高填方土石混合体填料盖板涵垂直土压力计算新方法

涵洞在山区高填方高速公路中应用较为广泛,但由于涵洞上方填料组成复杂与填料—涵洞相对刚度差异大等问题引起涵顶垂直土压力集中,造成涵洞结构出现一系列病害。为探明涵顶土压力集中系数的影响因素,在室内模型试验和FLAC数值模拟的基础上,研究了涵洞顶部填料高度、盖板厚度、填料泊松比以及填料含石量对上埋式盖板涵顶部垂直土压力、侧墙水平土压力及土拱效应影响规律。结果表明：涵洞顶部填料高度、盖板厚度、填料泊松比以及填料含石量均会影响土压力集中系数值,涵顶土应力分布形式为抛物线,涵顶中心土压力集中系数值小于1,涵顶边缘土压力集中系数值大于1,涵顶与侧墙土压力呈非线性分布。将上述因素影响下的结果建立图表和方程,可用于评估同类型盖板涵的静止土压力和静弯矩设计。采用C#语言编写了《涵洞顶部竖向土压力值计算》程序,能快速准确的定位涵洞顶部垂直土压力,可为类似的高填方土石混合体填料—涵洞受力分析提供参考。     

山区涵洞受力影响因素的数值模拟分析

文章通过数值模拟详细讨论了涵洞路段几何条件与地基刚度对涵-土体系受力状态和位移特性的影响,对比分析了不同型式与尺寸的涵洞受力与位移规律.结果表明,沟谷宽小于3倍涵洞宽度时,涵顶压力与涵体位移受沟谷宽度与岸坡角度影响较为显著;较大的地基刚度引起更大涵顶压力;涵洞采用壳体基础与整体式基础时涵顶压力与涵体位移没有显著差异,比采用分离式基础的沉降小,涵顶压力集中程度大;断面高而窄的涵洞比矮而宽涵洞的涵顶压力和竖向位移大.     

涵洞变形对涵顶土压力的影响

涵洞变形对涵顶土压力具有重要影响。利用有限元模拟计算,就涵洞变形对涵顶土压力的影响进行研究。分析表明,刚性圆涵的等沉面高度比随填土高度的增大逐渐减小,并趋于常数2.5,管土相对刚度减小,等沉面高度比减小1%~20%;对于各种管土相对刚度的圆涵,距涵洞竖轴0.65倍半径的洞壁点,其垂直土压力等于涵顶的土柱压力,该点是内、外土柱的分界点,又是涵顶土压力分布曲线的拐点;涵顶土压力系数随管土相对刚度的减小而减小,0.28为管土相对刚度系数的中性值,其对应的土压力系数近似为1.0.     

高填方盖板涵受力特性的原位试验 及数值模拟研究

通过现场测试,分析上埋式盖板涵在路堤填土荷载作用下的变形规律和受力特性;同时结合现场测试与数值模拟的方法,研究盖板涵顶板、基底土压力与侧墙水平土压力的分布特征。结果表明:在填土荷载作用下,涵洞顶板、底板垂直土压力以及侧墙的水平土压力呈非线性分布,其受力状态与规范计算的结果存在较大差异。由于涵洞与填土的模量不同,涵洞以上填土与两侧填土存在差异沉降,涵顶两侧墙土压力大于涵顶中部土压力,大于填土自重。数值模拟分析结果显示盖板涵土压力的分布特征与现场测试的分析结果一致,实际涵顶受力为涵顶附加摩擦力与填土自重之和;涵顶两侧墙分担了两侧填土竖向应力,涵洞侧墙水平土压力小于静止侧压力,实测平均值与铁路桥涵设计规范理论值的比值为0.53~0.87。由于地基土的不均匀沉降以及涵洞底板的挠曲变形,基底土压力呈非线性分布,跨中附近土压力产生卸荷现象。结合涵顶受力的理论研究与对包茂高速(粤境段)多个盖板涵涵顶数据的监测,提出了涵顶土压力的经验模型;该模型与涵顶上覆填土高度具有良好的线性关系,与现场实测值吻合较好。     

涵洞-填土-地基共同作用的涵洞减载效应研究

为缓解高填方盖板涵顶部竖向土压力集中的状况,进行了室内填土-涵洞-地基模型试验,通过监测涵洞顶部与底部竖向土压力,验证了FLAC数值模型的精度与可靠性,然后在该数值模型的基础上,对涵底地基压缩减载、涵底地基与涵顶联合压缩减载时各工况进行了数值模拟.结果表明:在涵底地基上设置固定尺寸的地基压缩区,可在不显著增加涵洞竖向沉降的情况下,有效减小涵顶竖向土压力;当仅在涵底地基上设置压缩减载区,压缩区深度为0.5D(D为涵洞高度),宽度为2B(B为涵洞基础宽度)时,对缓解涵洞顶部土压力集中效果最好;当为涵顶与涵底联合压缩减载时,在保证最优的涵底地基压缩减载情况下,涵顶压缩区厚度为0.6 m时对应的涵顶竖向土压力减小最显著;当涵顶上方填土高度为28 m,且在最优的联合减载情况下,涵顶竖向土压力与涵底竖向压力的最大减载率分别为61.13%和45.42%.     

基于分布角法的涵顶竖向土压力试验研究

为了研究沿涵洞纵向不同位置的涵顶竖向土压力的分布规律,基于分布角法推导了距离涵洞口不同位置的涵顶竖向土压力的计算方法。选取图们至珲春高速公路桩号为RK365+510的高填方涵洞作为试验涵洞,在涵顶埋设土压力盒测量当填土高度为12、16和20 m时,距离涵洞口不同位置的涵顶竖向土压力。分析了竖向土压力沿涵洞纵向的分布规律,探讨了拱效应,分析了基于分布角法推导的土压力计算值和实测值的误差。结果表明,基于分布角法的涵顶竖向土压力的计算和试验结果较接近。离涵洞口较近时,压力盒的应力集中使实测值大于计算值;随着纵向长度的增加,涵顶拱效应使实测值小于计算值。采用规范"土柱法"的计算值偏大造成结构设计过于安全而不经济。建议涵洞可分段设计并采用不同的尺寸。     

减载条件下高填方涵洞垂直土压力研究

针对现有理论方法没有考虑涵侧的外土柱体所受附加压力对涵顶垂直土压力的影响的问题,根据涵洞和填土实际受力状态,改进现有的涵顶垂直土压力计算理论方法,推导出涵洞垂直土压力计算式.将改进理论方法的计算结果、数值模拟和现有的试验结果进行对比,验证了改进理论方法的正确性.研究结果表明:涵顶铺设柔性填料能明显减小涵顶垂直土压力,涵顶土压力集中系数随填土高度、涵顶和涵侧填土变形模量、柔性填料厚度的增大呈非线性减小,随柔性填料变形模量的增大呈非线性增加,但最终均趋于稳定.     

沿涵洞纵向涵顶竖向土压力分析

查询研究了大量参考文献,涵顶土压力的研究都是在涵洞横向上对涵洞顶面土压力进行分析,并以此为依据进行涵洞结构设计,而忽略了沿涵洞纵向进行涵顶土压力的研究.通过理论推导得到了涵洞纵向上涵顶不同位置的土压力计算公式,并且通过 ABAQUS 软件模拟进行了验证.     

涵土沉降特征对涵洞外界面受力的影响

通过现场监测涵洞与周围填土的沉降、涵洞外界面受力,研究了涵土沉降特征及其对涵洞外界面受力的影响.结果表明:涵土差异沉降引起盖板涵顶中部和两侧墙顶土压力集中作用,在填土期间变化过程不同,涵顶土压力约为填土自重的1.4~3.0倍;涵土差异沉降使得涵顶对涵顶以上两侧土体竖向力的分担,涵侧竖向受力小于填土自重,涵洞侧墙受力远小于静止侧压力;受地基差异影响,涵洞沿横断面沉降不均,涵土之间发生被动土压力作用,引起涵洞两侧墙土压力和基底压力的非对称状态,以及基底压力骤然减小现象.     

沟谷地形对高填方盖板涵受力及填土沉降特性的影响

为探明山区沟谷地形对高填方盖板涵受力特性和填土沉降变形特性的影响,通过离心模型试验,选用自主研发的能够反映地形-涵洞-填土相互作用的模型试验平台,分析了不同沟谷宽度B和不同沟谷坡度α下盖板涵的涵-土界面土压力、涵顶填土沉降变形、涵洞结构内力以及涵顶垂直土压力集中系数K_s的变化特征,并提出了相关的工程技术建议。研究结果表明:涵-土界面土压力、涵顶垂直土压力集中系数K_s与沟谷宽度呈正相关,与沟谷坡度呈负相关;盖板涵涵顶土体沉降变形呈W形分布,随沟谷宽度的增大,涵顶土体内外沉降差δ逐渐增大;随沟谷坡度的增大,涵顶土体内外沉降差变化为δ→0→-δ;沟谷宽度为1.5D～5D时(D为涵洞计算跨径),对应等沉面高度变化范围为12.2～13.7 m;沟谷坡度为0°～60°时,对应等沉面高度变化范围为12.5～13.7 m,提出可用等沉面高度界定高填方涵洞,可取14 m作为其界定高度;盖板涵盖板下缘、涵底上缘中部受拉应力,盖板下缘为盖板涵结构受力最不利位置;高填方盖板涵施工时应充分利用原有地形,在确保边坡稳定的前提下,尽量保留边坡,或人为反开挖施工,增加沟坡、减小沟宽,坡体以沟谷宽度B≤3D、沟谷坡度α≥45°为宜。     

涵洞填土中的等沉面

以梯形沟槽埋涵为研究对象,建立沟埋涵洞的计算简图,利用内、外土柱压缩量相等的原则,形成等沉面高度的计算方法。研究表明,涵洞填土中的等沉面高度并非常量,洞顶填土高度大,等沉面高度小,填土高度不断增大,等沉面高度趋于定值;埋涵沟槽的底宽大、边坡缓,等沉面高度大。     

砂袋挡土墙宽度对承载特性影响的试验研究

为了探讨砂袋挡土墙宽度是挡土墙设计过程中的关键因素,直接影响挡土墙的整体稳定性,通过砂袋挡土墙在墙宽分别为40、60、80 cm条件下的室内模型试验方法,研究了砂袋挡墙墙后填土沉降规律、墙面水平位移分布和墙背及墙内土压力分布规律。试验结果表明,砂袋挡土墙墙后填土沉降与墙体宽度成正相关;水平位移随墙宽度的增加逐渐减小,所以增加挡土墙宽度可以提高其整体稳定性;土压力随墙高度的增加先增加到最大值而后逐渐减小,成鼓型分布,距离墙背越远,土压力越小,随墙高度变化越不明显;可见砂袋挡土墙宽度对其承载特性具有较大的影响。     

低填方钢波纹管涵洞受力变形特性及垂直土压力计算

分析了填筑施工动态过程中钢波纹管涵洞的受力变形特性及管涵周围土压力分布规律,基于马斯顿理论,构建了一种垂直土压力的计算公式,结合试验数据和有限元计算对其进行验证.结果表明:应变随填土高度呈波动增长态势,在管侧填土高度为3.6m时,内外部测点应变出现最大值;填土完成后,内部测点存在受拉或受压状态,而外部测点以受拉为主;水平向和竖向变形随管侧填土高度的增加而增加,呈竖向椭圆形;管涵顶部的垂直土压力最大,垂直土压力系数随倾角的增大而增加.     

基于PSO搜索潜在滑裂面非极限状态土压力计算

作用于刚性挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的朗肯或库仑土压力理论,这两种理论只能求得极限状态的土压力,而在许多实际情况下,挡土墙的土压力处于非极限状态.本文将潜在滑裂面视为一任意曲线,改进水平层分析法,同时基于摩擦角随位移的变化关系,对平动模式下墙后填土进行分析,推导出非极限状态下主动方向土压力分布、合力大小及作用点的理论公式.以各薄层微元的滑裂面倾角为变量,利用PSO(粒子群算法)对潜在滑裂面进行搜索从而获得土压力最优解.分析了内摩擦角、刚性挡土墙位移量对非极限状态主动方向土压力分布、土压力合力大小、土压力合力作用点高度以及潜在滑裂面的影响.本文提出的计算方法得出的结果与试验数据的大小及变化趋势基本吻合,具有推广应用价值.     

崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟

采用离散元软件3DEC对高速下落岩体冲击地面、引起埋地管道动力响应的过程进行数值模拟,考察影响管道表面土压力和管道变形的主要因素.结果表明:冲击荷载作用下管道表面土压力分布非常不均匀,靠近管道顶部的区域是主要影响区,冲击作用面积是主要影响区范围的决定性因素;落体质量和冲击速度是影响管道表面最大土压力的主要因素,落体对管道表面土压力沿纵向的影响范围大致为冲击作用半径的2倍;落体速度相同时,落体质量对管道变形的影响比冲击作用面积更显著;增大管道埋深可以减小管道的冲击变形量;与采用较硬的黏土作为管沟填充料相比,无黏性砂填充时冲击荷载更容易引起管道发生较大变形.     

考虑平动位移效应的黏性填土挡土墙土压力计算

针对平动位移模式下的刚性挡土墙墙后填土为黏性土的情况,研究了考虑平动位移效应的非极限状态土压力计算.对平动模式下未达到极限位移的挡土墙,结合前人提出的考虑位移效应时,墙后填土内摩擦角及墙土接触面上外摩擦角之间的关系,用水平层法分析了墙后土楔的受力情况,得到了考虑位移效应的非极限状态的黏性土主(被)动土压力计算公式,通过比较发现,理论公式与实验结果较吻合.     

考虑时间效应的不同厚度高回填场地桩基受力特性分析

为明确高回填场地回填土蠕变对桩基受力和变形的影响,基于有限差分软件FLAC3D中内置的Burgers模型,选用桩顶荷载为1MPa,桩径为2m,嵌岩深度为6m（3倍桩径）,回填土高度分别为10m、15m、20m和25m的桩基,通过数值模拟的方法研究了考虑时间效应下不同厚度高回填场地桩基受力性能。结果表明：不同填土高度其对应的蠕变稳定时间也不尽相同;随着桩周填土蠕变时间的增加,各工况桩周回填土沉降随之增大最终趋于稳定;桩周回填土蠕变稳定后,增加回填土厚度,桩周回填土最终沉降、中性点深度变化、桩身最大轴力以及桩端阻力和位移均随之增大,各工况桩周回填土最终沉降、中性点深度变化、桩身最大轴力以及桩端阻力和位移均线性相关;可见高回填场地桩基设计施工中回填土蠕变以及填土厚度的变化对于该场地桩基的影响不可忽视。     

基于厚壁圆筒模型的筋箍碎石桩沉降计算

为解决现有方法难以考虑加筋材料实际受力状态而低估筋箍碎石桩复合地基沉降的问题,假设桩土等应变且均为线弹性材料,选取单桩有效加固单元整体作为分析对象,其中碎石桩同时受到加筋材料和土环的约束作用,而土环则可以考虑为同时受到单桩有效加固范围外土体的静止土压力和内部碎石桩鼓胀压力共同作用的厚壁圆筒,再结合广义胡克定律得到应力应变关系,进而导出了筋箍碎石桩复合地基沉降计算的新方法.采用工程实例验证并与已有方法进行比较,同时分析了外荷载水平、置换率对复合地基总沉降和桩土应力比的影响.与已有方法相比,该方法可以使上部荷载和筋箍碎石桩侧向受力变形联动进而调整加筋材料内力,从而更符合筋箍碎石桩实际受力变形情况,计算值与实测值相对误差为+5.70%,与现有保守计算方法相比误差最小.参数分析表明:置换率对于控制复合地基总沉降具有重要作用,外荷载一定时复合地基总沉降与桩土应力比均随着置换率提高而减小.