东北季冻区大孔径钢波纹管涵洞受力特征分析

摘要：针对东北季冻区大孔径钢波纹管涵内壁切向应变及外壁土压力现场测试，得出波峰、波谷、波侧应变变化规律：填土初期均为拉应变，随着填土高度的增加，一些测点由拉应变转化为压应变（均在管周120°出现变化），且有增大趋势；管壁外侧土压力随着填土高度增加，且0°垂直土压力大于其他角度径向土压力；综合分析管内壁应变及管外土压力可得出管周90°处受力最不均匀，在钢波纹管生产、安装时采取一定的加固措施。

关键词：季冻区；土压力；钢波纹管涵洞；受力分析

中图分类号：U449.83文献标志码：B

Abstract： The change rule of strain at wave pea✈k， trough and lateral was obtained by running field tests on the tangential strain on the inner wall and earth pressure on the outer wall of steel corrugated culvert with large aperture in northeastern seasonal frost region. It is said that at some gauging points （at 120° around the steel pipe）， tensile strain turns into compressive strain following the increase of the height of fill； earth pressure on the outer wall increases along with the height of fill， with earth pressure at the angle of 0° being the biggest； at 90° around the steel pipe， the uneven force is at its peak， so reinforcement measures should be taken during the mounting.

Key words： seasonal frost region； earth pressure； steel corrugated culvert； force analysis

0引言

鹤岗至大连高速公路季节性冻土区修建的常规钢筋混凝土结构涵洞，通道施工时经常遇到多雨等气候环境，直接影响工程质量和施工进度。钢波纹管涵是采用波纹状管或波纹状弧形板通过连接、拼装形成的一种桥涵形式。采用钢波纹管涵、通道，不仅可以解决多雨等气候环境影响工程质量和施工进度的技术难题，而且可以适应地基变形，减少不均匀沉降[13]。考虑地基处理、基础工程等费用，钢波纹管结构涵洞的造价比钢筋混凝土结构更低，且具有施工速度快、省略养生、不受气温影响等优势[45]。从这些优点出发，鹤岗至大连高速公路对钢波纹管结构应用的需求极为迫切。

目前中国已经对小孔径钢波纹管涵洞（直径小于3 m）进行了大量研究及应用，但对大孔径钢波纹管涵洞研究较少，且其多在中国中部、南方等平原地区应用[67]。国内对季冻区大孔径钢波纹管涵洞尚未开展研究，为拓展其应用范围和研究领域，很有必要开展季冻区高速公路大孔径钢波纹管涵洞的技术研究。

为更好地解决季冻区混凝土涵洞出现的不均匀沉降、裂缝、冻胀疲劳破坏等病害，鹤大高速利用钢波纹管涵洞代替混凝土涵洞，取得了很好的效果。

本文依托现场试验工程，探讨季冻区大孔径钢波纹管涵洞受力特征，包括管内应变及管外土压力变化规律[811]，对东北季冻区大孔径钢波纹管涵洞的力学性能作出阐述。

1试验方案

1.1测试涵洞基本情况

以鹤大高速公路9标桩号K694+633直径4 m的钢波纹管涵洞为依托项目，钢波纹管波高55 mm、波长200 mm，采用Q235A热轧钢板制成，防腐工艺采用表面热浸镀锌，且现场安装前管壁内外均匀涂刷沥青进行二次防腐[1213]。进出口为八字墙结构。

1.2试验仪器布置

1.2.1应变片布置

通过对钢波纹管涵洞管周内壁不同角度粘贴应变片，测定钢波纹管涵洞随填土高度变化的应变规律。应变片分别布置在路中心0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°、150°、180°的波峰、波谷、波侧，这3个测试断面沿管周径向布设，共计27个测点。具体布设如图1、2所示。

1.2.2土压力盒布置

通过对钢波纹管涵洞管周外壁不同角度布置土压力盒，测定钢波纹管涵洞随填土高度变化的土压力变化规律。管周外壁土压力盒分别布置在路中心0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°位置，管壁与压力盒之间距离为6 cm，并采用细砂填充，分层填筑压实，共计7个测点，如图3所示。

1.3测试工况

管内应变及管外土压力测试工况相同，具体如表1所示。

2测试结果及分析

2.1路中管内壁切向应变测试结果分析

2.1.1路中波峰随填土高度增加的切向应变变化

由图4可以看出：当填土至管顶上0.2 m时，整体为拉应变；随着填土高度的增加，管顶0°、管侧15°、管侧150°、管底180°拉应变值逐渐增大，

图4路中波峰随填土高度增加切向应变变化规律

但管侧120°处填土至路基顶时拉应变值减小，这可能是由于应变片粘贴不牢固所致；管侧30°、管侧45°、管侧60°、管侧90°在填土至管顶上05 m时转变为压应变，然后随着填土高度的增加逐渐增大；填土初期各测点应变值有重新分布的过程，当填土至路基顶（管顶上1.6 m）时，管顶和管底位置附近以拉应变为主，而管中90°位置附近以压应变为主。 2.1.2路中波谷随填土高度增加的切向应变变化

由图5可以看出：当填土到管顶上0.2 m时，整体为拉应变；随着填土高度的增加，管侧120°、管侧150°、管侧180°初期（管顶上0.5～1.0 m）应变增长较快，后期（管顶上1.6 m）应变增长趋于平稳；其余测点随着填土高度的增加，拉应变与压应变在0值附近交替变化，最终整体为压应变。

2.1.3路中波侧随填土高度增加的切向应变变化

由图6可以看出：当填土至管顶上0.2 m时，整体依然为拉应变；随着填土高度的增加，管顶0°至管侧90°应变值逐渐增大，管侧120°至管底180°初期为拉应变，后转化为压应变；填土初期各测点应变值有重新分布的过程，当填土至路基顶（管顶上1.6 m）时，钢波纹管涵洞上半圆整体受拉，下半圆整体受压。

2.1.4路中波峰、波谷、波侧随填土高度增加的切向应变对比分析

由图4～6可以看出：总体上，路中波峰、波谷、波侧变化规律相似，填土初期均为拉应变，随着填土高度的增加，分为2个阶层，一些测点由拉应变转化为压应变，且有压应变继续增加的趋势，另一些测点压应变逐渐增大；而不同点在于，波峰管顶和管底位置以拉应变为主，而管中90°位置以压应变为主；波谷为拉应变与压应变在0值交替变化；波侧为整个圆管上半圆整体受拉，下半圆整体受压。

2.1.5路中波峰沿管周的切向应变变化

由图7可以看出，各工况下整体上管顶0°～15°为拉应变逐渐减小，30°转化为压应变（填土至管顶上0.2 m时接近0值），45°～90°先增大后减小（在管周60°为最大），120°转化为拉应变，后逐渐增大。

管顶0°、15°、120°、150°及180°处受拉应力，其他管周角度位置受压应力。在管周60°处出现应力集中。

2.1.6路中波谷沿管周的切向应变变化

由图8可以看出，除填土至管顶上1.6 m外，整体上各角度均为拉应变，且管周0°～90°应变增长缓慢，120°～180°增长迅速。当填土至管顶上16 m时，各角度应力重新分布，0°～90°为压应变，且在管周30°时压应变最大；120°～180°为拉应变，在管底180°时拉应变最大。

2.1.7路中波侧沿管周的切向应变变化

由图9可以看出，整体上管顶0°至管周120°为拉应变，先逐渐增大，到90°后迅速减小；管周150°～180°不同填土高度应变不同，有正有负，总体上趋于平稳。90°位置应力集中。

2.1.8路中波峰、波谷、波侧沿管周的切向应变对比分析

由图7～9可以看出，波峰、波谷、波侧均在管周120°出现拉压应变交替变化。波峰在管顶0°～120°（除了0°和15°）整体为压应变；管周150°～180°为拉应变；波谷整体上各角度均为拉应变；波侧在管顶0°至管周120°为拉应变；管周150°至管底180☿°总体上为压应变，且趋于平稳。

波峰、波侧分别在管周60°、90°处出现应力集中，且都在管周120°出现拉压应变交替变化。因此施工时管周60°、90°、120°应作为重点部位进行观测。

2.2路中管外壁土压力测试结果分析

各工况下管周外壁土压力测试结果如图10所示。

由图10可以看出以下几点。

（1） 随着填土高度从管顶上0.2 m填筑至路基顶（管顶上1.6 m），管周外侧土压力逐渐增加。

（2） 90°处土压力基本为零或负值（可能受到局部影响），说明管中部位水平土压力值较低。

（3） 填土高度超过管顶上0.5 m时，径向土压力由大到小为0°、30°、120°、60°、150°；填土高度大于管顶上0.5 m时，总体上径向土压力由大到小为0°、30°、60°、120°、150°。

（4） 120°处土压力与填土高度的增长斜率小于其他角度，总体较低。

（5） 由于施工使压力盒毁坏，管底180°处土压力值未能测出。

将图10绘制成按角度变化的趋势，如图11。

从图11中能更直接地看出以下几点。

（1） 随着角度从管顶至管底变化， 0°～90°压力值逐渐减小，在90°处出现低谷值（接近0），之后120°逐渐增加，150°又减小。

（2） 总体上，各工况的变化基本趋势一致，仅120°～150°填土至路基顶时（管顶上1.6 m）表现为土压力增加，填土高度较小时表现为土压力减小，说明管外土压力随着填土高度增加存在力的重新分布。

3结语

首次在东北季冻区进行了大孔径钢波纹管涵洞现场试验，得出管内应变及管外土压力的变化规律，对钢波纹管涵洞在该地区设计、施工有一定的借鉴作用。主要规律如下。

（1） 路中管内波峰、波谷、波侧应变变化规律相似，填土初期均为拉应变，随着填土高度的增加，可分为2个阶层：一些测点由拉应变转化为压应变，且有压应变继续增加的趋势；另一些测点压应变逐渐增大。

（2） 波峰、波谷、波侧均在管周120°出现拉压应力交替变化。波峰、波侧分别在管周60°和90°处出现应力จ集中。因此施工时管周60°、90°、120°应作为重点部位进行观测。

（3） 随着填土高度增加，路中管壁外侧土压力逐渐增加，且0°垂直土压力大于其他角度径向土压力。

（4） 管周90°既在管周内侧应变时出现应力集中，又在管外土压力出现极值，说明此处受力最不均匀，因此钢波纹管生产、安装及施工时应在此处采取一定的加固措施。

（5） 通过此钢波纹管涵洞的施工应用及后续检测，整体稳定性要优于同类混凝土涵洞。钢波纹管作为一种环境友好型材料，避免了对天然路基及自然环境的破坏和干扰，最大程度地保持原有生态环境平衡，取得了显著的环保效益。

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