高填方涵洞受力特性及新型格栅减载方法研究

【摘要】：高填方涵洞广泛应用于山区和黄土地区高速公路建设中,高填方涵洞上覆填土荷载较大,且其受力影响因素众多,其受力特性不仅与自身的埋设方式(上埋式或者沟埋式)有关,还与上覆填土高度、地形条件、地质条件、路堤填料的性质、结构物的几何尺寸等因素有关。由于对高填方涵洞土压力及其影响因素认识不清,工程中经常出现涵顶开裂等病害。新型三向土工格栅具有独特的物理力学性能,将其用作加筋材料对高填方涵洞进行加筋减载,可获得良好的经济效益和社会效益。本文在对高填方涵洞土压力及其影响因素分析的基础上,对新型三向格栅加筋减载进行了系统的研究,主要内容如下： (1)通过现场试验对涵顶竖向土压力进行了测试,研究了涵顶竖向土压力的变化规律。通过数值模拟对影响涵洞受力特性的若干因素进行了分析,研究了沟谷宽度、边坡角度、地基刚度、路堤填料性质、拱圈弧度、涵洞结构型式和尺寸对涵洞受力状态和位移的影响。结果表明涵顶土压力随填土高度非线性增长；沟谷设涵非对称性,会引起其两侧土压力差异；沟谷对涵洞有效影响范围约为3倍涵洞宽度；涵顶土压力在边坡为15°和75°左右时较小；地基模量越大,涵顶土压力集中现象越严重；与模量相比,填土内摩擦角和黏聚力对涵顶土压力和涵体位移的影响要小得多；基础型式对涵体位移和压力有显著影响,应根据填土高度合理选择；采用“宽矮涵”比“窄高涵”涵顶土压力小；拱圈弧度对涵体沉降和涵顶土压力影响较小。 (2)考虑涵—土相互作用,分析了涵洞减载机理。采用数值模拟的方法研究了减载后涵顶竖向土压力与位移的分布规律,分析了涵洞采用中松侧实法、柔性填料法、先填后挖法等方法时的减载效果,并分析了地基处理后的刚度和处理宽度对降低涵顶压力的作用。结果表明在路堤一定高度范围内适当采用中松侧实或柔性填料的方法可减弱涵顶的土压力集中；采用先填后挖的施工措施时开挖面宜竖直,开挖的宽度最好与涵洞宽度相当,可有效降低涵顶土压力的集中程度；涵洞地基处理后,地基刚度不宜太高,并且应延伸至基底以外一定的范围,以降低涵顶土压力集中。 (3)通过现场试验对高填方涵洞采用新型三向格栅加筋减载后的涵顶土压力进行了测试,研究了涵顶土压力的分布规律及变化规律。通过对涵洞位移的监测,研究了减载后涵体位移随填土高度的变化规律。结果表明涵顶加筋减载将涵顶荷载转移至其两侧土体,涵顶压力减小,格栅的“提兜效应”提高了荷载转移效率；涵顶减载孔高度越高,减载效果越好。 (4)通过理论分析建立了加筋减载涵洞的力学计算模型,考虑格栅下部松散填料的支承作用,推导了格栅上覆填土的土压力及涵顶压力的解析表达式。并对格栅锚固端进行了分析,计算了格栅的锚固长度。通过参数分析,对填土高度、松散填料模量及格栅刚度等影响涵顶减载效果的因素进行了研究。并利用数值模拟分析了减载孔高度、格栅层数、减载孔宽度、减载孔边坡角度和松散填料模量、内摩擦角及黏聚力对涵顶压力的影响。结果表明本文方法能够准确计算减载后的涵顶土压力；松散填料模量对涵顶土压力有较大影响,宜将其控制在一定的范围之内；格栅刚度较大时,才能进一步有效减小涵顶土压力；格栅刚度较大时,多层格栅与单层相比对减载效率提高作用不大；减载孔填料的黏聚力对涵顶压力影响不大,而内摩擦角影响较大。 本文的研究成果对高填方涵洞的设计和施工,及其采用加筋减载法进行高填方涵洞的设计与施工具有重要的参考价值。

【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：U449