基于模型試驗的高填方涵洞EPS板減荷作用研究

羅呂青 張謝東 李 彬 曉 夏 劉建平 黃笑犬

(武漢市政工程設計研究院有限公司1) 武漢 430023) (武漢理工大學交通與物流工程學院2) 武漢 430063)

0 引 言

馬斯頓效應是一種由填埋土體的不均勻沉降導致對下方填埋結構產生附加應力的現象.早期馬斯頓效應未被考慮納入涵洞設計，設計者過小地預計了涵洞所受荷載，極大地影響了涵洞的安全性[1-2].

馬強等[3]對高填方涵洞涵頂土壓力影響因素敏感性進行了分析，確立了土體6項因素對土壓力系數的影響；李勝等[4]進行了在涵洞頂部加設EPS板的室內模型試驗，驗證了EPS板作為減荷材料的可行性；顧安全等[5-7]在圓管涵側部鋪設不同厚度EPS的板進行現場試驗，證明了EPS板減載效果的優良性；姜峰林[8]以實際工程為依托，研究驗證了運用EPS板減荷可有效降低涵洞受力和施工成本；黃笑犬等[9]結合實際工程分析了涵洞土壓力及EPS板壓縮變形，結果表明，EPS板可明顯減小涵洞頂土壓力.

作為減荷材料代表的EPS板是一種可產生大變形壓縮的彈塑性材料[10]，其材料特性能較好地適用于減荷卸載.為此，文中設計了室內試驗研究不同密度、不同厚度EPS板對方涵頂部土壓力的影響，分析了填土階段、靜載階段、卸載階段涵洞頂部土壓力變化規律.

1 模型試驗設計

1.1 模型設計

1) 裝置設計 取模型的縮尺比例為1∶10.試驗在圖1a)自制鋼箱內進行，鋼箱尺寸70 cm×30 cm×100 cm(長×寬×高)，一面為玻璃面板.玻璃面板外側進行圖1b)畫線標記，以涵洞頂部高度(23 cm)為起點，每隔5 cm用長、短橫線交替標記，并標注高度值.

圖1 實物圖

2) 材料設計 涵洞采用C45混凝土現澆而成的方形管涵，見圖2a)，涵洞外尺寸26 cm×23 cm(長×寬)，壁厚5cm，縱深30 cm.EPS板采用密度分別為14、18、20、24 kg/m3的四種26 cm×15 cm×2 cm(長×寬×高)的定制泡沫板研究密度對涵洞頂部土壓力的影響，見圖2b)，采用密度為18 kg/m3，尺寸為26 cm×15 cm×1 ～ 4 cm(長×寬×高)的定制泡沫板研究厚度對涵洞頂部土壓力的影響，見圖2c).不同密度EPS板彈性模量參數見表1.填土參考現場條件，砂土的材料參數見表2.

圖2 示意圖

表1 四種密度EPS板彈性模量值

表2 砂土物理力學特性

3) 填土設計 實際工程中涵洞地基為已沉降完成的地基，可視為剛性地基，模型實驗中可用鋼箱底部模擬地基.試驗采用分層填土布置，即涵洞頂板高度開始，每層填土5 cm，直至75 cm.

4) EPS板鋪設布置 為排除不同工況下砂土壓實度與含水率對涵頂壓力的影響，設計了圖3的EPS板鋪設方式：將涵洞在鋼箱之內的區域等分為圖3的前段與后段，靠鋼箱內側的后段鋪設EPS板，靠玻璃面板一側的前段不進行減荷設置，便于實時對比分析減荷前后涵洞頂部土壓力變化規律.

圖3 試驗布置圖

1.2 測點布置

1) 土壓力盒采用應變式微型土壓力盒，量程為30 kPa，為得到減荷前后涵洞頂部垂直土壓力變化規律，在涵洞前段與后段頂部的中心與邊緣各放置一個土壓力盒，用雙面膠固定，并編號為①、②、③、④，分別代指表3中所示四個測點.

2) 為得到EPS板變形量，圖4a)在EPS板上加設一片鋼條，用雙面膠固定，從圖4b)鋼箱內壁穿出.在鋼箱外壁上設置百分表，監控EPS板中心變形量，見圖4c).

圖4 布置圖

1.3 試驗方案設計

試驗時，先將砂土填至5 cm線高處，將填土表面整平后清零土壓力盒度數，作為填土記錄起點.填土時每填土5 cm將土體表面整平，記錄各傳感器讀數，直至填滿75 cm.填土完成后持續記錄各傳感器讀數300 min，得到土體靜載(沉降)過程中涵洞頂部土壓力變化規律.等待至填土完成12 h后對鋼箱內砂土進行清出(卸載)操作，每清出5 cm厚砂土后，對各傳感器讀數進行記錄.

不同厚度、不同密度EPS板對涵洞周邊土壓力變化研究各分為四種工況，見表4.

表4 試驗方案

2 模型試驗結果與分析

2.1 不同厚度EPS板減荷試驗結果

2.1.1填土階段試驗結果與分析

四測點處土壓力變化見圖5，①、②點處的減荷比例見圖6.

圖5 垂直土壓力變化

圖6 土壓力減小比例

由圖5～6可知：

1) 在填土過程中，③點與④點處土壓力增長趨勢近似線性，其中③點土壓力變化曲線與垂直土柱壓力理論值接近，④點處土壓力明顯較垂直土柱壓力更大.此階段馬斯頓效應已經產生，附加應力在涵頂邊緣形成，但附加應力還未傳遞到涵頂中心處.由圖5a)與圖5c)可知:四次填土的均勻程度接近，可由圖5b)與圖5d)比較減荷效果.

2) 填土高度在35 cm以下時，①點與②點土壓力變化數值接近上方土柱壓力，對比圖5c)～5d)可知，②點產生了明顯的減荷效果.填土高度達到35 cm以上后，①點與②點處土壓力較土柱壓力更低，且差距逐漸增大.

3) 相同密度下， EPS板厚度越大，其對馬斯頓效應的減荷效果越明顯.相同厚度下，隨著填土高度的增加，EPS板的對涵洞頂部土壓力的減荷效果也逐漸增大.馬斯頓效應最先作用于涵頂邊緣，并逐漸向涵頂中心擴張.

4) 填土高度達到35 cm前，②點垂直土壓力僅為未鋪設EPS時的50%，且隨著填土高度地增加，減荷效果也在逐步增加.填土高度達到35 cm后，EPS板對①點處開始展現出減荷效果，且隨著填土高度地增加，其減荷效果也在增加，但增幅逐漸降低.

2.1.2靜載階段試驗結果與分析

四種工況下的長期靜載階段涵洞頂部垂直壓應力變化規律相似，以工況H-3為例，其涵洞頂部四處傳感器的數值變化見圖7.四種工況下涵洞后段頂部中心垂直壓應力隨時間變化見圖8，EPS板變形量隨時間變化見圖9.

圖7 H-3靜載階段各點垂直土壓力變化

圖8 各工況下涵洞①點垂直土壓力變化

圖9 沉降階段EPS板變形量

由圖7可知：靜載的0～30 min，③點與④點土壓力變化明顯，其中④點的土壓力值較③點處更大，證明馬斯頓效應對該部位影響更為明顯.①點與②點處垂直土壓力增幅較小，且在300 min內土壓力變化不大，證明EPS板對減小馬斯頓效應有較好的效果.

300 min靜載階段結束后，③點處的垂直壓應力為11.9 kPa，④點處的垂直壓應力為20.0 kPa，分別為0.7 m土柱壓應力(8.23 kPa)的1.45與2.43倍，證明馬斯頓效應的產生對涵洞頂部造成了較大的附加應力.①點處的垂直壓應力為7.02 kPa，②點處的垂直壓應力為7.29 kPa，分別為0.7 m土柱壓應力的85%與88%，證明了鋪設EPS板可大幅減小涵洞頂部垂直土壓力.

由圖8可知：四種工況下①點處垂直壓應力變化趨勢相似，均為初始時增幅較大，30 min內幾乎完成靜載階段應力增長量的50%，30 min后同時長應力增長幅度明顯下降.且鋪設的EPS板厚度越大，同時期涵洞上部垂直土壓力越小，減荷效果越好.

由圖9可知：沉降階段內，EPS板變形量隨時間變化規律近似線性，且EPS板厚度越大，其同時期壓縮量也越大.在涵洞頂部壓力增長較快的時段，EPS板的變形量未有較明顯的增幅變大區域，在后續頂部土壓力趨近平穩的階段，EPS板變形量也未停止增長，說明EPS材料有著明顯的蠕變特性.

2.1.3卸載階段試驗結果與分析

卸載階段中各工況下①點的應力變化與EPS板變形量變化見圖10.

圖10 卸載階涵洞后段頂部中心土壓力于EPS板變形量變化

由圖10可知:完成靜載12 h后，①點處垂直土壓力較填土完成時有較大的增長，工況H-1～H-4分別由7.47、6.79、6.41、5.92 kPa增長為8.71、7.38、7.05、6.55 kPa，證明在沉降過程中馬斯頓效應對涵洞頂部造成了較明顯的附加應力.

卸載的初始階段，移除涵頂填土對涵頂應力影響不甚明顯，當剩余填土高度降到50cm以下時，垂直土壓力大幅下降.經分析，填土沉降過程中，其內部在顆粒間的摩擦力與黏結力的作用下形成了土拱效應，引起了土體內部的應力重分布，上部填土產生的應力不完全作用在涵洞上.當填土高度降低到50 cm以下時，土體內拱結構破壞，涵洞頂部土壓力正常減小.

EPS板變形量由靜載300 min后的0.393 7 mm增長為0.620 8 mm，在長期荷載作用下EPS板有較明顯的蠕變現象.在卸載過程中EPS板變形量雖有微小降低，但整體變形幾乎沒有變化，穩定在0.615 mm附近，說明EPS材料變形對壓力變化敏感性較低.

2.2 不同密度EPS板減荷試驗結果

2.2.1填土階段試驗結果與分析

填土階段③點的應力變化與上方土柱垂直土壓力接近，與圖5中考慮不同厚度EPS板減荷試驗時結果相似.鋪設不同密度EPS板后，①點處垂直土壓力隨填土高度變化曲線見圖11a)， ①點處垂直土壓力的減小比例見圖11b).

圖11 ①點處垂直土壓力變化和土壓力減小比例

由圖11a)可知:當填土高度不足35 cm時，鋪有四種密度EPS板的①點處土壓力與垂直土柱壓力(γh)接近.當填土高度超過35 cm后，鋪有工況M-1先行產生減荷效果，土壓力小于上方土柱壓力.隨著填土高度增加，工況 M-2、M-3、M-4依次產生減荷效果.由圖11b)可知:EPS板密度越小，其產生減荷效果需求的填土高度越小，其在相同填土高度下減荷效果越好.隨著填土高度的增加，四種工況下EPS板的減荷效果逐漸趨于平穩.

2.2.2靜載與卸載階段試驗結果與分析

靜載與卸載階段四種工況下①點的讀數見圖12,圖13為沉降階段EPS板變形量.

圖12 ①點垂直土壓力變化

圖13 沉降階段EPS板變形量

由圖12a)可知:鋪設相同厚度的EPS板，密度越低，對涵洞頂部的減荷效果越明顯.其中M-1工況中，靜載300 min后涵洞后段頂部土壓力值小于靜載階段初始時的土壓力值，證明EPS板的減荷效果優異，且可提供在長期荷載作用下的減荷環境.由圖12b)可知:在12 h靜載作用下，工況M-1～M-4的涵洞頂部中心的應力從完成填土時的6.15、6.79、7.26、7.87 kPa變化至6.09、7.38、8.08、9.30 kPa.在卸載過程中，隨著填土高度的減少，初期①點垂直土壓力變化不明顯，待填土高度降低到50 cm附近時，①點垂直土壓力開始大幅降低.

由圖13可知:EPS板變形趨勢與研究厚度影響時相似，均表現出EPS板明顯的蠕變性質，且隨著時間的增長，其變形量有趨近平穩的趨勢.試驗結果表明，EPS板密度越低，其在相同時間點的變形量也越大，最終變形量也越大.

3 結 論

1) 馬斯頓效應會對涵洞頂部產生較大的附加應力，在涵洞頂部鋪設EPS板可有效消除馬斯頓效應.

2) 在沉降過程中，土體內部通過顆粒間的黏結力與摩擦力形成土拱，將涵洞上部填土產生的應力進行重分配.

3) 使用EPS板消除馬斯頓效應時，鋪設的EPS板密度越小，其減荷效果越明顯，其應變越大；厚度越大，其減荷效果越明顯，其應變越小.

4) EPS板有明顯的蠕變效應，在荷載作用下不能瞬間完成應有變形，在長期荷載作用下EPS板的變形量會有一定增大.