[发明专利]高填方钢波纹管涵洞垂直土压力计算方法及变形计算方法

说明书

本发明公开了一种高填方钢波纹管涵垂直土压力计算方法及变形计算方法，在考虑钢波纹管竖向收敛变形的基础上，从管顶平面内外土柱沉降入手，提出了未采取减荷技术的钢波纹管涵垂直土压力计算方法、采取减荷技术时的钢波纹管涵垂直土压力计算方法及管涵竖向收敛变形计算方法。本发明可为高填方下常规填土或采取减荷措施后的钢波纹管涵设计提供土压力计算方法，同时也提供了管涵竖向收敛变形计算方法，土压力与变形计算结果与实际情况较为一致，计算方法填补了国内外在该领域的空白。本发明提出的减荷设计方法，可有效减小涵顶垂直土压力，防止管涵结构产生大变形，同时保护涵洞结构安全与稳定性。

技术领域

本发明涉及岩土与地下工程领域,具体涉及高填方钢波纹管涵洞垂直土压力计算方法及变形计算方法,其适用于公路、铁路、水利、机场、矿山、电力、市政、港口、军工等工程基础设施建设领域中的钢波纹管涵结构,可被用作路堤或渠堤下的排水涵洞、交通或通道涵洞，大坝与尾矿库下的排洪涵洞、检修涵洞、廊道、泄水通道。

背景技术

高填方下的涵洞多属于上埋式构筑物，被广泛应用于公路、铁路、机场、矿山、水利、电力、市政、港口、军工等基础设施建设，其结构的安全性对所属的主体工程至关重要，尤其是高填方下的涵洞，故有“生命线工程”之称。涵洞的结构类型主要有盖板涵、圆管涵、箱涵、拱涵等，盖板涵和拱涵的边墙多采用混凝土圬工或石材砌体、盖板和拱圈多采用钢筋混凝土，圆管涵一般为钢筋混凝土结构，近几年因国家推行装配式钢结构和去产能调结构的宏观政策，钢波纹管或板也逐渐使用于涵洞工程。

钢波纹管相比于传统的岩土体中的埋置式结构，优势凸显：①适应变形能力强，对地基要求较低；②具有良好的抗震性能；③工厂化定型批量生产，有利于质量控制；④材料体量小，可有效减少运输困难，现场安装也简单；⑤施工简便，工期短；钢波纹结构采用半成品现场拼装施工，与钢筋混凝土结构相比，工期可缩短70％以上；⑥低碳环保，减小或舍弃了砂、石、水泥和木材等常规建材，有利于环境保护。

钢筋混凝土或圬工砌体涵洞其结构自身压缩性相对于涵周土体的压缩性来说显得极小，以致于可以忽略不计，因此可称之为“刚性涵洞”；而对于薄壁钢波纹圆管涵，由于其结构是将一定厚度的热轧钢板或钢带，按照规定的尺寸，经波形轧制和冷弯加工而制成的波纹圆管分节组装或弧形钢波纹板分片拼装而成，钢波纹管结构自身会随管周外力(主要是周围的土体压力)产生不同程度的变形，这种结构变形可能会达到甚至远远超过管侧土体的沉降变形，同时这种变形又会受到管周土体的弹性抗力约束，形成一个柔性的“土-钢结构”，由土体与涵管结构综合协调变形而引发荷载的重新分布，因此可称钢波纹管涵为“柔性涵洞”。

而涵顶垂直土压力是涵洞结构设计的重要依据之一，是决定管涵材质、壁厚、波长与波高的重要参数。目前的上埋式涵洞垂直土压力多是针对刚性混凝土涵洞而开展的，不考虑涵洞本身的压缩变形，只考虑涵侧土体的压缩变形，而对于高填方下的钢波纹管涵则需要考虑其在垂直土压力作用下的变形情况，而影响管涵顶垂直土压力因素较多，比如：钢波纹管材质、波型、壁厚、直径、基床形式、压实工艺、填方高度、压实度，地形及填料工程特性等，且各因素之前互有影响；对则管涵而言，填土即是介质又是荷载，又与管涵相互作用，因此，使得管顶垂直土压力的计算模型复杂化。所以，本领域急需研究一种适用于高填方下的钢波纹管涵的有效的土压力计算方法，对于指导钢波纹管涵结构设计、保护钢波纹管涵结构安全及防止涵洞变形过大等均具有重要的现实意义。

发明内容

为解决现有技术中还没有高填方下的钢波纹管涵结构设计时对应的土压力计算方法的问题，本发明提供高填方钢波纹管涵洞垂直土压力计算方法及变形计算方法。

本发明的目的是以下述方式实现的：

高填方钢波纹管涵洞垂直土压力计算方法，包括未采取减荷技术和采取减荷技术的高填方钢波纹管涵垂直土压力计算，所述的减荷技术为通过在涵顶平铺柔性减荷材料EPS板的方式进行减荷，具体分为以下两种涵顶垂直土压力计算公式：

1)涵顶未采取减荷技术情况下的垂直土压力σ_v计算公式