覆土钢波纹管涵由于其施工便捷、绿色环保以及适用范围广等优点,在我国已得到迅速的推广与应用,也开展了很多研究工作,但对于该结构长期受力性能和耐久性方面研究相对较少。随着覆土钢波纹管涵服役期的增长,为了保障公路交通安全,有必要对其长期受力性能及耐久性进行研究。
本文以两座不同线形覆土钢波纹管涵(圆形和管拱形)工程为依托,通过对两座钢波纹管涵在施工回填阶段及运营期间的受力性能进行试验研究,对比分析不同线形管涵的受力特点以及土-结相互作用演变规律;以试验数据为基础,建立三维有限元模型模拟施工回填过程及地基长期固结沉降对两座管涵的受力性能影响;随后,通过采用现场埋片试验与盐雾加速腐蚀试验相结合的方法,对位于盐渍土地区的钢波纹管涵进行耐腐蚀寿命预测及防腐设计方案的研究。
得出的主要结论如下:
(1)圆管涵和管拱涵在施工回填过程中的变化趋势基本一致,受两侧土体压实作用呈现出先上拱后逐渐下挠的趋势,这种土-结相互作用有利于管涵承担较大的上部土体及行车荷载,对管涵的长期受力有利。管拱涵横向水平刚度较大,使其在回填过程中的变形比圆管涵小,而水平土压力比圆管涵大。
(2)随着时间的推移,两座管涵在运营期间的竖直土压力和水平土压力逐渐趋于平缓,同时管顶竖直土压力小于管顶外侧竖直土压力,表明管涵在运营过程中上部土体产生的正土拱效应有所增加,使两侧土体承担部分管顶荷载,从而使管涵受力逐渐向有利的方向发展。在沉降作用下,圆管涵比管拱涵的适应变形能力强。
(3)采用ABAQUS建立考虑侧向压力系数的三维有限元模型对分层回填过程进行模拟,通过有限元计算值与实测值对比,可以看出有限元计算值与实测值的变化趋势基本吻合,证明对土体施加考虑侧向压力系数的地应力平衡方法可以有效地模拟施工过程中土体对管涵产生的水平方向约束。
(4)通过对现场埋片试验与盐雾腐蚀试验数据的幂函数拟合,基于灰色关联度分析法建立腐蚀寿命预测模型,并采用估计材料使用寿命方法(EMSL)对管涵耐腐蚀寿命进行预测,预测得出此类结构在盐渍土地区的耐久性寿命在53年以上。进行了不同涂层类型的防腐效果对比,进而提出适用于盐渍土地区的防腐设计方案。
