 2D 平板加載實(shí)驗(yàn)數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of 2D plate loading experiment

表1 數(shù)值模型中的管道特性Tab.1 Pipe characteristics in numerical model

將文獻(xiàn)［7］在2020 年報(bào)道的平行板加載實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)與基于EMM 法的2D 數(shù)值模型的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，數(shù)值模型與平板加載試驗(yàn)的荷載-位移曲線結(jié)果對比如圖3 所示.

EMM 法推導(dǎo)時(shí)使用的實(shí)際環(huán)剛度為管道直徑方向變形率為3%時(shí)的單位承載力，即由平板加載試驗(yàn)獲得的單位長度管道荷載-位移曲線的3%變形時(shí)的割線荷載，由圖3 可知，2D 數(shù)值模型與荷載-位移曲線在3% 直徑變形率時(shí)的割線重合，說明EMM 法與2D 數(shù)值模型對鋼帶增強(qiáng)PE 管的模擬是有效的.

圖3 2D 荷載-位移曲線對比Fig.3 Comparison of 2D load-displacement curves

2 回填施工過程數(shù)值模擬

2.1 模型試驗(yàn)簡介

為了對鋼帶增強(qiáng)PE 管回填施工過程中的受力性能進(jìn)行研究，在河北省衡水市某廠區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場埋地測試.選取了5 根不同的環(huán)剛度及類型的波紋管進(jìn)行了施工回填及加載階段的受力性能測試.其中鋼帶增強(qiáng)PE 管的管長為1 m，內(nèi)徑為0.6 m，名義環(huán)剛度為12.5 kN/m2.現(xiàn)場試驗(yàn)溝槽寬度為1.6 m，深度為1.4 m，回填材料為現(xiàn)場采用的砂性土回填，采用振動板式壓實(shí)機(jī)對管兩側(cè)回填材料進(jìn)行壓實(shí).現(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖4 所示.現(xiàn)場試驗(yàn)過程為每層回填土分層對稱回填壓實(shí)，每層土的厚度如圖4 所示.回填過程中監(jiān)測管的水平向變形、豎向相對變形與管周土壓力的變化情況.

圖4 現(xiàn)場回填試驗(yàn)Fig.4 Backfilling test fied

2.2 數(shù)值模型介紹

結(jié)合現(xiàn)場回填試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用通用有限元程序Abaqus 建立數(shù)值模型，數(shù)值模型的寬度為4.8 m，高度為2.4 m.在模型的上半部分中間挖出一條寬1.6 m，深1.4 m 的溝槽.溝槽底部放置0.2 m 中粗砂墊層，管區(qū)內(nèi)放置四層等厚度的回填層.管道直徑為0.6 m，采用EMM 法得到的材料參數(shù).土體采用Mohr-Clomb 理想彈塑性本構(gòu)模型，管周回填土體采用CPE3 三結(jié)點(diǎn)線性平面應(yīng)變?nèi)切螁卧?，原位土采用CPE4R 四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四邊形單元，如圖5 所示.模型不同區(qū)域的土體材料屬性如表2 所示.

圖5 數(shù)值模型網(wǎng)格圖（單位：m）Fig.5 Grid diagram of the numerical model（unit：m）

表2 不同區(qū)域的土體材料屬性Tab.2 Soil material properties in different regions

數(shù)值模型采用附加荷載法對回填施工過程中的壓實(shí)作用進(jìn)行模擬.文獻(xiàn)［9］中指出水平附加荷載的值為被動土壓力與經(jīng)驗(yàn)壓實(shí)系數(shù)的乘積，通過對環(huán)剛度為12.5 kN/m2鋼帶增強(qiáng)PE 管的模擬試算與現(xiàn)場所使用的的回填材料的物理性質(zhì)，得出當(dāng)經(jīng)驗(yàn)壓實(shí)修正系數(shù)Kn=2.5 時(shí)，即當(dāng)結(jié)構(gòu)受到的水平推力為2.5 倍的被動土壓力時(shí)，可以獲得較為理想的模擬結(jié)果.

數(shù)值模型采用Abaqus 中的“Model change”模塊對回填的過程進(jìn)行模擬；使用“predefined fiele”模塊平衡溝槽開挖后由土體自重產(chǎn)生的初始變形，同時(shí)通過預(yù)定義場模塊的側(cè)向力系數(shù)對鋼帶增強(qiáng)PE管結(jié)構(gòu)施加水平推力以模擬壓實(shí)效果.具體流程為：

1）建立模型，輸入土壤和管道的屬性；

2）建立模型的邊界和初始條件；

3）開挖溝槽，重置模型位移為0；

4）放置墊層，對墊層施加預(yù)定義場，同時(shí)，將預(yù)定義場的側(cè)向力系數(shù)設(shè)置為2.5 倍被動土壓力系數(shù)，即對鋼帶增強(qiáng)PE 管管壁施加了2.5 倍被動土壓力；

5）放置下一層回填土，同時(shí)對新添加的回填土施加預(yù)定義場，并將側(cè)向力系數(shù)設(shè)置為2.5 倍被動土壓力系數(shù)；

6）重復(fù)步驟5），直至回填至溝槽頂部.

2.3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)實(shí)測值對比

數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)鋼帶增強(qiáng)PE 管豎向與水平相對變形值的對比如圖6 所示.數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)管頂豎向土壓力和管腰水平土壓力對比如圖7所示.由圖6 與圖7 可知管道回填施工過程中豎向與水平峰值撓度試驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果最大差值為0.079 2 mm，與峰值撓度實(shí)測值誤差為8.8%，管上豎向土壓力試驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果最大差值為0.763 5 kPa，與管上豎向土壓力實(shí)測值誤差為4.67%.數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果吻合程度較高，說明本文所采用的數(shù)值模擬方法和材料參數(shù)對鋼帶增強(qiáng)PE 管在回填壓實(shí)過程中的受力行為的模擬是有效的.

圖6 管道施工回填過程中的變形值Fig.6 Deformation value in pipe during backfilling

圖7 管道施工回填過程土壓力Fig.7 Earth pressure in pipe during backfilling

3 回填施工過程受力性能參數(shù)分析

3.1 參數(shù)的選擇

模型試驗(yàn)的土壤覆蓋厚度為0.6 m（與管徑相同），溝槽寬度為1.6 m.數(shù)值模型參數(shù)化研究選取了溝槽寬度分別為1.2 m（2D）、1.4 m、1.8 m（3D）；經(jīng)驗(yàn)壓實(shí)修正系數(shù)分別為1.5、2 和3 摩擦角分別為25°、30°、40°的工況.以研究不同溝槽寬度、壓實(shí)壓力和回填材料摩擦角對管涵回填施工期間受力性能的影響.數(shù)值模型案例共10 個(gè)，各案例具體材料參數(shù)見表3.

表3 數(shù)值模型案例Tab.3 Numerical model cases

3.2 溝槽寬度的影響

不同溝槽寬度下，鋼帶增強(qiáng)PE 管的豎向相對變形與水平相對變形的發(fā)展情況如圖8 所示.由圖8可知，管涵的水平相對變形均略大于豎向相對變形.管道的峰值撓度隨溝槽寬度的增大而增大，4 個(gè)案例中從峰值撓度到回填結(jié)束的相對變形幾乎相同，案例1 為0.72 mm、案例2 為0.76 mm、案例3 為0.79mm、案例4 為0.72 mm.管道峰值撓度隨溝槽寬度的增加而增加的原因可能是溝槽寬度越大，土拱效應(yīng)的作用越小，于是管側(cè)土由于壓實(shí)對管道產(chǎn)生的側(cè)向力越大，從而產(chǎn)生了更大的峰值撓度.從變形趨勢圖中案例1 與案例4 的對比發(fā)現(xiàn)，對于直徑為0.6 m 的鋼帶增強(qiáng)PE 管，溝槽寬度為1.6 m 與1.8 m（3D）兩種情況下的峰值撓度差值僅為0.004 5 mm，兩種情況下的相對變形曲線幾乎重合，說明溝槽寬度大約在3D時(shí)，管側(cè)土的土拱效應(yīng)對管道峰值撓度的影響基本可以忽略.4 個(gè)案例回填結(jié)束后的豎向相對變形率均遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［16］對此類管涵徑向變形率小于5%的規(guī)定.

圖8 不同溝槽寬度管涵變形Fig.8 Deformation of culverts with different trench widths

將模擬計(jì)算得到的土壓力值與上覆土體自重應(yīng)力的比值定義為土拱率.案例1～案例4 的管上土拱率隨填土高度的變化情況如圖9 所示.管頂土拱率在4 種情況下的土拱率都大于1，即負(fù)土拱效應(yīng).觀察4 個(gè)案例的土拱率隨填土厚度的變化，發(fā)現(xiàn)其隨著覆土厚度的增加，管上土拱率總體上逐漸減小，但減小的速率不同.這可能是因?yàn)楣苌贤翂毫κ軠喜蹖挾燃巴寥?結(jié)構(gòu)相互作用共同決定.即隨著土壤覆蓋厚度的增加，管道豎向變形增加，使得管上土拱效應(yīng)逐漸增加，管上土拱率逐漸減小，而管上土拱效應(yīng)還與溝槽寬度相關(guān)，溝槽寬度越大，土拱效應(yīng)越弱，這造成了不同溝槽寬度下管上土拱率隨覆土厚度減小的速率有所不同.同時(shí)注意到，4 個(gè)案例的管上土拱率的變化范圍均在1.3～1.6之間，平均值為1.45，這個(gè)值可用作與本文中所研究案例的材料特性相似的鋼帶增強(qiáng)PE 管涵的設(shè)計(jì).

圖9 不同溝槽寬度管上土拱率Fig.9 Soil arching ratio on pipes with different trench widths

不同溝槽寬度工況下管道在不同土壤回填厚度下鋼帶增強(qiáng)PE 管各截面彎矩的變化情況（管道外側(cè)受拉為正）如圖10 所示，圖10 中橫坐標(biāo)為以管頂截面為起點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度，圖例中h表示回填高度，cm.由圖10 可知，在不同溝槽寬度條件下，管道各截面彎矩最大的情況均發(fā)生在回填厚度為45 cm（0.75D），角度為86°.且不同溝槽寬度情況下，管道各截面彎矩值隨回填厚度的增加而變化的趨勢相同.回填結(jié)束時(shí)，管道各截面所受彎矩值較回填過程中均很小，說明這種管道在回填厚度為1 倍直徑時(shí)，其危險(xiǎn)工況為回填過程中，而不是回填完成之后.而當(dāng)回填高度相同時(shí)，管體各截面的最大彎矩值隨溝槽寬度的增加而增大，這與圖8 顯示的變形趨勢相對應(yīng)，原因?yàn)闇喜蹖挾鹊脑黾訒档凸軅?cè)土的土拱效應(yīng)，從而使管道受到的側(cè)向力增大.4 種溝槽寬度下的最大彎矩絕對值為93.33 N·m/m.

圖10 不同溝槽寬度管涵各截面彎矩Fig.10 Bending moment on each section of culvert with different trench widths

3.3 回填土摩擦角的影響

鋼帶增強(qiáng)PE 管涵通常以中粗砂等顆粒材料作為其結(jié)構(gòu)性回填材料，內(nèi)摩擦角為顆粒材料的重要參數(shù)，摩擦角的大小會影響荷載的傳遞機(jī)制.因此，研究摩擦角對施工回填過程中鋼帶增強(qiáng)PE 管涵受力性能的影響是有必要的.參考試驗(yàn)案例的摩擦角為48°（案例1），除此之外，還考慮了案例5、案例6、案例7（即摩擦角為25°、30°、40°）為數(shù)值試驗(yàn)案例.

圖11 所示為不同摩擦角工況下，鋼帶增強(qiáng)PE管的豎向相對變形和水平向相對變形.峰值撓度隨摩擦角的增大而略有增大.回填高度超過0.6 m（1D）至回填結(jié)束，管涵在不同摩擦角的回填材料回填過程中的變形基本相同.即回填材料的摩擦角對鋼帶增強(qiáng)PE 管在回填過程中的變形影響很小.4 個(gè)案例回填結(jié)束后的豎向相對變形率均遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［16］對此類管涵徑向變形率小于5%的規(guī)定.

圖11 不同摩擦角管涵變形Fig.11 Deformation of pipe culverts with different friction angles

回填材料摩擦角不同工況下，管涵頂部土拱率隨管上覆土厚度的變化情況如圖12 所示，管上土拱率均大于1 為負(fù)土拱效應(yīng)，且不同摩擦角工況下，管上土拱率的變化很小，變化范圍在1.3～1.5 之間，說明回填材料的摩擦角對管上土拱率的影響不顯著.管上土拱率平均值為1.45，這個(gè)值可用作與本文中所研究案例的材料特性相似的鋼帶增強(qiáng)PE 管涵的設(shè)計(jì).

圖12 不同摩擦角管上土拱率Fig.12 Soil arching ratio on pipes with different friction angle

在不同摩擦角的回填材料工況下，管涵在不同回填厚度下鋼帶增強(qiáng)PE 管各截面彎矩的變化情況如圖13 所示，由圖13 與圖10（a）對比可知，在不同摩擦角的回填材料工況下，管道各截面正彎矩最大的情況發(fā)生在回填厚度為60 cm（1D），角度為0°（管頂），負(fù)彎矩最大的情況發(fā)生在回填厚度為45 cm（0.75D），角度為86°（管腰）.并且，在不同摩擦角的回填材料工況下，相同回填高度時(shí)，最大彎矩的大小相近，位置相同，說明回填材料的摩擦角對彎矩的影響也不顯著.4 種不同摩擦角的回填材料工況下最大彎矩絕對值為93.33 N·m/m.

圖13 不同摩擦角管涵各截面彎矩Fig.13 Bending moments at various sections of culverts with different friction angles

3.4 壓實(shí)壓力的影響

在實(shí)際工程應(yīng)用中，將管周一定的回填范圍定義為結(jié)構(gòu)性回填區(qū)域，需要特別夯實(shí)，但由于管腋位置壓實(shí)困難或管涵整體施工質(zhì)量不高，經(jīng)常會遇到壓實(shí)力不足的問題.因此，在研究回填施工過程對鋼帶增強(qiáng)PE 管涵受力性能的影響研究中，有必要考慮壓實(shí)壓力的大小對管涵受力性能的影響，本研究中采用不同大小的經(jīng)驗(yàn)壓實(shí)修正系數(shù)以研究不同大小的壓實(shí)作用力對管涵施工回填期間受力性能的影響.

不同壓實(shí)壓力工況下，管涵在回填壓實(shí)過程中的豎向和水平相對變形值如圖14 所示.在回填高度低于管頂時(shí)，鋼帶增強(qiáng)PE 管的變形為豎向橢圓，即水平相對變形逐漸減小，豎向相對變形逐漸增大，在回填至管頂時(shí)，變形達(dá)到最大.當(dāng)回填高度高于管頂時(shí)，管上回填土的自重及壓實(shí)作用會使管道的變形狀態(tài)由“豎向橢圓“向“橫向橢圓”轉(zhuǎn)變.并且，較高的壓實(shí)壓力會使管道的峰值變形增大.4 個(gè)案例回填結(jié)束后的豎向相對變形率均遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［16］對此類管涵徑向變形率小于5%的規(guī)定.

圖14 不同壓實(shí)壓力管涵變形Fig.14 Deformation of culvert under different compaction pressures

不同壓實(shí)壓力作用下管道頂部的土拱率隨管上覆土厚度的變化情況如圖15 所示，由圖15 可知，管上土拱率均大于1，為負(fù)土拱效應(yīng).同時(shí)觀察到，管上回填土在0.2 m 以上時(shí)，管上土拱率逐漸減小，說明土拱效應(yīng)逐漸增強(qiáng).在同樣覆土厚度時(shí)，壓實(shí)壓力越大，管上土拱率越大.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在淺埋狀態(tài)下，較大的壓實(shí)壓力使得管的峰值變形更大，管側(cè)回填土對管的側(cè)向約束作用更強(qiáng)，導(dǎo)致管上區(qū)域回填土較管側(cè)部分回填土的沉降變形更小，于是產(chǎn)生了更大的負(fù)土拱效應(yīng).

圖15 不同壓實(shí)壓力管頂土拱率Fig.15 Soil arching ratio under different compacted pressure on pipes

不同壓實(shí)壓力作用下管道在不同回填厚度下鋼帶增強(qiáng)PE 管各截面彎矩的變化情況如圖16 所示.由圖16 可知，可以發(fā)現(xiàn)在不同壓實(shí)壓力作用下，管道各截面正彎矩最大的情況發(fā)生在回填厚度為60 cm（1D），角度為0°（管頂），負(fù)彎矩最大的情況發(fā)生在回填厚度為45 cm（0.75D），角度為86°（管腰）.說明此類管道在施工過程中的危險(xiǎn)工況為回填至0.75D～1D，建議在設(shè)計(jì)時(shí)，對這一階段的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)算.在相同的回填高度下，管體各截面的最大彎矩值隨壓實(shí)壓力的增加而增大，這與圖13 所示的變形趨勢相對應(yīng)，原因?yàn)閴簩?shí)壓力的增大使回填過程中管體受到的側(cè)向力增大，從而使彎矩增大.4 種壓實(shí)壓力作用下最大彎矩絕對值為115.7 N·m/m.

圖16 不同壓實(shí)壓力管涵各截面彎矩Fig.16 Bending moments at different sections of culverts under different compaction pressures

4 結(jié)論

1）在不考慮內(nèi)嵌鋼帶與HDPE 覆層相對滑移的條件下，采用EMM 將鋼帶增強(qiáng)PE 管等效為平面管，通過Abaqus 對平板加載試驗(yàn)進(jìn)行模擬，然后將模擬結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證了EMM 的有效性；通過試驗(yàn)值與模擬值的對比驗(yàn)證了回填壓實(shí)過程數(shù)值模型的有效性.

2）在所有工況下，管道的水平相對變形值均大于豎向相對變形值.在峰值撓度之后，管道的豎向與水平相對變形值均隨回填厚度線性增加.峰值撓度隨溝槽寬度和壓實(shí)壓力的增大而增大.回填材料摩擦角對管道變形的影響不顯著.在所有案例中，管道回填施工過程中與管道回填結(jié)束后的管道豎向變形率均遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［16］對此類管涵徑向變形率小于5%的規(guī)定.

3）鋼帶增強(qiáng)PE 管涵的管上土拱率均在1.3～1.6 之間，在同樣覆土厚度時(shí)，壓實(shí)壓力越大，管上土拱率越大.

4）鋼帶增強(qiáng)PE 管回填厚度不同時(shí)，管體最大正、負(fù)彎矩值和位置均發(fā)生明顯變化.管道回填過程中的最大正彎矩與最大負(fù)彎矩均發(fā)生在回填厚度為0.75D～1D之間，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對此階段進(jìn)行驗(yàn)算.最大絕對彎矩值隨溝槽寬度和壓實(shí)壓力的增加而增加，回填材料的摩擦角對彎矩的影響不大.