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多年冻土区钢波纹管涵洞应变测试及效益分析

纳启才+胡滨+梁养辉+李祝龙

0 引言
中国多年冻土分布面积约为2.15×106 平方公里，位居世界第三。公路是多年冻土开发与建设的先驱，作为公路工程中不可或缺的涵洞，更应引起足够重视。因此解决多年冻土区涵洞稳定性技术问题，对多年冻土区的开发与建设、确保多年冻土地区公路交通基础建设顺利实施，有着十分重要的意义。
多年冻土区混凝土涵洞出现的冻融会引起不均匀沉降、裂缝、桥头“跳车”、冻胀疲劳破坏等病害。国道214线共和至玉树段利用钢波纹管涵洞代替混凝土涵洞，对以上病害取得了很好的处理效果，因此有必要对大管径钢波纹管涵洞施工过程中的受力特征进行研究[1-3]。
本文对G214共和至玉树段K557+499直径3 m的钢波纹管涵洞进行现场测试，探讨大孔径钢波纹管涵洞内侧应变变化，对多年冻土区钢波纹管涵洞的力学性能作出阐述，并对钢波纹管涵洞的经济和社会效益进行分析。
1 试验原理
1.1 应变片的构成
力学测试主要以应变片作为传感器，应变片是由敏感栅、基底、覆盖层及引出线组成，如图1所示。敏感栅是应变量转化为电阻变化量的敏感部分；基底和覆盖层具有定位和保护电阻丝与被测体绝缘的作用；引线起着连接测量导线的作用。
1.2 应变片的工作原理
应变片的工作原理是基于金属丝的电阻应变效应，即金属丝电阻随机械变形而改变的物理现象。其在不同方向外力作用下，所产生的变形量（ε）不同。
1.3 电阻应变仪原理
电阻应变仪的作用就是将被测试构件因荷载作用引起的应变量转换成电阻变化率（ΔR/R）。可以看出，只要测得电阻变化率值，就可以通过换算得到应变值（ε）。电桥是应变仪的重要组成部分，通过电桥可以将应变片转换的电阻变化率转换为电压变化，再将电压变化输送至放大器加以放大。
电阻应变仪测量电桥的工作原理如图2所示，由电工学相关知识可知电桥输出电压
当R1+R3=R2+R4，电桥输出电压U0=0，此时电桥处于平衡状态，式（2）为电桥平衡条件。在平衡条件下，当桥臂4个电阻R1、R2、R3、R4分别产生电阻变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时，利用平衡条件并略去非线性高阶小量，则输出电压
因为，代入式（2）得
应变仪读数为
则由式（3）可得
式（4）表明：应变仪读数等于相对桥臂应变量相加，相邻应变量相减。
2 试验方案
2.1 测试涵洞基本情况
本文以G214共和至玉树段K557+499处直径3 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，防腐采用表面热浸镀锌，且现场安装前管壁内外均匀涂刷防腐沥青，进出口采用浆砌片石铺砌[4-10]。
2.2 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变化规律[11-14]。
管周应变片布置：路中心0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°、210°、225°、240°、270°、300°、315°、330°处的波峰、波谷、波侧3个测试断面沿管周径向布设，共计48个测点，具体布设如图3、4所示。
管顶横向应变片布置：沿管轴线方向自路中至边坡，在管顶0°处的波峰、波谷位置均匀布设18个周向应变片。其中管顶波峰距路中心距离依次为2.2、3.4、4.6、5.8、7、8.8、10.6、11.8、13 m，共9个测点。管顶波谷距路中心距离依次为2.3、3.5、4.7、5.9、7.1、8.910.7、11.9、13.1 m，共9个测点。具体布设如图5所示。
2.3 测试工况
测试工况如表1所示。
3 测试结果及分析
3.1 施工过程路中管周切向应变测试结果分析
3.1.1 路中波峰随填土高度增加的切向应变变化
由图6可以看出，当填土至管底+1.35 m时，除管周270°和300°外，整体上为压应变，且数值较为接近。填土从管底+1.35 m至管底+1.95 m时，各测点压应变先增大后减小，在填土至管底+1.65 m时压应变达到最大值。随着填土高度增加，在填土至管底+1.95 m时，管周一些测点由压应变转化为拉应变，而另一些压应变数值几乎不变。
3.1.2 路中波谷随填土高度增加的切向应变变化
由图7可以看出，当填土至管底+1.35 m时，除管顶0°、管周300°和315°外，整体上为压应变，且曲线变化较为均匀。在填土至管底+1.65 m时出现应力集中。随着填土高度的增加，在管底+2.275 m时，一些测点由压应变转化为拉应变，而另一些压应变数值几乎不变。
3.1.3 路中波侧随填土高度增加的切向应变变化
由图8可以看出，随着填土高度的增加，波侧的变化规律与波峰、波谷相似，故不再重复论述。
3.1.4 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6～8可以看出，总体上路中波峰、波谷、波侧变化规律相似：当填土至管底+1.35 m时，整体上为压应变，且波谷曲线变化较为均匀。在填土至管底+1.65 m时出现应力集中及最大压应变。随着填土高度的增加，一些测点由压应变转化为拉应变，且有拉应变继续增加的趋势，一些压应变数值几乎不变。
3.1.5 路中波峰沿管周的切向应变变化
由图9可以看出，管周0°～45°为压应变，且随角度的增大逐渐减小；60°转化为拉应变；120°～240°为压应变，数值相近；270°～330°为拉应变，先增大后减小，并在管周330°时转化为压应变。endprint
管周60°、270°、300°及315°为拉应力，其余角度为压应力。管周60°处出现应力集中。
3.1.6 路中波谷沿管周的切向应变变化
由图10可以看出，管周0°～45°应变有正有负；60°～240°为压应变，数值相近；管周300°转化为拉应变；300°～330°不同填土高度下变化不同，一部分拉应变逐渐减小，一部分压应变逐渐增大。在管周90°处出现应力集中。
3.1.7 路中波侧沿管周的切向应变变化
由图11可以看出，管周30°～45°应变有正有负；60°转化为压应变，后逐渐减小；90°～240°整体为压应变，压力值接近；270°～330°不同填土高度下变化不同，一部分拉应变略微减小，一部分拉应变转化为压应变，并略微增大后又减小。在管周60°、300°处出现应力集中。
除个别点外，管周沿角度变化波侧整体受压应力，管顶0°应变值未能测出。
3.2 施工过程中管顶横向位置波峰和波谷应变测试结果分析
3.2.1 管顶横向位置波峰应变
由图12可以看出，从管底+0.6 m填土至管底+1.65 m的过程中为拉应变，并逐渐减小。填土至管底+1.95 m时，距路中小于7 m处为压应变，且随着填土高度的增加而增大；距路中大于7 m处为拉应变，且随着填土高度的增加而增大。
由图13可以看出，波峰在距路中心5.8 m位置出现应力集中；距路中心大于11.8 m各测点均为拉应变，且数值接近。
3.2.2 管顶横向位置波谷应变
由图14可以看出，填土高度从管底+0.6 m增加至管底+2.895 m的过程中，波谷各测点整体上为拉应变。从管底+0.6 m填土至管底+1.35 m时，各测点应变值先减小后增大；再填土至管底+2.895时，应变值逐渐增大。
由图15可以看出，同一填土高度，在距路中小于8.8 m位置（行车道）的应变大于距路中大于8.8 m位置（边坡区域）的应变值。波谷在距路中心4.7 m位置的拉应变最大。
4 效益分析
4.1 经济效益
采用钢波纹管涵洞代替钢筋混凝土涵洞，不仅极大地改善了公路地基变形和涵洞两侧的不均匀沉降问题，而且有效地减少了工程造价，取得了显著的经济效益。采用3 m以上孔径时，钢波纹管涵洞的造价可比钢筋混凝土结构降低10%～30%，多孔则节约更多，经济效益显著。
4.2 社会效益
相对于钢筋混凝土涵洞，钢波纹管涵洞的应用，一方面节约了大量的石材、水泥，有利于环保；另一方面可以大幅缩短建设工期，使相对运营时间增加，充分体现其较高的经济效益。特别是在局部地区（如寒冷地区）一年中施工期仅5～6个月，应用钢波纹管涵洞更具有明显的优势，国道214共有4处应用钢波纹管涵洞，平均每处节省工期1～3个月。同时在青海玉树抢险救灾、地震抗洪中应用钢波纹管涵洞更体现出其优异的社会效益和经济效益。
5 结语
根据因地制宜的原则，创新性地首次在青海高海拔多年冻土区采用直径3 m大管径钢波纹管，并对其施工过程中管内壁应变值的变化情况进行检测，总结出管壁应变的变化规律，对高海拔多年冻土区大管径钢波纹管涵洞的施工具有一定的参考作用。钢波纹管涵洞管内壁应变变化规律具体如下。
（1）路中管周波峰、波谷、波侧随填土高度的变化规律相似：当填土至管底+1.35 m时，整体上为压应变；填土至管底+1.65 m时出现应力集中；随着填土高度的增加（至管底+2.895 m），一些测点由压应变转化为拉应变，且有拉应变继续增加的趋势，另一些测点压应变几乎不变。
（2）路中管周波峰、波谷、波侧在管周0°～90°、管周270°～330°存在应力重新分布的过程，应变变化幅度较大；且分别在管周60°、90°、300°处出现应力集中。
（3）管顶横向位置波峰、波谷处的应变都随填土高度的增加整体上呈抛物线增长，规律较为明显。波峰距路中心5.8 m位置处出现应力集中，波谷位于行车道应变整体上大于路基边坡区域的应变。
（4） 高寒地区采用3 m以上孔径钢波纹管涵洞，造价比圬工涵洞低，可降低工程投资10%～30%，节省工期1～3个月，甚至更多。
（5）通过钢波纹涵洞的施工应用及后续检测，证明其整体稳定性优于同类混凝土涵洞。因此，在一定条件下大管径钢波纹管涵洞可在高海拔多年冻土区进行推广应用。
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