矿山重载卡车专用道路涵洞设计探讨
摘要：结合矿山重载卡车专用道路涵洞特点，分析了特重活载对不同填土高度下涵洞的作用力，选择采用限制涵洞顶部填土最小高度，提出沟埋法和波纹管～土体复合受力结构的涵洞设计方案。
关键词：矿山；道路；HDPE塑钢缠绕管、涵洞；HDPE双壁波纹管
0 引言
近年来，我国相继建设了一批大型和特大型矿山，斗容50m及以上的大型挖掘机和300t级及以上级别的巨型重载卡车相继投入使用。这些设备由于活载大，无法直接利用公路常用涵洞结构，矿山重载卡车专用道路上的涵洞结构物，国内尚没有成熟的经验，因此选线设计一般尽可能避免设置立体交叉及桥涵构造物。但是大量重载卡车道路的出现，设置必要的涵洞以沟通区域交通、连接区域水系，已成为目前必须解决的问题。 1重载卡车活载影响及受力图式的分析
1．1重载卡车活载影响分析道路通行的卡车活荷载，必然通过桥涵顶部的路基土扩散后，作用于桥涵结构物。按照公路规范，计算涵洞顶上卡车荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下作30。角分布。公路活载按200kN载货汽车及冲击力和铁路活载按 1401．01kN／m均布荷载及冲击力其影响深度分别为2．032m和7．62m[。平朔矿区采用的300t级930E型载重汽车，轮胎53／80R63，空车总重量208．19t，其中前轴轴重 102．64t，后轴轴重105．55t；满载总重量501．2t，其中前轴轴重165．4t，后轴轴重335．8t。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021—89)，计算涵洞顶上卡车引起的竖向土压力时，作用于涵洞顶面的卡车引起的竖向土压力P与涵顶填土高度日的关系以相关公式计算，其300t级载重卡车荷载引起的涵顶压力与涵顶填土高度关系见表1。300t级载重卡车荷载引起的涵顶压力随涵顶填土高度变化，当涵顶填土高度达到8．0m以上时，其活载对涵洞受力的影响很小，可不计活载作用。
1．2受力图式的分析承受填土及卡车荷载作用的涵洞结构物，其填土荷载按Marston沉陷理论分为沟埋法和上埋法。沟埋法：在天然地面中挖沟槽，然后埋设涵管，当回填土下沉时，沟槽侧面与回填土之间将产生摩阻力，此时涵管所受的填土荷载比回填土重量小。上埋法：在天然地面上放置涵管，然后在涵管上填土，在这种情况下，由于涵管高出原地面，涵管顶 相比周围填土压缩变形量小，涵管正上方的填土与涵管两侧的填土之间产生摩阻力，此摩阻力传递到涵管顶部，使涵管所受的填土荷载比其上回填土的重量大。小桥涵的结构及材料构成不同，其变形适应能力也不同，采用石材、混凝土、钢筋混凝土等材料组成的结构，相对于土体是完全刚性结构。而由钢波纹薄板组成的管涵、拱涵，虽然钢材刚度很大，但薄壁结构受力时的变形能力很强，试验表明一般情况下，钢波纹管破坏时，其变形将达到管径的 20％L2J 。
因此，波纹管涵及波纹拱涵所承受的填土荷载，理应比刚性管沟埋法施工状态下更小。
2 重载卡车专用道路涵洞设计
2．1结构形式选择涵洞按构造形式分为管涵、拱涵、盖板涵、箱涵；按材料类型分为石材、混凝土、钢筋混凝土、钢材及其它建材。管涵对地基的适应性能较好，施工简便，造价低；拱涵跨越能力大、承载能力强，但地基要求较高，这两种类型均存在结构～填料共同作用的可能。盖板涵和箱涵地基要求高、构造形式简单，但承载潜力较小，以石材、混凝土、钢筋混凝土为主。从承载能力和后期承载潜力发展考虑，矿山重载专用道路涵洞应当选择管涵、拱涵为主要结构类型，并考虑结构物与填料共同作用能力，以克服大型载重卡车荷载大的不利影响，保障道路安全通畅。
2．2材料类型及波纹管壁厚选定材料类型的选择：国内常用管涵主要为钢筋混凝土圆管涵、铸铁管涵、陶瓷管涵及钢波纹管涵。铸铁管涵、陶瓷管涵因材料来源限制、运输成本及养护原因应用范围有限，同时其变形适应能力差，难以应用于矿山重载专用道路。拱涵主要为砖石拱涵、混凝土或钢筋混凝土拱涵、钢波纹拱涵。其中砖石、混凝土拱涵由于材料刚度大，变形适应能力有限，也难以适应矿山特重道路需要。故此，矿山重载专用道路宜选用钢波纹管涵洞及钢波纹拱涵。波纹管壁厚选定：波纹管壁厚选定按照屈服临界荷载计算确定，在选用能形成均布荷载的填料 (如砂砾、砂质土等)并充分夯实的前提下，假定作用于波纹管的外压力大致沿圆周均匀分布。波纹管屈服破坏时的临界外压力按相关公式计算。波纹管的屈服波形依填土材料与夯实情况而不同，假如依屈服波形而定的常数P值由2变到4，则波纹管屈服破坏的临界外压力％值便由3增大到15，施工情况不同，其安全系数也将有5倍的变化量J。
2．3 300t级重载卡车道路涵洞设计平朔矿区300t级重载卡车专用道路途经黄土沟壑区，路线全长9．55km，需要新建通道1座、涵洞6道。设计时考虑到卡车荷载等级大，国内尚无成熟的特种重载卡车道路下结构物设计方法，根据上述分析，选用波纹管涵洞，并形成钢质波纹管一土体复合受力结构。为了达到最佳的波纹管一土体复合受力模式，保证重载卡车安全通行，经过对国内外各种荷载条件下波纹管涵洞试验数据分析，设计采取以下措施：
①尽量减少活载对于涵洞的影响；
②采用先大面积碾压回填到管顶填土高度2D水平后，再机械开槽的沟埋法；
③在管顶一定高度的填土中预埋多层土工网增强土体整体变形强度。经过分析计算，采用《公路桥涵用波形钢板》 (JT／T710—2008)CSPC—CSPF型，壁厚5～12mm 时，300t级重载卡车专用道路波纹管涵洞填土高度容许范围见表2 经分析比较，重载卡车专用道路采用钢波纹管涵洞，既满足使用荷载要求，避免结构物变形开裂等问题，又达到了快速施工，缩短工期，降低投资目的。 3结语矿山重载专用道路涵洞的设计，应从结构类型，结构物与填料共同作用能力等考虑，以保证大型载重卡车载重量大时的道路安全畅通为目的。
关键词：矿山；道路；HDPE塑钢缠绕管、涵洞；HDPE双壁波纹管
0 引言
近年来，我国相继建设了一批大型和特大型矿山，斗容50m及以上的大型挖掘机和300t级及以上级别的巨型重载卡车相继投入使用。这些设备由于活载大，无法直接利用公路常用涵洞结构，矿山重载卡车专用道路上的涵洞结构物，国内尚没有成熟的经验，因此选线设计一般尽可能避免设置立体交叉及桥涵构造物。但是大量重载卡车道路的出现，设置必要的涵洞以沟通区域交通、连接区域水系，已成为目前必须解决的问题。 1重载卡车活载影响及受力图式的分析
1．1重载卡车活载影响分析道路通行的卡车活荷载，必然通过桥涵顶部的路基土扩散后，作用于桥涵结构物。按照公路规范，计算涵洞顶上卡车荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下作30。角分布。公路活载按200kN载货汽车及冲击力和铁路活载按 1401．01kN／m均布荷载及冲击力其影响深度分别为2．032m和7．62m[。平朔矿区采用的300t级930E型载重汽车，轮胎53／80R63，空车总重量208．19t，其中前轴轴重 102．64t，后轴轴重105．55t；满载总重量501．2t，其中前轴轴重165．4t，后轴轴重335．8t。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021—89)，计算涵洞顶上卡车引起的竖向土压力时，作用于涵洞顶面的卡车引起的竖向土压力P与涵顶填土高度日的关系以相关公式计算，其300t级载重卡车荷载引起的涵顶压力与涵顶填土高度关系见表1。300t级载重卡车荷载引起的涵顶压力随涵顶填土高度变化，当涵顶填土高度达到8．0m以上时，其活载对涵洞受力的影响很小，可不计活载作用。
1．2受力图式的分析承受填土及卡车荷载作用的涵洞结构物，其填土荷载按Marston沉陷理论分为沟埋法和上埋法。沟埋法：在天然地面中挖沟槽，然后埋设涵管，当回填土下沉时，沟槽侧面与回填土之间将产生摩阻力，此时涵管所受的填土荷载比回填土重量小。上埋法：在天然地面上放置涵管，然后在涵管上填土，在这种情况下，由于涵管高出原地面，涵管顶 相比周围填土压缩变形量小，涵管正上方的填土与涵管两侧的填土之间产生摩阻力，此摩阻力传递到涵管顶部，使涵管所受的填土荷载比其上回填土的重量大。小桥涵的结构及材料构成不同，其变形适应能力也不同，采用石材、混凝土、钢筋混凝土等材料组成的结构，相对于土体是完全刚性结构。而由钢波纹薄板组成的管涵、拱涵，虽然钢材刚度很大，但薄壁结构受力时的变形能力很强，试验表明一般情况下，钢波纹管破坏时，其变形将达到管径的 20％L2J 。
因此，波纹管涵及波纹拱涵所承受的填土荷载，理应比刚性管沟埋法施工状态下更小。
2 重载卡车专用道路涵洞设计
2．1结构形式选择涵洞按构造形式分为管涵、拱涵、盖板涵、箱涵；按材料类型分为石材、混凝土、钢筋混凝土、钢材及其它建材。管涵对地基的适应性能较好，施工简便，造价低；拱涵跨越能力大、承载能力强，但地基要求较高，这两种类型均存在结构～填料共同作用的可能。盖板涵和箱涵地基要求高、构造形式简单，但承载潜力较小，以石材、混凝土、钢筋混凝土为主。从承载能力和后期承载潜力发展考虑，矿山重载专用道路涵洞应当选择管涵、拱涵为主要结构类型，并考虑结构物与填料共同作用能力，以克服大型载重卡车荷载大的不利影响，保障道路安全通畅。
2．2材料类型及波纹管壁厚选定材料类型的选择：国内常用管涵主要为钢筋混凝土圆管涵、铸铁管涵、陶瓷管涵及钢波纹管涵。铸铁管涵、陶瓷管涵因材料来源限制、运输成本及养护原因应用范围有限，同时其变形适应能力差，难以应用于矿山重载专用道路。拱涵主要为砖石拱涵、混凝土或钢筋混凝土拱涵、钢波纹拱涵。其中砖石、混凝土拱涵由于材料刚度大，变形适应能力有限，也难以适应矿山特重道路需要。故此，矿山重载专用道路宜选用钢波纹管涵洞及钢波纹拱涵。波纹管壁厚选定：波纹管壁厚选定按照屈服临界荷载计算确定，在选用能形成均布荷载的填料 (如砂砾、砂质土等)并充分夯实的前提下，假定作用于波纹管的外压力大致沿圆周均匀分布。波纹管屈服破坏时的临界外压力按相关公式计算。波纹管的屈服波形依填土材料与夯实情况而不同，假如依屈服波形而定的常数P值由2变到4，则波纹管屈服破坏的临界外压力％值便由3增大到15，施工情况不同，其安全系数也将有5倍的变化量J。
2．3 300t级重载卡车道路涵洞设计平朔矿区300t级重载卡车专用道路途经黄土沟壑区，路线全长9．55km，需要新建通道1座、涵洞6道。设计时考虑到卡车荷载等级大，国内尚无成熟的特种重载卡车道路下结构物设计方法，根据上述分析，选用波纹管涵洞，并形成钢质波纹管一土体复合受力结构。为了达到最佳的波纹管一土体复合受力模式，保证重载卡车安全通行，经过对国内外各种荷载条件下波纹管涵洞试验数据分析，设计采取以下措施：
①尽量减少活载对于涵洞的影响；
②采用先大面积碾压回填到管顶填土高度2D水平后，再机械开槽的沟埋法；
③在管顶一定高度的填土中预埋多层土工网增强土体整体变形强度。经过分析计算，采用《公路桥涵用波形钢板》 (JT／T710—2008)CSPC—CSPF型，壁厚5～12mm 时，300t级重载卡车专用道路波纹管涵洞填土高度容许范围见表2 经分析比较，重载卡车专用道路采用钢波纹管涵洞，既满足使用荷载要求，避免结构物变形开裂等问题，又达到了快速施工，缩短工期，降低投资目的。 3结语矿山重载专用道路涵洞的设计，应从结构类型，结构物与填料共同作用能力等考虑，以保证大型载重卡车载重量大时的道路安全畅通为目的。
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