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侧填荷载对高填方涵洞地基承载力的影响

王雯璐  
【摘要】:近年来,随着山区大量高等级公路的修建,为了满足公路较高的线形标准要求,适应多山地区沟壑纵横的复杂地形,高填深挖路基不断增加。而高填方地区一般为地势低洼的地带,为了满足排水的要求,这些路段常修建高填方涵洞。 在高填方涵洞增多的同时,国内外关于高填方构筑物结构和地基的设计与计算理论至今尚不完善,导致涵洞病害不断发生,影响高速公路的正常运营。在这些病害中,很大一部分是由于地基处理不当造成的。传统的设计方法认为地基和基础的刚度越大,基础底面越宽,上部构造物就越安全。而实际上涵洞的工作状态刚好相反,建筑在软基上的涵洞为了满足地基承载力的要求多采用桩基础,经调研发现凡是在软基上采用桩基础的涵洞工程现已全面遭到破坏。事实上,对于埋置于高填方下的涵洞,高填土相当于使涵洞基础具有埋深效应,可以显著提高地基承载力。另外,对涵洞结构进行设计时多采用传统的荷载结构设计法,将涵洞结构与土体分离开来单独设计,没有考虑涵洞结构与土体的相互作用,导致部分高填方涵洞在施工期间或填土完成后即出现各种不同形式的开裂破坏,增加了加固维修费用,造成经济上的浪费。 出现这些问题的一个根本原因是忽视涵侧填土对地基承载力的提高效应。目前为止,研究高填方涵洞地基承载力的理论并不统一,有关地基极限承载力的计算已经提出了二十多种计算公式,根据不同的理论可以得出完全不同的结论。而现行的《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)提出当埋置深度大于0.5m时,对建筑物地基承载力应进行修正,埋置深度自室外地面标高算起;《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)指出当埋置深度大于3m时对桥涵地基承载力应考虑修正,埋置深度从天然地面算起,不同规范对不同的埋置深度起算标准不同。 本文整理分析用于高填方涵洞地基极限承载力的计算理论,详细阐述其中经典的计算方法,介绍了计算原理、适用条件和局限性。从理论上推导涵侧填土对采用整体式基础涵洞地基承载力的提高作用。然后结合基底土体的受力特点,进行受力分析,构建求解采用分离式基础涵洞地基极限承载力的计算方法,分析涵侧填土对采用分离式基础涵洞地基承载力的提高效应。 设计并完成高填方涵洞地基极限承载力的模型试验。针对分离式基础和整体式基础,设计了不同涵侧填土高度时的粉质粘土地基受荷变形直到破坏的全过程,分析极限承载力随填土高度的变化规律,为涵侧填土对地基极限承载力的提高规律提供试验依据,结果表明: 1.涵侧填土作为旁压荷载增加了地基土的抗剪强度,使涵洞地基承载力显著提高。对粉质粘土来说,涵侧填土对地基承载力的提高速率并非可以无限增长,而是先增加后减少,当达到某一临界值时地基承载力便趋于某一常量而不再增加。 2.对于分离式基础涵洞基础的埋置深度可根据《建筑地基基础设计规范》规定的“从室内地面标高算起”。对于整体式基础的高填方涵洞的埋置深度可从基础底面算起。 3.用常用公式和规范确定临界高度内地基承载力时,不仅要考虑计算公式的选取,还应考虑不同试验方法所提供的计算参数的影响。 传统的涵洞设计多使用荷载结构法,很难准确地反映结构的实际受力特性,涵洞、地基和填土相互作用成为一个共同体,实际上载涵洞与周围土体的交界面上既应该考虑静力平衡条件的满足还应考虑变形协调条件的满足,因此在分析涵洞结构受力和位移变形时应该考虑涵土共同作用来满足涵洞结构的优化设计。本文假设土体为弹塑性本构关系模型,利用有限元软件数值分析了涵侧和涵顶填土施工中考虑涵土共同作用的盖板涵盖板与涵身铰结和刚结两种状态的结构受力情况;同时隧道仰拱对结构受力有明显的完善作用,尝试将涵洞底板设置成仰拱形式,模拟底板为仰拱形式时涵洞的盖板与涵身处于铰结和刚结两种状态的结构受力情况,对比分析结果得出结论: 1.本文假设底板不采用仰拱设置,模拟并分析了盖板和涵身采用铰结和刚结方式的受力和变形情况,结果显示采用刚结形式可使盖板的跨中弯矩数值显著减小,同时上部填土使盖板两端的负弯矩传给涵洞下部结构,显著完善涵洞结构的受力;选取刚结形式的涵洞底板跨中弯矩稍稍大于铰结时的数值,也有效减小了两端弯矩;刚结时除涵侧填土时涵身的中部弯矩为负值以外,其他时期涵身均承受正弯矩。所以盖板刚结可以使涵身的受力得到改善,更符合结构稳定和安全的要求。 2.本文考虑底板选择仰拱设置,模拟并分析了盖板和涵身采用铰结和刚结方式的受力和变形情况,结果表明无论盖板和涵身采用铰结还是刚结的连接方式,底板设置仰拱状态下涵洞的所受的静力和位移变形情况非常类似于不设置仰拱时的受力大小和变形方式,唯一区别是刚结状态下仰拱的设置会比较显著地影响底板跨中的弯矩。 3.文中假设盖板和涵身处于铰结状态,底板选择仰拱设置,模拟并分析了底板设置仰拱和非仰拱时结构的受力和变形情况,结果表明无论底板采用仰拱还是非仰拱,涵洞盖板的受力基本没有变化;仰拱主要对底板的受力提供了很大的帮助,其中跨中弯矩大约降低了30%,端部弯矩的减小幅度也达到10%;对于涵洞本身来说,设置仰拱的弯矩数值要小于不设置仰拱的情况,虽然负弯矩在填土初期的存在会影响结构的安全,但是填土的增加会弥补此种受力状态的不足,所以得出仰拱的设置可有效改善盖板铰结涵洞结构的受力。 4.本文考虑盖板和涵身处于刚结状态,底板选择仰拱设置,模拟并分析了底板设置仰拱和非仰拱时结构的受力和变形情况,结果表明无论底板采用仰拱还是非仰拱,都不太影响涵洞盖板的受力,两种情况下的弯矩图比较类似;仰拱在很大程度上影响了底板的受力和变形,其中跨中弯矩大约降低了20%,端部弯矩也减小了8%;考虑到涵身的受力,设置仰拱时所承受的正弯矩数值要小于不设置仰拱的情形,虽然负弯矩的存在会影响结构的稳定,但其存在时间短暂数值也较小,而且填土的增加也会缩小此差别,因此认为仰拱的设置可显著提高盖板刚结涵洞结构的受力。


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