基于養(yǎng)護(hù)項目圓管涵在多錘頭碎石化施工時的結(jié)構(gòu)受力分析

陳震

摘要 多錘頭碎石化技術(shù)能有效改善路面結(jié)構(gòu)及性能，但也存在一定風(fēng)險，特別是對地下管線的影響。文章以某公路項目為例，研究了多錘頭碎石化施工對圓管涵結(jié)構(gòu)的影響，介紹了多錘頭碎石化錘擊荷載的特點和傳遞機(jī)制，通過建立圓管涵結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，模擬計算得到圓管涵在不同覆土深度、距離下的位移及應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明，圓管涵覆土深度大于3.4 m時多錘頭碎石化施工不會造成圓管涵結(jié)構(gòu)的破壞，且破碎效果良好，旨在為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 公路工程；圓管涵結(jié)構(gòu)；多錘頭碎石技術(shù)；結(jié)構(gòu)受力特性分析

中圖分類號 U416.216文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0099-03

0 引言

圓管涵是一種常用的公路涵洞結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價低廉等優(yōu)點。圓管涵結(jié)構(gòu)受力性能受到路基土、路面結(jié)構(gòu)、荷載作用等多種因素的影響，為確保結(jié)構(gòu)安全需分析圓管涵的結(jié)構(gòu)受力。多錘頭碎石化技術(shù)通過多個錘頭進(jìn)行路面碎石化處理，形成高強(qiáng)、高密、高耐久的碎石層，具有施工效率高、節(jié)約材料、降低成本等優(yōu)勢，但多錘頭碎石化施工時產(chǎn)生的錘擊荷載會影響圓管涵結(jié)構(gòu)受力，可能導(dǎo)致圓管涵發(fā)生變形、開裂、破壞等問題。因此，基于養(yǎng)護(hù)項目的圓管涵在多錘頭碎石化施工時的結(jié)構(gòu)受力分析非常重要[1]。

1 多錘頭碎石化施工時路基中應(yīng)力情況

采用有限元軟件ABAQUS建立含帶圓管涵路面結(jié)構(gòu)模型，模擬不同荷位條件下的應(yīng)力分布情況。假設(shè)路基土為彈性材料，其彈性模量為50 MPa，泊松比為0.3；圓管涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其彈性模量為30 GPa，泊松比為0.2；多錘頭碎石化施工時的錘擊荷載為46.5 MPa，作用時間為0.01 s，作用面積為0.25 m×0.25 m。考慮以下4種不同的荷位條件：荷位一在圓管涵上方中心位置；荷位二在圓管涵橫向接縫正中；荷位三在縱向接縫中央；荷位四在板角處。相同深度下4個荷位分別施加錘擊荷載，不同荷位條件下的附加應(yīng)力不同，其中荷位四的附加應(yīng)力最大，達(dá)到137.2 kPa，說明多錘頭碎石化施工時，錘擊荷載對圓管涵結(jié)構(gòu)的影響與其作用位置有關(guān)，板角處為受力薄弱部位[2]。

2 圓管涵的安全性驗算

為保證施工安全，防止圓管涵結(jié)構(gòu)受錘擊荷載破壞，需進(jìn)行安全性驗算。驗算時考慮路基內(nèi)部應(yīng)力分布的影響以及圓管涵埋置深度的大小，以評估圓管涵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1 路基工作區(qū)

路基工作區(qū)是指土體受到交通荷載和路基重力的共同作用的深度范圍。當(dāng)深度Za達(dá)到一定值時，交通荷載產(chǎn)生的應(yīng)力可忽略，只考慮路基重力產(chǎn)生的應(yīng)力，具體數(shù)值根據(jù)應(yīng)力之比為1/10～1/5確定。深度不超過Za時，土體承載能力受到較大影響。深度超過Za時，土體承載能力影響較小[3-4]。

2.2 多錘頭碎石化荷載影響范圍

分析路基工作區(qū)錘擊荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力與路基結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力比，該比值反映了土體受到的外部荷載、內(nèi)部荷載的相對大小。比值為1/10～1/5時，可忽略交通荷載對土體的影響，用有限元分析法求出多錘頭碎石化施工時不同深度處的附加應(yīng)力值。表1為荷位四處，路基內(nèi)部附加應(yīng)力隨深度的變化情況。

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)及路基結(jié)構(gòu)不同深度對應(yīng)的應(yīng)力值計算錘擊荷載影響下路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力及結(jié)構(gòu)自身應(yīng)力比值，畫出應(yīng)力比—深度曲線如圖1所示。

圖1顯示了應(yīng)力比隨深度的變化曲線，據(jù)圖可知，應(yīng)力比大于1/5時，深度增大，應(yīng)力比迅速下降，說明土體受到較小的外部荷載影響；應(yīng)力比小于1/5時，隨著深度的增加，應(yīng)力比降速減小，趨近于0，此時土體只受內(nèi)部荷載影響。應(yīng)力比1/5作為判斷圓管涵安全性的標(biāo)準(zhǔn)得到圓管涵埋深為3.4 m，即當(dāng)圓管涵埋深3.4 m時不受多錘頭碎石化錘擊荷載的影響。

3 圓管涵位移和應(yīng)力分析

3.1 有限元模型

建立有限元模型分析圓管涵的位移、應(yīng)力，圓管涵尺寸和性能指標(biāo)如下：橫向變形系數(shù)0.18、直徑1.0 m、壁厚0.15 m、模量2 200 MPa、密度2 400 kg/m3，模型如圖2所示。

3.2 圓管涵位移分析

模擬圓管涵在多錘頭碎石化錘擊荷載下的位移變化，通過分析不同荷位條件下的圓管涵位移數(shù)值，繪制出荷位－位移關(guān)系曲線如圖2所示：①荷位四的圓管涵位移最大，達(dá)到1.90 mm；荷位二的圓管涵位移為1.59 mm，是荷位四的85%，說明圓管涵位移受到加載部位的影響；②荷位一的圓管涵位移為0.95 mm，只有荷位二的58%；而荷位三的圓管涵位移與荷位二相近，說明圓管涵位移受到錘擊部位和圓管涵之間距離的影響。為明確圓管涵位移變化規(guī)律，需分析不同距離下的圓管涵位移。選擇荷位二正下方作為起始點，分析混凝土板面右下方圓管涵位移隨距板中央距離的變化[5-6]而變化的情況。從表2可以看出，隨著距離的增加，圓管涵位移逐漸減小，錘擊荷載對遠(yuǎn)處圓管涵影響較小，如圖3所示。

通過表2和圖3，可總結(jié)出以下規(guī)律：

（1）錘擊荷載作用在板中時，圓管涵位移最大，分別為1.89 mm、1.60 mm，對應(yīng)荷位四和荷位二。

（2）錘擊荷載作用在板邊時，圓管涵位移較小，分別為0.94 mm、1.61 mm，對應(yīng)荷位一和荷位三。

（3）錘擊荷載距離板中越遠(yuǎn)，圓管涵位移越小，因此，在進(jìn)行多錘頭碎石化施工時需考慮降低落錘高度，減少圓管涵所受影響。

3.3 圓管涵應(yīng)力分析

運(yùn)用有限元分析法分析不同荷位條件下的圓管涵應(yīng)力數(shù)值，繪制荷位－應(yīng)力變化關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可以看出：①荷位四的圓管涵應(yīng)力最大，達(dá)到604.0 kPa；荷位二的圓管涵應(yīng)力為470.9 kPa，是荷位四的78%，說明圓管涵應(yīng)力與荷位的關(guān)系不明顯。②荷位三的圓管涵應(yīng)力為353.6 kPa，是荷位四的58%，這說明圓管涵應(yīng)力與錘擊部位和圓管涵之間距離的關(guān)系很明顯，這與位移分析的結(jié)果相一致。為了更深入地了解圓管涵應(yīng)力變化的規(guī)律，需分析不同距離下的圓管涵應(yīng)力[7-9]。選擇荷位三正下方作為起始點，分析混凝土板面右下方圓管涵應(yīng)力隨距板中央距離的變化規(guī)律。表3和圖4給出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)和曲線。從表3、圖4可以看出，隨著距離的增加，圓管涵應(yīng)力逐漸減小，說明錘擊荷載對遠(yuǎn)處的圓管涵影響較小。

（1）荷載作用在板中時，圓管涵應(yīng)力最大，分別為268.3 kPa和470.9 kPa，對應(yīng)荷位一和荷位二。

（2）荷載作用在板邊時，圓管涵應(yīng)力較小，分別為353.6 kPa和604.0 kPa，對應(yīng)荷位三和荷位四。

（3）荷載距離板中越遠(yuǎn)，圓管涵應(yīng)力越小。

因此進(jìn)行多錘頭碎石化施工時需考慮降低落錘距離，以減少對圓管涵的影響，同時分析圓管涵受力狀況，如圓管涵應(yīng)力超過其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無法使用多錘頭碎石化施工，需使用人工碎石化技術(shù)，以免破壞圓管涵結(jié)構(gòu)[10]。

4 結(jié)論

綜上所述，利用ABAQUS有限元分析模型研究多錘頭碎石化施工對圓管涵結(jié)構(gòu)的受力影響。通過分析路基內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)力比的變化，以及圓管涵位移和應(yīng)力的變化，得出以下結(jié)論：

（1）多錘頭碎石化施工會產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，影響路基內(nèi)部的土體。土體深度小于3.4 m時，附加應(yīng)力占路基結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力的比值較大，達(dá)到1/10～1/5；土體深度大于3.4 m時，附加應(yīng)力占路基結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力的比值較小，接近0。

（2）多錘頭碎石化施工對圓管涵結(jié)構(gòu)的影響與荷載的位置和距離有關(guān)。當(dāng)荷載作用在圓管涵上方或下方時，圓管涵受到的位移和應(yīng)力最大；荷載作用在圓管涵旁邊時，圓管涵受到的位移和應(yīng)力較小；荷載距離圓管涵越遠(yuǎn)時，圓管涵受到的位移和應(yīng)力越小。

（3）多錘頭碎石化施工時，圓管涵所受應(yīng)力超過其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時需改用人工破碎技術(shù)，以免損壞圓管涵結(jié)構(gòu)。

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