高填方路基中钢波纹管涵洞力学性能研究

孙秀凯 惠慧

【摘要】钢波纹管涵洞有管节薄、质量轻、便于叠置捆扎，存放运输方便、施工组装工艺简单、生产周期和施工期短等特点，同时波纹管涵洞适应能力强，受力条件好，造价低，故其具有很广阔的应用前景。本文通过分层填土分工況测量各测点的应变值的方法对高填方钢波纹管涵洞进行野外现场试验，结合相关钢波纹管涵洞知识，从不同方面研究了钢波纹管涵洞的力学性能，研究的结果表明：波纹管圆环位置波峰、波谷、波侧随管周角度变化其应变数值也会相应的变化；钢波纹管圆环位置波峰波谷和波侧随着填土高度的增加变化规律不同。

【关键词】高填方钢波纹管涵洞；现场试验；应变；土压力

0引言

波纹管最早诞生于英国，1896年美国率先进行波纹板通道、涵管的可行性研究，并首次应用于涵洞。直至20世纪90年代末我国才逐步开展公路钢波纹管涵洞的应用、研究及生产[1-2]。

现在钢波纹管涵洞大多都应用在低填方路基上，应用在高填方路基上的比较少，对这方面的研究也很少。钢波纹管涵优势钢波纹管涵在高填方路基上应用是具有一定优势的，因其抗变形能力和抗沉降能力较强强，使得其在软土、膨胀土和湿限性较强地基承载力较低的地区应用的比较多，且其效果相对较好[3]。

本文通过现场试验，对高填方钢波纹管涵洞的力学性能做了很好的阐述。

1 测试方法

1.1 测试涵洞概况

本文以郑州至卢氏高速公路洛宁至卢氏段3标直径4米单管波纹钢涵洞现场试验试验为依据。该涵洞进出口采用浆砌片石铺砌，波纹管材质为Q235，采用热浸镀锌涂料防腐，用片状拼装相连。波纹管在路中线填土高度为19.36米。

1.2 现场实验方案

1.2.1现场应变片布置方案

应变片布点：路中0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°波峰、波谷、波侧管周径向布设，重复布设2次，计42点，0°、90°、180°波峰、波谷、波侧布设轴向应变测点，重复布设2次，计18。总计应变测点60个。具体布设见下图所示。

图1 波纹管涵洞测试应变片分布图

2 钢波纹管涵洞现场测试过程

2.1 测试步骤

应变测试步骤为：

①启动发电机，接通仪器电源，启动仪器，进入主界面；

②初始化，检查应变片的连接情况并确保连接正常；

③测试初始值；

④施加汽车、压路机或填土等荷载；

⑤测试各荷载工况下的应变，保存/打印数据。

3 测试结果及分析

3.1钢波纹管涵洞的工况情况

3.2 钢波纹管切向应变数据分析

3.2.1 波峰切向应变

本文根据现场实验数据。分析得出，在填土初期波纹管整体均产生较为明显的拉应变，当填土至管顶0.5m时，管周30°、90°由最初的拉应变转化为压应变，其余角度依然为拉应力。随着填土高度的增加，应变值逐渐增加或减小。

3.2.2 路中波侧随填土高度增加切向应变

根据现场测量数据。分析得出，在填土初期波纹管整体均产生较为明显的拉应变，除90°外其它角度曲线比较平稳，数值接近。随着填土高度从管顶+1.98m至管顶+5.9m，波侧除管壁60°、90°出现剧烈波动外，其它位置平稳增加或减小。在施工中管顶2m可作为一个重点观测点进行监测。

3.3 钢波纹管轴向应变数据分析

3.3.1 波峰轴向应变

路中波峰随填土高度变化轴向应变变化趋势如下图所示。

图2 波峰随填土高度变化轴向应变分析

分析得出，波峰不同位置随着填土高度变化时的轴向应变呈现不同的变化规律。填土高度较低时，管顶0°所受拉应变最大，管顶180°所受拉应变最小，随着填土高度的增加，管顶0°所受拉应变变小，管中90°和管底180°位置应变值较大且较为接近。且管顶0°、管中90°、管底180°三个位置随填土高度的不断增加，其轴向应变所呈现的变化规律是较为接近的，均为拉应变增加→拉应变减小→拉应变增加的变化规律。

3.3.2 波侧轴向应变

路中波侧随填土高度变化轴向应变趋势如下图所示。

图3 波侧随填土高度变化轴向应变分析

分析得出，波侧不同位置随着填土高度变化时的轴向应变呈现不同的变化规律。填土高度较低时，管顶0°所受拉应变最小，管顶180°所受拉应变最大，随着填土高度的增加，管中90°所受拉应变最小，管底0°位置逐渐增大并出现最大值。而管底180°位置所受应变较为稳定，管顶0°和90°位置的应变值随着填土高度的变化不断变化。

4 结论

（1）对于波峰切向应变，随着填土高度的增加，应变值逐渐增大或缩小；对于波峰轴向应变，随着填土高度的增加，管顶0°所受拉应变变小，管中90°和管底180°位置应变值较大且较为接近。

（2）对于波侧切向应变，在填土初期波纹管整体均产生较为明显的拉应变；对于波侧轴向应变，波侧不同位置随着填土高度变化时的轴向应变呈现不同的变化规律。

（3）钢波纹管轴向数据变化曲线在波峰和波侧相似，说明钢波纹管轴向受力调节性比较好，将力都均匀分配到轴向各点。

参考文献：

[1]李祝龙，章金钊，武憼民.高原多年冻土地区波纹管涵应用技术研究[J].公路，2000（2）：28.

[2]李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]范晓明.浅议钢波纹管涵在高填方应路基上的应用[J]，企业导报，2012（10）：294.

[4]陈昌伟.波形钢板结构及其在公路工程中的应用[J].公路，2000 （7）： 48-54·

[5]中交第一公路勘察设计研究院·公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究（报告集） [R]·2003·

[6]陈昌伟.波形钢板结构及其在公路工程中的应用[J].公路，2000（7）：48.

[7]梁钟琪.土力学及路基[M].北京：中国铁道出版社，2002.

项目简介：郑州至卢氏高速公路洛宁至卢氏段项目是《河南省高速公路网规划》的重要组成部分。

作者简介：孙秀凯（1987-），男，河南新乡人，硕士，从事道路工程研究。