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高填土涵洞土压力理论与涵洞结构变形智能预测

范鹤  
【摘要】: 排泄公路两侧冲沟、溪流的洪水,在不过水时也可作交通使用,单孔跨径小于5m的称为涵。涵洞(管)被广泛地应用于公路、铁路、市政、军工等行业和部门,是“生命线工程”之一种。过去,我国公路中涵洞多为低填,涵洞设计依据规范就可以满足要求。但按照国家公路发展总体目标,我国公路建设投资不断加大、公路等级明显提高,公路中的高填土涵洞结构物所占比重也是越来越大。日益增多的高填土涵洞,缺乏相应的配套理论为指导,导致在实际中暴露出许多问题。所以,高填土涵洞研究有着重要的社会意义。本文采用相似材料模型试验、有限元数值模拟相结合的方法对决定高填土涵洞结构设计的荷载-垂直土压力进行研究,得出垂直土压力分布;不同标高土层的沉降位移分布。在此基础上,建立高填土涵洞垂直土压力计算公式。测试涵洞结构应力分布,探讨涵洞病害原因。采用自行编制的自适应遗传算法-神经网络系统对涵洞断面测点变形(应力)进行预测。具体的研究内容如下所述: (1)依据相似定理,量纲分析法导出相似指标,作为试验相似与否的判定标准。对比试验确定砂、石膏和硅藻土的混合物为相似材料,得出用水量、砂膏比、膏土比和养护条件与材料力学参数的关系。用相似材料,按几何相似比,制成拱涵和盖板涵的小比例模型,代替其他人采用的有机玻璃、木块制作涵洞模型,可以更加真实反应涵洞结构受力。 (2)对试验箱内涵洞模型逐层填土、千斤顶逐级加载模拟实际施工过程,土压力计测试涵洞填土层的应力变化。填土高度增加,垂直土压力及其增长速度都呈现非线性增长。填土高度较低时,施工荷载和刚度差异引起附加应力作用;填土达到一定高度后,应力重分布产生土拱效应,两者共同影响决定垂直土压力分布。模型试验、结构力法分析涵洞高、低应力区的分布,探究涵洞发生病害原因。施工期临时荷载和刚度差异引起附加应力大于设计的永久荷载而导致涵洞在填土高度较低时出现病害。试验标志点位移测量,得出填土沉降分布,涵洞顶部填土的沉降变形性状为上凸形,且随填土高度增加,沉降差异逐渐缩小。 (3)考虑涵洞埋设的地形条件、填土特性、地基土的土性参数、地基处理方式的不同和涵洞结构特征等因素对高填土涵洞垂直土压力的影响,进行数值模拟。具体分析每一影响因素与涵洞垂直土压力分布之间的联系,与模型试验结果对比,为建立高填土涵洞垂直土压力公式提供参考。 (4)参照模型试验、数值模拟结果,分别建立刚性、柔性两种地基处理方式对应的高填土涵洞垂直土压力计算公式。以填土高度h0为分界,列出附加应力和土拱效应起作用的两阶段土压力公式。与模型试验实测数据对比;同时与其它9种规范公式对同一算例求解,分析各种方法得到的土压力分布情况。 (5)综合遗传算法(Genetic Algorithm, GA)和神经网络(Back-Propagation Network, BP)两种智能方法的优点,编程实现自适应遗传算法-神经网络智能系统(Adaptiave Genetic Algorithm-Back-Propagation Network, AGA-BP),并首次将其应用到高填土涵洞变形(应力)的预测研究中。AGA提出自适应交叉、变异概率公式,改进GA中最优储存策略,AGA-BP采用BP网络累计预测误差标准差作为AGA适应度函数,优化搜索确定网络模型结构。将模型试验的数据(包括定量数据和定性数据)作为样本,网络结构分别用经验公式和AGA-BP系统确定。网络训练、预测结果对比表明,AGA-BP系统优化确定的全局意义的神经网络结构,能够提高网络的泛化能力。


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