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沟埋式和上埋式涵洞土压力统一计算理论研究

李永刚  
【摘要】: 涵洞广泛使用于水利、铁路、公路、矿山、市政、能源等建设领域,其上的土压力是涵洞设计的主要荷载,确定涵洞土压力的大小对涵洞结构设计显得尤为重要。目前,涵洞土压力的计算理论很不完善,现有各种方法的计算结果差异很大,导致某些涵洞结构设计过于保守,造成浪费,或使某些涵洞结构尺寸不足,酿成工程事故。随着基础设施的大规模建设,各领域的涵洞使用大大增多,涵洞土压力的研究确定十分迫切。涵洞土压力计算理论的完善有重要的实际意义和理论价值。 本文以刚性地基和无粘性填土为条件,就埋涵沟槽几何形状和参数对涵洞土压力的影响进行了较系统的物理模型试验研究;在此基础上对涵洞填土施工过程进行了有限元仿真模拟分析。根据试验和模拟所得回填土体沉降位移场,首次提出上埋式涵洞和沟埋式涵洞土压力统一计算方法、两种涵洞土压力系数一致的变化规律和等沉面高度的变化规律。涵洞土压力计算模型和计算公式包含沟槽几何形状、尺寸、地基特性、填土性质和涵洞高宽比等因素,使上埋式、沟埋式涵洞的土压力计算合二为一,形成两类涵洞土压力的统一计算理论。 模型试验和有限元模拟分析表明,涵洞上覆土体的分层填筑施工过程,造成特有的填土沉降位移场。刚性地基条件下,沟埋涵洞填土的顶底沉降位移最小,最大沉降位移随填土高度而变,但总位于在填土高度的中部附近。填土高度较小时,最大沉降位移在涵洞侧上方;随填土高度的增大,沟槽边坡的作用,使最大沉降位移区从涵洞侧上方逐渐转移至沟槽的中心线上。涵洞顶部附近各个平面上的填土沉降位移分布为“W”形,远离涵洞顶部的平面上填土沉降位移分布为“U”形,在“W”形沉降区和“U”形沉降区之间存在两端稍有翘起的“一”形沉降区,等沉面处于该区之内。 涵洞填土沉降位移场的形式和变化说明等沉面的存在,等沉面的位置随填土高度而变,等沉面高度比为1.0~3.5。涵顶填土高度增大时,等沉面高度减小,并趋于定值。沟槽宽度大、沟槽边坡缓、涵洞高宽比大,则等沉面高度大;填土的内摩擦角和泊松比大,则等沉面高度小。 沟埋、上埋涵洞土压力系数具有统一的变化规律。沟槽宽度等于涵洞宽度的矩形沟槽埋涵,其土压力系数小于1.0,且单调减小;对于槽宽大于涵洞宽度或沟槽边坡大于0的沟槽埋涵,土压力系数为先增后减的非线性变化,填土高度约等于初始等沉面高度时有最大土压力系数。沟槽越宽、边坡越缓,土压力系数越大,但随槽宽的不断增大和边坡的不断减缓,土压力系数的增大幅度越来越小,边坡系数大于5时,土压力系数变化很小,几乎不受边坡影响,其减小段的降幅微乎其微,近似为常数,沟埋式涵洞转化为上埋式涵洞。 定量研究各主要因素对涵洞土压力影响。在影响涵洞土压力的因素当中,沟槽几何参数的影响最大,可使土压力系数有100%的变化幅度;沟槽宽度、地基、涵洞高宽比等各自的变化能引起土压力系数30%以上的增减;箱形涵洞的土压力约是圆形涵洞土压力的1.07倍;圆形涵洞柔性增大,其土压力减小,减幅可达20%以上;填土特性对涵洞土压力的影响相对较小,土压力系数随填土内摩角的变化约15%。当沟槽变宽时,各因素对土压力的影响程度增强。


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