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高填方涵洞EPS板减荷技术应用及数值模拟研究

姜峰林  
【摘要】: 在山区修建高速公路,常用高填路堤代替桥梁穿越沟谷,达到降低工程造价的目的,从而形成了较多的高填方涵洞。由于高填方涵洞承受的土压力大,因而涵洞多为结构尺寸较大、施工困难但承载力较高的拱涵。如果采用在涵顶铺设柔性材料EPS板的减荷技术,促使土中形成拱效应,降低作用在涵洞上的土压力,就可使用材料用量小、施工简便的盖板涵代替拱涵,满足高填方涵洞承载力要求。 为了开展高填方涵洞EPS板减荷技术应用研究,本文结合四川省广元-巴中高速公路“高填方涵洞设计新理念的工程应用”课题,对一公路高填方涵洞进行了EPS板减荷技术的工程应用及减荷效果测试,通过室内试验研究了EPS板的压缩变形性能,并结合数值分析对EPS板减荷技术进行了系统的研究,取得了以下成果: 1.通过三轴与单轴压缩试验,研究了不同加载速率及围压条件下EPS板的压缩变形性能及蠕变、松弛特性。试验结果表明,逐级加载的单轴压缩试验结果适用于EPS板在高填方涵洞减荷时的受力及变形情况,根据单轴压缩试验结果得到了工程设计中所需EPS板的压缩强度与密度、压缩模量与密度的计算公式。 2.将EPS板减荷技术在一公路高填方涵洞上进行了应用,成功以盖板涵代替拱涵,节省了约一半的涵洞造价并加快了施工进度。在填土过程中和填土完成后,对涵洞土压力及EPS板压缩变形进行了700多天的观测,得到了涵洞土压力分布及EPS板的变形规律。观测结果表明,采取减荷措施后的涵洞土压力明显减小,该盖板涵竣工近两年来使用状况良好。 3.利用数值分析的方法,对采用Drucker-Prager Cap双屈服面模型的土体与采用Crushable Foam模型的EPS板进行了土工试验的有限元数值模拟。根据有限元计算结果与室内试验结果的比较,验证了所选模型的有效性;并且对材料模型参数进行了修正,提高了涵洞有限元模型计算结果的可靠性。 4.针对常规填土涵洞,采用模拟路堤分层填筑的二维有限元模型,对涵-土相互作用机理及涵洞所受土压力进行了研究,分析了涵洞土压力的变化规律及其主要影响因素。通过涵洞三维有限元计算,得到了公路高填方涵洞在梯形路堤断面下的涵顶土压力分布情况,弥补了以往只在二维方向进行涵洞土压力分析的不足,提出了新的涵洞垂直土压力系数建议值。 5.通过对EPS板减荷技术的二维有限元分析,得到了高填方涵洞的减荷机理及影响减荷效果的主要因素;通过涵顶净跨内铺设EPS板与涵顶满铺EPS板两种减荷方式的对比分析,结果表明盖板涵结构净跨内铺设EPS板是较为合理的减荷方式。根据三维有限元计算分析的结果,得到了涵顶所铺设EPS板的三维压缩变形随填土高度的变化规律,可作为沿涵洞长度方向铺设EPS板厚度的依据。 6.在以往EPS板减荷技术试验结果及本次减荷技术工程应用观测结果的基础上,并结合二维与三维有限元计算分析,建立了涵洞EPS板减荷设计的经验系数方法,简化了减荷后复杂的土压力计算及涵洞结构设计过程。为了防止施工机械对EPS板造成破坏,研究了施工荷载对EPS板的受力及压缩变形的影响,提出了一套简便可行的施工技术。


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