高填方路基钢波纹管涵洞土拱效应分析

高填方路基钢波纹管涵洞土拱效应分析

聂宇

聂宇

凤冈县交通运输局贵州遵义563000

摘要：为了了解高填方路基钢波纹管涵洞土拱的效应，本同以某工程为研究对象，通过对土压力盒的布设，进而从管顶与管侧两个方面出发，对垂直土的压力进行了测量。之后，通过有限元模拟的方式，针对高填方高度与土层的不同，高填方钢波纹管涵洞管顶垂直应力变化情况。最后，利用上述实测与分析的结果对比，进一步分析了土拱效应。

关键词：高填方路基；钢波纹管涵洞，土拱效应

引言：土木工程建设的过程中，在土体内部存在一定的粘结力与摩擦阻力，加上重力的作用，使得土体压缩，或者出现沉降的现象。若土体内部具有洞穴，或者是土质条件存在差异，就会出现不均衡的移动，导致移动速度较快的土体运动时，会受到移动速度较慢土体的干扰，致使土体出现形变问题，这一现象就是“土拱效应”。这一现象在土木工程的经常出现，对这一现象具有准确的了解，可以为土木工程的建设提供帮助。因此，对高填方路基钢波纹管涵洞土拱效应进行分析具有重要意义。

1钢波纹管涵洞管顶垂直土压力测量

1.1工程介绍

某高速公路钢波纹管涵洞为主要研究兑现，对土拱效应进行了分析，该涵洞直径为4m，管上部存在20.53m的土层，钢波纹管波形的波高45mm，波长140mm，管壁厚度为6mm，材质选用的是Q235碳钢，并在管的表面，通过热浸镀锌的方式，涂抹一层防腐蚀材料。

1.2土压力盒的布设方案

测试过程中，为了确保测量结果的准确性，需要在路中线的管顶，以及管涵中线的管侧位置上，安装相应的压力盒，通过其来对压力进行测量。根据该工程的实际情况，共选择了13处布设点，标号分别为1～13，具体如图1所示。

图1测量点布设平面图

1.3压力盒布设

确定出压力盒的布设位置后，需要准确将压力盒安装进行，才会准确测量后出管内的压力情况。具体来说，对压力盒布设时，应将其水平放置，并紧贴在管顶处，之后利用细沙填埋的方式，使整个测量处的水平面保持平行，通常情况下，细沙填埋的厚度为7±3cm，使压力盒测量时，能够受到均匀的外力作用[1]。同时，还要利用引线，将压力盒与涵洞相连，连接时，应将其紧贴钢波纹管的外壁，并在引线进入到涵洞内，粘结到内壁上，对所有压力盒的引线来说，应集中放置在同一区域内，以确保测量工作的有序进行。

1.4测量结果及分析

1.4.1管顶垂直土压力的测量

对管顶垂直土压力测量后，可以得出以下结论：（1）在高填方钢波纹管涵洞内，填土高度越高，测量值也越大。且填土高度与理论值的差异呈正相关关系，即高度越大，差异越大，反之，差异越小。对于这一现象来说，是由于填土高度的不断增加，逐渐形成了土拱效应；（2）填土高度在0～4.5m范围内，可以将测量值看作线性方程，即压力变化是一条不变的直线，这一情况下，测量值与理论值基本相同。在4.5～8.0m范围内，测量值依然可以看作线性方程，但增长速率得到了提升，也与理论值基本相同。在8.0～15.0m范围内，测量值则变成了非线性方程，经过一段波动增长后，逐渐趋于稳定，而理论值则依然以直线形式继续提升，因而两者的差异逐渐增大；（3）填土高度在8.0～9.5范围内与13.0与1.50范围内时，测量值出现一定的降低，这可能是在工程建设过程中，压实不足而引发的；（4）填土高度超过15.0m，测量值基本恒定，也就是说，在管顶的上部，完全出现了土拱，并体现出土拱效应。

2钢波纹管涵洞的室内有限元模拟分析

2.1模型构建

选择密度为7.83×103kg/m3，弹性模量为2.0×103kPa，泊松比为0.3的钢波纹管；密度为2.0×103kg/m3，弹性模量为4.4×103kPa，宋博比为0.18的回填料，通过shell63软件，构建出相应的模型，以对钢波纹管涵洞进行室内有限元模拟分析[2]。模型如图1所示。

（c）边界条件模型

图1钢波纹管涵洞模型

2.2模拟分析

2.2.1基于填土高度的高填方钢波纹管涵洞管顶垂直应力变化情况

通过该模型分析可知：对于管顶所受压力与填土高度来说，呈非线性关系，且高度越大，变化波动越显著。高填方钢波纹管涵洞施工时，填方高度较小，变化波动不是很明显，可以将其看成线性方程，而随着高度的增加，压力的增长幅度逐渐减小，从而使其成为了非线性方程，也就是说，在这一高度下，土体内出现了土拱效应，并在15.0m处，土拱完全形成。

2.2.2基于不同土层的高填方钢波纹管涵洞管顶垂直应力变化情况

通过对上述模型的分析，可以得到以下结论：（1）从竖直的角度来说，各图层内所受的垂直压力为“W”状；（2）管涵外部0～10m范围内，土层所受的压力先提升，然后逐渐降低。据管顶0～3.25m处，土层所受垂直压力逐渐提升，而在3.26～4m范围内，所受垂直压力则不断降低，当据管顶距离超过4m后，垂直压力趋于平稳。这是由于在管涵的上部，形成了土拱，在土拱的作用下，将上部土体能力，逐渐导入到土体两侧。且在管涵外部一定区域内，具有“拱脚”而在这一范围之外，则“拱脚”消失，使土拱效应无法体现出来[3]。

3模拟分析与实测结果对比

通过对上述模拟分析与测量分析进行对比，可以得到以下结论：填土高度在9.5m以下时，两种方式得到的结果均可以看成线性方程，而高度在9.5m以上时，则可以看成非线性方程。但模拟值高于实测值，并低于理论值。这是由于在理论值当中，忽略了土拱效应，所以其数值最大；在模拟分析当中，是根据土体内的摩擦力，结合摩擦角，通过非线性计算的方式，构建出高填方钢波纹管涵洞的模型，以此对土拱效应进行分析的，从而清晰体现出涵洞上部能量向两边传递，但填土高度的不断提升，会存在一些压力转至管顶[4]。从而表明，通过非线性的方式，对土压力进行分析更加科学。

总结：通过上述分析，可以发现高填方路基钢波纹管涵洞的土拱效应变化规律，即填土高度在9.5m以下，涵洞所受压力与其呈正相关线性关系，且没有出现土拱；土拱高度在9.5～15.0m范围内，涵洞与其呈非线性关系，且土拱效应逐渐形成；土拱高度在15.0m以上，涵洞所受压力基本不变，且土拱完全形成。因此，施工过程中，应根据这一变化规律，确定出合理的施工方案。

参考文献：

[1]宫俊飞，杨立坡.大跨高填方钢波纹管涵质量控制措施分析[J].华东公路，2018，03(02)：15.

[2]赵勇，胡滨，张林龙.公路高填方涵洞分层土压力及施工质量控制分析[J].山东交通科技，2016，23(05)：16-18.

[3]孟旖.高填方路基涵洞在多场耦合下的特性研究[J].建材与装饰，2018，07(21)：52.