（道路与铁道工程专业论文）多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析.pdf

摘要 本文主要利用a n s y s 软件从理论上对多年冻土地区无基波纹管涵洞的受力性能进行分 析，论文共分五部分，第一部分，绪论，主要介绍了冻土和波纹管涵洞的国内外发展和研究 概况，同时阐明本论文的研究方法和内容；第二部分，冻土的基本理论，介绍了冻土的分布， 冻土的定义，及其国内外冻土类型划分，同时介绍了冻土的物理和力学性质：第三部分，介 绍了多年冻土地区常用的涵洞形式，及其这些涵洞在多年冻土地区的使用状况，通过对比分 析重点介绍了波纹管涵洞的突出特点；第四部分，是论文的核心部分，通过有限元软件a n s y s 对多年冻土地区无基波纹管涵洞受力性能进行仿真分析，主要有三方面的内容：一，对波纹 管和普通钢管的受力进行对比分析，通过分析得出波纹管具有较明显的轴向补偿位移的作 用，说明波纹管具有较大的延伸性，同时随着直径的减小轴向补偿位移的能力越大；二，对 多年冻土地区常用的直径为1 0 m 、1 5 m 管涵在底面两端产生不同程度冻胀量时，针对不同 的换填厚度、壁厚、上部填土厚度对其变形和应力进行分析，根据本文的分析，得出直径为 1 0 i i l 波纹管涵洞最小换填厚度为0 6 m ，最小壁厚为2 7 r a m ；直径为1 5 m 波纹管涵洞最小换 填厚度为0 3 m ，最小壁厚为2 7 珊t 】；上部填土适当增加，可减缓冻胀量的影响；三，对上面 确定的直径为1 0 m 和l _ 5 m 波纹管涵洞结构进行融沉分析，其涵管变形和最大应力均未超过 容许值。第五部分，结论。通过本文分析，在多年冻土地区应用波纹管涵，发挥其优良的变 形能力和钢材的抗拉性能及抗疲劳性能较好的特点，对预防和彻底解决涵洞因冻胀和融沉而 导致的破坏较为有效。 关键词：波纹管涵洞、冻胀、融沉、a n s y s a b s t r a c t t h et h e s i s p r e s e n t st h em m a l a t i o no fc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t w i t h o u t f o u n d a t i o ni np e r m a f r o s tw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y s t h et h e s i sc o n s i s t s o ff i v ep a r t s t h ef i r s tp a r tm a i n l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h er e s e a r c h s i t u a t i o no ff r o z e ns o i la n dc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r ti nc h i n aa n da b r o a d t h es e c o n d p a r ti st h ee s s e n t i a lt h e o r yo ff r o z e ns o i l ，w h i c hi n t r o d u c e st h ed i s t r i b u t i o n ， d e f i n i t i o n ，d i v i s i o n ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff r o z e ns o i l t h e t h i r dp a r ti n t r o d u c e st h et y p e so fc u l v e r tu s u a l l yu s e di np e r m a f r o s t ，a n dt h e p r a c t i c a lp e r f o r m a n c eo ft h e s ec u l v e r t si np e r m a f r o s t ，a n de m p h a s i z e st h e o u t s t a n d i n gc h a r a c t e ro fc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r tb yc o m p a r i s o n t h ef o r t hp a r ti s t h ec e n t e r 。i n c l u d i n go ft h r e ea s p e c t s ，w h i c ht h r o u g ht h ea n a l y s i so fd e f o r m a t i o n a n ds t r e s sw it ha n s y s s i m u l a t e st h es t a t u so fc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r ti np e r m a f r o s t 。 t h ef i r s ta s p e c ti n d i c a t e st h a tc o r r u a t e dp i p ec u l v e r th a so u t s t a n d i n gc a p a c i t y o fs u p p l e m e n to fa x i a ld i s p l a c e m e n tb yt h ec o m p a r i s o no ft h em e c h a n i c so fc o r r u g a t e d p i p ec u l v e r ta n dn o r m a lp i p ec u l v e r t t h es e c o n da s p e c tb u i l d ss o l i dm o d e l st h a t a n a l y z et h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s so fp i p ec u l v e r t sw i t ht h ed i f f e r e n td i a m e t e ro f 1 o ma n d1 5 m ，w i t hd i f f e r e n td e g r e eo ff r o s th e a v i n ga tt h et w oe n d so fc u l v e r t s ， a n dm a k e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h em i n i m u mt h i c k n e s so fe x c h a n g ea n dt h em i n i m u m t h i c k n e s so fw a l lare0 6 ma n d2 7 m nf o rc o r r u g a t e dc u l v e r tw i t ht h ed i a m e t e ro f 1 0 i l la n dt h a ta r e0 3 ma n d2 7 聊f o rc o r r u g a t e dc u l v e r tw i t ht h ed i a m e t e ro fl _ 5 m a n d i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so fb a c k f i l l i n gc a nr e d u c et h ef r o s th e a v i n g t h et h i r d a s p e c ta n a l y z e st h et h a ws e t t l e m e n to ft h ec h o s e nc u l v e r t sw i t ht h ed i a m e t e r so f 1 o ma n d1 5 m , a n dt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sa r en o tb e y o n dt h el i m i t s t h ef i f t h p a r tist h ec o n c l u s i o nt h a tc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r tu s e di np e r m a f r o s tc a ne x e r t t h ee x c e l l e n tc a p a c i t yo fd e f o r m a t i o na n dt h et e n s i l ea n da n t i f a t i g u ec a p a c i t yo f s t e e la n dh a sm u c he f f e c t si np r e v e n t i n ga n ds o l v i n gt h ed e s t r u c t i o no fc u l v e r t s c a u s e db yf r o s th e a v i n ga n dt h a ws e t t l e m e n t k e y w o r d s ：c o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t ，f r o s th e a v i n g ，t h a ws e t t l e m e n t ，a n s y s 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 1 1 国内外的研究现状和发展趋势 1 1 1 冻土的国内外的研究现状和发展趋势 我国幅员辽阔，多年冻土分布广泛，随着国民经济的进一步发展，能源、交通、通讯等 许多设施将建在这些冻土上，同时一些现有建筑物也不同程度受到冻害影响，因此，近年来 直接为工程建设服务的冻土工程研究愈来愈受到各国重视。对冻土力学性质的研究，不但具 有理论意义，而且对解决工程难题具有直接的现实意义，其必要性和紧迫性显而易见。 国外冻土力学的研究于3 0 年代始于前苏联，以c c bh j iob 和h a l ih ito b hq 为代表的冻土力学专家，在6 0 年代和7 0 年代取得大量的成果。揭示了冻土的单轴强度、 瞬时三轴强度，尤其是冻土的流变特性及最基本的本构关系“1 。6 0 年代末欧美国家也陆续开 展了冻土的物理力学性质的研究，6 1 年，美国设立了c r r e l 专门从事寒区工程研究。 0 s t e r k a m p 嘲在假定正冻土中没有间接热质迁移的条件下，提出了一个理论模型用以摇述含盐 冻土中冻结锋的发展：c a r y 咖提出了一个描述水分、溶质和热质相耦合的间接热传导模型； 1 w a t a 进一步研究了其它正冻土中的土水势作用机理，提出了一个正冻土中水分迁移速度与 水头、溶质梯度、电位势梯度相关联的模型；近年，美国科学院极地研究局成立了多年冻土 研究委员会，负责协调和促进北美多年冻土研究和国际合作交流。加拿大除国家理事会建筑 研究所从事冻土研究外，许多政府部门也进行冻土研究“。 我国在5 0 年代首先从东北地区开始了系统的冻土学研究工程。6 0 年代，中国冻土工作 者为冻土地区一系列工程的修建做了大量工作，并在室内外系统开展了研究冻土物理力学和 热学性质的试验。1 9 7 5 年冻土一书的出版，通俗而系统地介绍了冻土知识和我国以往研 究成果，并附有第一张小比例尺的中国冻土分布图。1 9 7 8 年以后，我国冻土研究进入出成果 的阶段，出现了一批系统性的成果。东北冻土研究，提出东北大小兴安岭多年冻土分区及特 征，并编制出东北多年冻土分布图( 1 ：3 0 0 万) ，专题总结出大小兴安岭多年冻土的地温特征。 青藏高原冻土研究，对区域冻土特征及其影响因素有了系统总结，编制出版了青藏公路沿线 多年冻土分布图( 1 ：6 0 万) ”。8 0 年代初，在大量实际资料基础上，对我国多年冻土的基 本特征和分布发育的地带性、区域性规律，已有全面的论述，给出中国多年冻土区面积有2 1 5 10 6 k m 2 ，将我国多年冻土明确划分出高纬度多年冻土和高海拔多年冻土两种类型的多年冻 土，后者又有高山多年冻土和高原多年冻土之分。在冻土物理力学及化学性质大量室内外 试验研究基础上，提出各种土的冻胀分类方案和冻胀预报模型，提出了以考虑冻土融沉性为 东北林业人学硕士学位论文 主的多年冻土的工程分类，针对渠系与公路冻害原因及防治的“土冻胀与盐胀试验研究及其 应用”课题在东北和西北广大地区取得了良好的成果和效益。冻土物理力学和热学的基本参 数和实验方法等，业已纳入国家有关规范。冻土力学按研究内容分为应用冻土力学和实验冻 土力学”1 ，实验冻土力学以室内实验为主，主要进行了以下工作：对不同围压下冻土的三轴 抗剪强度做了系统的实验研究，指出冻土的抗剪强度随围压增大而增大，与普通融二t 的强度 性质相同，但当围压大于某一极限后，围压的继续增大则加速了空隙冰的压融，降低了冻土 的粒间联结强度，导致冻土弱化“：进行了冻土在变载和变温条件下的蠕变实验研究后，指 出冻土在变应力过程中的蠕变破坏时问基本符合破损度线性累加原理“：对冻土的抗冲击强 度进行了试验研究o “。应用冻土力学方面：对位于冻土上的建筑物将承受的切向、法向、水 平向冻胀力的影响因素及其取值范围进行了系统研究“；将影响冻胀力的因素归纳为自然条 件和工程条件两大类；对冻土退化环境下的道路工程的设计原则与设计方法，提出了严格保 护、部分保护、不保护等设计原则与方法“；将数学物理问题的数值方法应用于冻土路基热 状况动态特征的模拟研究，对路堤边坡坡度、保温材料、道路的坡向等冻土路基建设中的实 际问题进行了数值分析研究“；提出了确定设计冻深的方法“”；对建筑的不同基础下的冻胀 力进行了系统分析与评述“。：提出了冻土蠕变的微结构损伤理论等o ”。冻土工程国家实验室 在中国科学院兰州冰川冻土研究所建成，并于1 9 9 1 年向国内外开放，为冻土科学的发展提 供良好的实验条件，出版了冻土水分迁移的实验研究、冻土强度与蠕变、土的冻胀和 盐胀机理、冻融土中的水热输运问题等书。在道路、水利、工业与民用建筑等以往大量 工作基础上，完成并出版了些著作，如路基冻害及防治、土的冻胀与建筑物冻害防治、 冻土路基工程、冻土工程、冻结凿井冻土壁的工程性质等。 总之，我匡冻土研究在紧密结合生产实践中发展起来，以中国科学院兰州冰川冻土研究 所( 现改名为中国科学院寒区旱区环境与工程研究所) 为中心，已形成为一个包括普通冻土、 冻土物理力学及工程冻土学的较完整的冻土学研究体系。从定性到定量，从宏观到微观，从 理论到实践，进入全面发展的时期“1 。 1 1 2 波纹管涵洞的国内外的研究现状和发展趋势 波纹管涵洞的研究应用首先应该提到波纹钢管工业的发展。回顾波纹钢管工业的发展， 波纹钢管已有近百年的历史。当初美国印第安朔刚- h 的一位城建工程师，在看到药剂师用有波 纹的纸包裹一瓶药时而产生的最初想法，以至后来形成此类钢管产品。 1 8 9 6 年美国率先进行波纹板涵管的可行性研究；1 9 1 3 年首条波纹管涵洞被应用于英围 苏格兰爱丁堡近郊的农田灌溉；1 9 2 3 年美国铁路工程协会在伊利诺斯州的中央铁路应用波纹 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 板涵洞进行了实体测试：1 9 2 9 年加拿大首座波纹管用于一煤矿中：1 9 3 1 年澳大利亚首次用 波纹钢板建成8 米汽车通道一座；1 9 9 0 年日本高速公路设计规范制定了波纹管设计技术 规范。一些生产商就市场上不断萌生的新要求对波纹钢管的应用前景颇为看好，由此带动了 波纹钢管工业的迅速发展。在上世纪七十年代中期，国际波纹钢管联合组织( n c s p a ) 仅在 美匡】就有1 3 0 多家波纹钢管制造厂，并且有钢厂和材料厂，应用在涵洞、排水管和其它排水 系统的波纹钢管产品逐步趋向于成熟化。随着波纹钢管的发展，波纹金属板材目前已在国外 的公路、铁路和民用建筑中得到了广泛的应用。并占据着重要角色。目前，美国、日本、加 拿大、澳大利亚、意大利等国家均制订有波纹钢管涵洞的设计、制造及施工安装手册和规范 标准，积累了较为成熟的修筑经验“。 波纹钢管作为地下结构被广泛应用的另一个重要因素是柔性的波纹钢管与它周围的回 填物质之间发生综合的相互作用“”。理想的地下结构的所有位置都应对管体周围和其上面泥 土的荷载起作用，波纹钢管接近这个理想结构。安装后的波纹钢管既柔韧又结拱成型，其周 围回填后形成一个拱形结构和一个弹性层，这个弹性层不断地均衡四周压力。 随着波纹管涵在世界各地的安装使用，此种结构物已被证明在各种使用情况下的通用 性，而且其寿命已超过了设计寿命，特别是在寒区工程中，应用波纹管涵洞更显其优越性。 在我国也曾应用过波纹管涵。云南省滇缅公路、青藏公路抢修工程及上海高桥地区等均 曾有过应用历史，经考证均是解放初期进口安装的，但由于历史背景和其他原因，未能广泛 使用。 目前，波纹钢管涵洞在我国的研究和应用尚处于起步阶段。1 9 9 7 年，在青藏公路唐古拉 山的温泉地区修筑了孔径1 5 m 的整体式波纹管试验涵两道，1 9 9 8 年在雁石坪地区修筑了一 道孔径1 5 m 的两半圆拼装式波纹管试验涵。呻；同年，在上海浦东张桥镇工业区、上海市四 号线莘朱公路和浦东国际机场专用公路分别安装修建了波纹钢管涵洞，开创了我国波纹管涵 服务于干线公路和重大工程的先例o ”。 2 0 0 1 年，黑龙江省交通科研所自主开发研制的小孔径波纹钢管，结合我省林肇公路二期 工程建设，安装修筑了一道孔径1 o m 、涵长1 3 0 i n 的波纹钢管涵洞，开创了我省首次应用的 先例。 2 0 0 2 年，黑龙江交通研究所课题组研究取得的阶段成果和实体工程受到重视，考虑到该 涵洞结构型式的工期短、受力性能好、结构轻巧、运输安装施工简便等特点，黑龙江省西部 地区通县工程加漠公路塔河至蒙克山段( 试验路) 确定用该涵洞结构全部取代了原设计孔径 为1 o m 和1 5 皿的混凝土圆管涵，开创了波纹管涵在北方寒区及多年冻土地区小范围应用试 验的实践嗍。但是，在多年冻土地区对于波纹管涵洞受力性能方面的分析还没有报道，本文 主要针对这方面进行研究工作。 东北林业大学硕士学位论文 1 2 本文的研究内容和研究方法 本文主要利用a n s y s 软件从理论上对多年冻土地区无基波纹管涵洞的受力性能进行分 析，主要分三部分：第一部分，对波纹管和普通钢管的受力进行对比分析：第二部分，对多 年冻土地区常用的直径为l o m 、1 5 m 管涵在底面两端产生不同程度冻胀量时，针对不同的 换填厚度、壁厚、上部填土厚度对其变形和应力进行分析：第三部分，对满足冻胀要求的涵 管结构进行融沉分析。 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 2 冻土的基本理论 2 1 国内外冻土类型划分研究概况 2 1 1 我国的冻土分布 地球上多年冻土面积约占陆地面积的2 0 9 6 ，其主要分布于欧洲及亚洲的北部、北美洲、 北极洋大陆架，以及中纬度地区的高山、高原等地区。 我国是世界第三大冻土分布国，多年冻土面积约为2 1 5 xl o m 2 ，占全国领土面积的 2 2 3 ；若包括冻结深度大于0 5 m 的季节冻土在内则达6 8 6 。我国多年冻土分为高纬度和 高海拔多年冻土。高纬度多年冻土主要集中分布在大小兴安岭，面积为3 8 - 3 9 万平方公里。 高海拔多年冻土分布在青藏高原、阿尔泰山、天山、祁连山、横断山、喜马拉雅山，以及东 部某些山地，如长白山、黄岗梁山、五台山、太白山等。其中青藏高原的多年冻土分布面积 达1 5 0 x1 0 咖2 ，占我国多年冻土总面积的7 0 9 6 ，为中低纬度地带海拔最高、面积最大的多年 冻土区。高海拔多年冻土的形成与存在，受当地海拔高度的控制”。 2 1 2 冻土的定义 图2 1 我国的冻土分布 冻土是指具有负温或零温度并含有冰的土( 岩) 7 3 1o 它既具有一般的土类共陛，又是一 种为冰胶结而具有特殊性质的多相复杂体系，与其它土类相比较其最大的特点就是在热力 学方面的不稳定性。根据冻土的冻结时间和冻结状态可分多种类型。按冻结时间可分为季节 冻土和多年冻土。季节冻土是受季节的影响，呈周期性冻结、融化( 冬季冻结，夏季全部融 化) 的土，季节冻土按其结构形式，又可分为：整体结构、层状结构、网状结构、扁豆体和 楔形冰结构。 东北林业人学硕士学位论文 多年冻土是冻结状态持续两年或两年以上的土( 岩) 2 4 o 常存在地面下一定深度，其上 部( 接近地表部分) ，往往受季节性影响，冬冻夏融；这部分称为季节融冻层( 即活动层) 。 冻土按水平分和又分为连续多年冻土和岛状多年冻土。按冻结发展趋势则分为发展型冻土和 退化型冻土。 我国多年冻土主要分布于东北兴安岭、青减高原以及话部的高山颠峰和冰川外缘。该地 区水文地质条件差、自然环境条件极端恶劣，土体冻胀和融沉剧烈、循环冻融频繁，在这些 地区所建的桥涵构造物冻害现象严重而普遍，。严重影响正常的交通运输，危害人民的生命 财产安全，给国家和人民造成重大的经济损失。自六七十年代以后，随着中小桥涵的普遍应 用，在寒冷地区，尤其是青减高原以及东北大小兴安岭地区的中小桥涵发生严重冻胀现象， 对此，相继开展了桥涵地基土冻胀性研究，提出了不同冻胀土的切向冻胀力值课题研究，由 此对涵洞基础冻胀问题有了初步认识；8 0 年代9 0 年代相继开展了涵洞基础埋置深度问题 的研究探讨；9 0 年代后期，对人工构造物下多年冻土退化进行相关研究等等。这些研究取得 一定的成果，有的已被纳入规范，但是这些研究限于当时的研究手段、条件等原因，难以满 足该地区涵洞构造物的实际需要，为能彻底解决我国冻土区涵洞工程冻害问题，对涵洞基础 稳定性进行深入系统研究是十分必要且迫切的要求。 2 1 3 国内外冻土类型划分 目前国内外对冻土类型的划分基本上按两种方法进行汹1 ：一是根据冻土的基本物理性质 和含冰特征进行分类；二是根据冻土的特殊工程i 生质进行分类。各国在这方面均做了大量的 工作，积累了大量的资料，冻土的分类已从定性向定量发展，分类的方法正处在从单项规程 到综合规范，由部门标准向国家标准和国际标准方向的过渡。由于冻土毕竟是一种土类，它 既有土的共性又有“冻”的个性，因此冻土定名分类标准都在土共性的基础上制定，并对其 个性方面进行补充规定。 一、美国( l i n e l la n dk a p l a r ) 主要根据士的基本物理性质和含冰特征进行分类。冻土的分类分为三个部分：第一部分， 土的统一分类系统相一致，与冻结状态无关；第二部分。将出冻结状态造成的土的特性加到 农土的描述中去；第三部分，对冻土中出现的厚度冰( 厚度大于2 5 r a m ) 进行描述。 二、前苏联( r0ct2 5 1 0 0 - - 8 2 ) 主要根据冻土的相对含冰量、冰胶结程度、含盐量、有机质含量来划分。根据相对含冰 垦将冻土分为含冰冻土( f 0 4 ) ，根据冻土中冰的胶结程度分为坚 耍冻土、塑性冻土、和松散冻土；当冻土中易溶盐含量超过一定数值时称为盐渍化冻土( 含 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 细粒土砂：0 1 ；亚砂土：0 1 5 ：亚粘土：0 2 ；粘土：0 2 5 ) ：当冻土中有机质含 量超过一定数值时称为泥炭化冻土( 粗颗粒土：3 ；粘性土：5 ) 。 三、中国( g b 一冻土工程地质勘察规范) 啪1 中国的冻土分类是在对国内外冻士分类进行大量调研的基础上提出的，主要有以下几个 方面的内容： ( 1 ) 冻土按基本物理性质的分类和定名基本上采用美国的分类系统，但在第一部分土的 分类标准中采用中国的“土的分类标准6 b j l 4 5 9 0 ”代替统一分类系统。 ( 2 ) 冻土按含冰特征分为：少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层( 见表 2 1 ) 。 ( 3 ) 冻土按易溶盐含量或泥炭化程度的划分基本上沿用前苏联的分类标准。 ( 4 ) 坚硬冻土、塑性冻土及松散冻土的划分按以下标准：坚硬冻土：m v o 0 1 m p a ；松散冻土：w o 0 1 m p a ，内摩擦角0 = 2 0 ，膨胀角庐，= o 。 ( 二) 几何边界条件 设土体表面为自由面；四个儇4 面为约束水平方向的位移，允许有竖向的位移和不同方向 向转动；波纹管与周围的冻土以面与面的接触方式进行处理。土体底面施加竖向的位移，即 叠向位移不为0 ；涵洞的热量交换主要以空气的对流交换为主，空气流通速度快，热交换也 起，故涵洞下冻土地基的冻土上限出现了路中的上限浅，进出口上限深的现象。因此，涵洞 同身的热阻越小，散热( 导热) 性能越强，对冻土上限的上升越有利。见图4 - 7 a ”和4 一 b 所示。 图4 7 a 膏藏公路某段涵洞地基不同位置。温深度变化 图4 7 b 青藏公路某段涵洞洞口( 1 # ) 涵淘中心与左路房地基0 温深度比较 由图所示，在多年冻土地区，地基的0 温线比洞身中部地基0 温线深1 5 m 左右，地面 多年冻+ 地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 下0 5 m 洞口地温最高时比洞身中部涵基地温0 5 m 深处的最高地温高出4 5 。c ，可见，大 气对洞口的影响比洞身的影响大，洞口处的多年冻土上限比洞身中部多年冻土上限深，涵洞 下冻土的上限变化沿涵洞轴线呈“拱”的形式，在冻土融化时，若发生融沉，在涵洞的进出 口处会产生比路中相对较大的沉降变形，同样当融土冻结时若发生冻胀，则涵洞的进出口的 冻胀翘起变形也比路中的大，这样，在涵洞的两端，相应的产生一定的变形( 位移) ，同时 在涵身产生一定的拉、压应力。本文主要从这个角度考虑冻胀力和融沉的影响。即在实体模 型的底部施加位移边界条件，同时根据上面的分析，洞口的冻胀量比洞身的冻胀量大，在涵 洞轴向取代表性点，洞口点和自两端洞口向内两米处取两点刚，进行简化，之间按线性变化， 以最不利的情况即涵身不发生冻胀和融沉，两端产生不同程度的冻胀量和融沉量。 ( 三) 荷载：冻胀时仅施加土体的自重，融沉时施加土体的自重和挂- - 1 0 0 的验算荷载。 4 3 波纹管涵洞受力性能数值模拟结果的分析 4 3 1 波纹管涵洞与普通钢管力学对比分析 通过前面对波纹管涵洞优越性的介绍，波纹管最突出的特点是管壁采用了波纹的形式， 一方面增大了涵洞与空气接触的表面积，另一方面波纹形增大了管内侧表面的摩擦系数，使 管内空气层流变成紊流，增强了管的换热性能，对涵洞下地基或涵洞周围地基冻土上限的抬 升有利。另一方面从受力角度来说，也具有不同的特性，具有较明显的轴向补偿位移的作用。 因为在冻胀和融沉分析中，为简化计算，采用普通钢管代替波纹管进行受力分析，所以在此 采用波纹管和普通钢管进行对比分析，而不采用波纹管和钢筋混凝土管进行对比分析。 为分析波纹管中波纹对管的轴向应力和位移的补偿作用，利用a n s y s 分析软件对其进行 变形和应力分析。拟定波纹管截面尺寸如图4 9 所示。 图4 - 9 波纹管截面( 单位：m ) 波纹特性，波距0 1 4 m ，波高0 0 7 m 。取相同轴向长度0 2 1 m ，相同直径1 5 m ，相同板厚 0 0 0 3 m ，都采用s h e l l 9 3 八节点壳单元，单元数均为4 0 0 0 个，均匀受围压l o k n m 2 的情况。 东北林业大学硕士学位论文 1 、模型及网格划分图 2 、云图 图4 1 0 a 波纹管实体模型图4 1 0 b 波纹管网格图 图4 1 1 a 铜管实体模型图4 1 1 b 钢管网格圈 图4 1 2 a 波纹管轴向位移云图 多年冻土地区无基波纹管涵洞交形和应力分析 图4 1 2 b 钢管轴向位移云图 图4 1 3 a 波纹管应力云图 东北林业大学硕士学位论文 3 、对比分析 图4 1 3 b 钢管应力云图 表4 1 波纹管和钢管位移对比分析 波纹管( m m )钢管( m m ) 轴向位移 0 0 1 5 1 4 2 0 0 0 0 7 8 7 5 径向位移 0 0 1 7 1o 0 1 7 9 4 3 比较相同i 剥玉时，波纹管与营通i 圆管在轴向的位移，波纹管的位移为钢管的1 9 2 3 倍， 这说明了波纹管具有较大的轴向补偿位移的作用，波纹管具有较大的延伸性。 见：丝：竺：! ! ! ! 丝：1 9 2 3 “桶 o 0 0 0 7 8 7 5 比较相同围压时，波纹管与普通圆管在剖面( 径向) 方向的位移，波纹管的位移为钢管 的0 9 5 3 倍，基本上没有较大差异。 2：逸：!：竺!：2 0 9 5 3 一一= w 桶 o 0 1 7 9 4 3 定义v o nm i s e s 应力仃。作为强度条件，比较如表4 - - 2 。 斤一 2 、吉一0 2 ) 2 + ( q 一吒) 2 + ( o - 3 0 2 ) 2 】 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 表4 2 最大v o nm i s e s 应力比较分析 v o nm i s e s 应力( k n m 2 ) 最大最小 波纹管 2 5 7 0 1 4 1 0 钢管 2 5 1 02 4 9 0 波纹管最大v o n m i s e s 应力集中在管轴向端部，与普通圆管的最大v o n m i s e s 应力相当， 二者之比为1 0 2 4 。分析波纹管中波纹对管的轴向应力和位移的补偿作用，金属材料抗冻融 疲劳的能力远大于混凝土的性质，以及波纹管不要求做端墙、端基础等刚性构造，从此意义 上讲，在多年冻土地区应用波纹管涵洞，能发挥其优良的变形能力和钢材抗拉性能及抗疲劳 性能较好的特点，对预防或彻底解决涵洞因融沉和冻胀而导致的破坏较为有效。 本文同时对直径为1 o m 和2 o m 波纹管和普通钢管进行对比分析具体比较如下 表4 3 直径为t 钿波纹管和钢管位移对比分析 波纹管( m ) 钢管( 咖) 轴向位移 0 0 1 2 2 4 0 70 0 0 0 5 2 5 径向位移 0 0 0 8 3 3 l 0 0 0 8 3 2 8 通过计算五= 等= 器瑙m ，五2 等2 器乩o o o ，s 表4 - - 4 直径为1 o m 最大y o nm is e s 应力比较分析 v o nm i s e s 应力( i ( n m 2 ) 最大最小 波纹管 1 9 4 09 6 8 2 5 4 钢管 1 7 9 81 6 7 8 表4 5 直径为2 0 i i i 波纹管和钢管位移对比分析 波纹管( 咖)钢管( r a m ) 轴向位移 0 0 1 6 4 6 70 0 0 1 0 4 9 9 7 径向位移 o 0 2 6 7 2 5 9o 0 2 9 3 2 7 通斟鼽= 等= 丽0 0 1 6 4 6 7 _ 1 5 _ 6 8 ，如= 逸w r # t 2 0 0 0 0 2 2 6 9 3 2 7 2 5 7 9 矾9 l l 东北林业大学硕士学位论文 表4 6 直径为2 晌最大v o nm is e s 应力比较分析 v o nm i s e s 麻力( k n m 2 ) 最大最小 波纹管 3 1 5 6 51 8 6 4 6 钢管 3 2 4 33 2 2 7 1 通过上面的分析，直径为1 o m 和2 o m 时，波纹管和普通钢管的径向位移之比分别为 1 0 0 0 3 6 和0 9 l l ，波纹管与普通钢管的最大y o nm i s e s 应力之比分别为1 0 7 9 和0 9 7 3 ，波纹 管和普通钢管轴向位移之比分别为2 3 3 2 和1 5 6 8 。从而得出，不同直径的波纹管和普通钢管 其径向位移和最大v o ni v l i s e s 应力相当，波纹管具有较大的轴向位移，说明波纹管具有较大 的轴向补偿位移的作用，波纹管具有较大的延伸性。且随着直径的减小，轴向补偿位移的能 力越强。 4 3 2 多年冻土地区波纹管涵洞的冻胀分析 通过前面波纹管与普通圆管的分析，波纹管具有明显的轴向补偿位移的作用，其他方面 与普通圆管相差不大，钢质波纹管涵管壁受力与我国的双曲拱桥受力相似，波纹在一定范围 内可以改变力的方向，但在研究荷载对涵管的压力时并不作为设计依据，涵管用来抵抗外力 的唯一方式就是钢板厚度，不同的管壁厚度承受不同的荷载。由于建立波纹管和土体的实体 模型需要太大的内存空间和单元数的问题，本文采用等厚度钢管代替波纹管进行受力分析。 一、直径为1 o 涵管冻胀分析 ( 一) 在壁厚为3 m m ，上部填土厚度0 6 m ，下部换填厚度变化即0 3 m 、0 6 m 、1 o i i l 时涵管 变形和应力分析 1 、波纹管涵洞实体模型及波纹管涵洞实体的网格划分图( 仅列出换填0 6 m 模型) 图4 1 4 换填厚度为o f6 l l 实体模型 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 图4 1 5 换填厚度为0 臼i l 实体网格划分图 2 、不同冻胀量时位移及应力云图 1 ) 涵管竖向位移云图 ( 1 ) 换填厚度为0 3 m 竖向位移云图 图4 1 6 a 冻胀量1 时竖向位移云图 东北林业大学硕士学位论文 图4 1 6 d 冻胀量1 5 c m 时竖向位移云图 ( 2 ) 换填厚度为0 6 m 竖向位移云图 图4 一”a 冻胀量1 g i l t 时竖向位移云图 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 图4 一仃b 冻胀量1 5 e m 时竖向位移云图 ( 3 ) 换填厚度为1 0 m 竖向位移云图 图4 1 8 a 冻胀量1 c l n 时竖向位移云图 东北林业大学硕士学位论文 图4 1 8 b 冻胀量1 5 c m 时竖向位移云图 由以上为底部换填厚度为o r 3 m 、o 6 m 、1 o m 时在底面产生不同程度的冻胀量时典型竖 向位移云图，由图可见，随着底面冻胀量的增加，土体两端向上抬起，表明在多年冻土地区 当涵管中部不发生冻胀，两端出现不同的冻胀时，随着底面换填厚度的增加，土体消化部分 冻胀量，底面冻胀量对涵管的影响逐渐减小。 2 ) 应力云图 ( 1 ) 换填厚度为o 3 m 应力云图 图4 1 9 a 冻胀曼1 c my o nm i $ e s 应力云图 3 2 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和麻力分析 图4 1 9 b 冻胀量1 5 c mv o nm is e s 应力云图 ( 2 ) 换填厚度为0 6 m 应力云图 图4 2 0 a 冻胀量l c mv o nm i s e s 应力云图 查! ! 蔓些查堂堡主堂笪笙苎 图4 2 0 b 冻胀量1 5 c my o nm is e s 应力云图 ( 3 ) 换填厚度为1 o m 应力云图 图4 - - 2 1 a 冻胀量1 c mv o nm is e $ 应力云图 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 图4 - - 2 1 b 冻胀量1 5 c mv o nm i s e s 应力云图 从v o nm i s e s 应力云图可见，当底面两端冻胀量较小时，最大v o nm i s e s 应力集中在管 轴向端部，且在涵管的顶面端部，当底面两端冻胀量逐渐增加，最大应力向涵身移动，且大 致发生在管轴中部附近。换填厚度越小，在涵管上产生的等效应力就越大。 3 、波纹管涵洞的变形及应力分析 1 ) 变形分析，以下为不同冻胀量时换填厚度变化列表及不同冻胀量时换填厚度变化的曲线。 换填厚度变化位移列表见表4 7 表4 9 ；换填厚度变化变形曲线见图4 2 2 图4 - - 2 5 。 通过分析得出以下结论：i 、通过对底面两端冻胀量不同时管涵项面和底面竖向位移变 化情况分析可知，管涵顶面竖向位移呈“v ”字形变化，且随着冻胀量的增加，两端翘起量 有增加的趋势。管涵底面竖向位移当底面两端冻胀量较小时，两端变形大于中间，表明波纹 管本身是柔性体，在上部填土压力作用下易产生向下的变形，随着两端施加的竖向位移逐渐 增大，四周围土体对涵管的相互作用，使涵管向上拱起，呈倒“v ”形。换填厚度越小，顶 面和底面竖向位移变化幅度越大； i i 、涵管在上部填土压力，下部冻胀量和土侧压力的综合作用下，涵管本身的竖向变形情况， 随着冻胀量的增加，涵管变形量相应增加； i i i 、涵管在底面两端产生不同的冻胀量时，底面换填土的厚度对波纹管的影响，底面换填厚 度不同涵管本身产生不同程度的变形，换填厚度越大涵管的变形越小，冻胀量为l e n a 时，底 面换填厚度对波纹管涵洞的影响较小，涵管最大变形仅为2 0 4 m m ，随着冻胀量的增大，涵 东北林业大学硕士学位论文 表4 _ 7 换填厚度为0 3 m 竖向位移表( 单位：m ) 换填0 3 m位移i c m位移3 c m 位置底面位移 项面位移 涵管变形量底面位移顶面位移涵管变形量 058 4 e 0 34 0 4 e 0 31 8 0 e 0 31 5 9 b _ 0 21 1 0 e 0 249 5 e 一0 3 o 85 3 9 e 0 33 8 5 e 0 31 5 4 e 一0 3i 5 7 e 一0 21 0 8 e 0 24 9 0 e 0 3 l - 6 4 7 2 e 一0 3 3 0 7 e _ 0 31 6 4 e 0 31 6 0 e o z9 9 6 e 0 36 0 9 e 0 3 2 44 0 4 e _ _ 0 31 9 7 e _ 0 32 0 7 e 0 3 1 6 8 e _ _ 0 2 8 3 4 e - 0 38 4 5 e 0 3 3 2 3 3 2 e - 0 3 1 2 3 e _ _ 0 32 0 9 e 0 3i 7 3 e 一0 27 0 2 e 一0 31 0 3 e - 0 2 43 0 2 e 0 39 7 8 e 0 42 0 4 e 一0 31 7 5 e - 0 26 5 7 e 一0 31 1 0 e _ 0 2 4 83 3 2 e _ _ 0 31 2 3 e - 0 3 2 0 9 e 一0 3 1 7 3 e 0 27 0 2 e 0 3 1 0 3 p 0 2 5 64 0 4 e 一0 31 9 7 e 0 32 0 7 e 0 31 6 8 e 一0 28 3 4 e - 0 384 5 e 一0 3 6 4 4 7 2 e 0 3 3 0 7 e 一0 31 6 4 e 一0 31 6 0 e _ 0 29 9 6 e - 0 36 0 9 e _ 0 3 7 25 3 9 e - 0 33 8 5 e 0 31 5 4 e _ 0 31 5 7 e _ 0 21 0 8 e 0 24 9 0 e 一0 3 85 8 4 e - 0 3 4 0 4 e 一0 31 8 0 e 0 3l5 9 e 0 2i i o e 0 2 4 9 5 e 0 3 换填0 3 m位移9 c m位移1 5 c m 位置 底面位移 顶面位移 涵管变形鼙 底面位移顶面位移 涵管变形量 0 5 4 2 e _ _ 0 23 3 5 e - 0 22 0 7 e - 0 29 5 1 e _ 0 25 7 0 e 0 2 3 8 0 e - 0 2 o 8 5 4 1 e 哪2 3 3 1 e _ 0 22 1 0 e 0 29 4 8 e 0 25 6 6 e _ _ 0 2 3 8 2 e _ 0 2 l65 5 4 e 0 23 1 7 e 一0 22 3 6 e - 0 29 6 2 e 0 25 5 0 e 一0 24 1 2 0 2 2 45 7 5 b 0 22 9 4 e 一0 22 8 1 e 0 2 9 8 7 e 一0 25 2 4 e - 0 24 6 3 e 一0 2 3 25 9 1 e _ 0 22 7 4 e 一0 23 1 6 e - 0 21 o o e 一0 15 0 l e 0 25 0 4 e _ 0 2 4 5 9 8 e 0 2 2 6 7 e _ _ 0 2 3 3 i e - 0 2 i o i e 0 14 9 3 e 0 2 5 2 1 e _ 0 2 4 85 g l e 一0 22 7 4 e 一0 23 1 6 e 0 21 0 0 e o l5 0 l e - 0 25 0 4 e 一0 2 5 65 7 5 e 一0 22 9 4 e 一0 22 8 l b 0 29 8 7 e 0 25 2 4 e 0 24 6 3 e 0 2 6 45 5 4 e - _ 0 23 1 7 e 0 22 3 6 e 0 2 9 6 2 e _ 0 25 5 0 e - 0 24 1 2 e 加2 7 25 4 1 e _ _ 0 23 3 1 e 加22 1 0 e 加29 4 8 e 0 25 6 6 e - 0 23 8 2 e 一0 2 85 4 2 e _ 0 23 3 5 e 一0 22 0 7 p 0 29 5 l e 一0 25 7 0 e _ 0 23 8 0 e - 0 2 多年冻土地区无基波纹管涵洞变形和应力分析 表4 - 8 换填厚度为0 6 m 竖向位移表( 单位：m ) 换填0 6 m位移l c m位移3 c m 位置底面位移 顶面位移涵管变形最底面位移顶面位移涵管变形量 o4 9 3 e 0 3 3 7 5 e - 0 31 1 8 e - 0 31 2 4 e 一0 29