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.     

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。     

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。     

梯形沟埋涵洞顶部垂直土压力试验研究

在刚性地基和刚性涵洞条件下,进行梯形沟埋涵洞土压力试验和理论研究,得到回填土体的沉降位移场、洞顶土压力分布、土压力系数的变化规律和理论计算模型。试验和理论研究表明:涵洞回填土体顶、底的沉降位移小,最大沉降区处于涵顶填土高度的中部附近;箱涵顶部土压力为上凹形分布,圆涵顶部土压力为上凸形分布,前者土压力系数约为后者土压力系数的1.07倍。     

高填方边坡下涵洞受力变形数值模拟

针对高填方边坡下涵洞的受力变形特征尚无系统研究的现状,结合延安机场超高填方黄土边坡下涵洞工程,运用PLAXIS有限元软件对涵洞周围土压力分布特征和涵体变形规律进行研究。将研究结果与相同工况下的上埋式涵洞进行对比分析,进而得出其受力变形规律,并由此提出实际工程中所需要解决的一些问题。研究结果表明:高填方边坡下涵洞受偏压作用明显,在竖向与侧向上发生了倾斜与偏转;当边坡坡率为1∶2,填方边坡最高点距涵洞中心线水平距离为10倍洞径宽度时,边坡坡面的边界效应开始显现,涵洞受偏压作用;高填方边坡下涵洞涵顶的竖向土压力可参照依其中心线上填土高度所确定的上埋式涵洞的竖向土压力来作为其取值依据。     

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.     

高填方路堤涵洞碎散体填土成拱效应离心模型

为了对高填方路堤涵洞上部碎散体填土压力性状进行较为直观合理的分析,通过离心模型试验,研究了不同边界条件下高填方涵洞垂直土压力随填土高度变化的规律以及涵洞周围填土位移场的变化情况.试验结果表明:由于受沟谷地形的影响,涵洞上部碎散体填土达到一定高度后将会产生具有不稳定性的成拱效应;平坦地形设涵,在上部碎散体填土达到一定高度且在涵中填土沉降量大于涵侧填土沉降量的情况下,土体中将产生成拱效应;由于高填方涵洞上方路基填料是不同于岩石的碎散体,所以高填方涵洞上方的拱效应具有不稳定的特点.     

图珲公路高填方涵洞地基承载力分析

为了研究涵侧填土对高填方涵洞地基承载力的提高效应,由几何和动力相似条件设计了高填方涵洞地基承载力模型试验,模拟了不同涵侧填土高度的涵洞地基受荷,直到破坏。为了确定涵侧填土对高填方涵洞地基承载力的提高作用,根据相似原理设计了高填方涵洞模型试验,模拟了不同涵侧填土高时涵洞地基受荷破坏的过程,绘制荷载-沉降曲线得到极限荷载。讨论了使用经验公式和《公路桥涵地基与基础设计规范》的计算结果和试验结果的差值。选取图们至珲春高速公路桩号为RK365+510处的高填方涵洞作为试验涵洞,在涵洞底部埋设沉降观测点,测量基底沉降值和沉降差。结果表明:侧填荷载对地基承载力的提高十分显著,且提高幅度为非线性,先从18.4%增加到36.83%,然后减小到8.91%;计算地基承载力时应考虑公式和计算参数的选择以及试验方法对力学指标的影响;现场测试的涵洞基底最大沉降值符合规范的要求。     

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。     

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。     

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.     

高填方涵洞顶垂直土压力影响因素分析

分析了涵侧填土压实程度和回填卵石对涵顶垂直土压力的影响,并通过建立高填方盖板涵有限元模型,采用整体分析方法,取涵洞结构和周围土体为研究对象对涵洞进行应力分析,结果表明,涵侧填土压实程度影响涵顶垂直土压力大小,较好的涵侧填土压实效果能有效地降低涵洞顶的垂直土压力;在涵侧回填卵石,回填厚度在1/2涵高左右,可以有效地减小涵顶附加土压力。     

上埋式公路涵洞地基及基础的设计

为了探讨上埋式公路涵洞的地基及基础的工作机理、提高设计水平，分析了目前地基承栽力的确定与地基及基础的设计方法；通过首次给出的涵洞、填土体、地基及基础共同工作机理模型，分析了公路涵洞的受力及其与土体的共同工作性状。结果表明：公路涵洞工程的地基及基础设计不能套用基底压力小于地基承栽力的原有原则；涵洞与地基刚度越大，涵顶上作用的土压力就越大。建议涵洞上部土压力按顾安全公式计算；地基承栽力确定原则为涵洞基础下与涵侧土堤下地基承载力相等。     

柔性桩桩承式加筋路堤的差异沉降分析

针对柔性桩桩承式加筋路堤,建立路堤-网-桩-土相互协调共同工作的荷载传递模型,通过改进的路堤荷载传递模型和假定的柔性桩桩侧摩阻力分布模式,获得土拱效应、拉膜效应和桩土相互作用耦合下的桩土差异沉降、路堤等沉面高度等计算公式.通过工程实例的分析计算,验证计算模型的合理性.结果表明:路堤等沉面高度和桩土差异沉降均随路堤填土内摩擦角的增大先减小而后增加,随桩体压缩模量、桩土压缩模量比、桩间距增加而增大,随桩间土压缩模量、土工格栅抗拉强度、置换率的增加而减小;路堤等沉面高度随路堤填土压缩模量增加而增加,随路堤填土容重和填土高度增加而减小;桩土差异沉降随路堤填土压缩模量增加而减小,随路堤填土容重和填土高度增加而增大.     

矩形断面沟埋式涵洞垂直土压力的分析

通过对矩形断面沟埋式涵洞垂直土压力的分析,提出了一种新的计算模型,采用土体极限平衡理论,推导沟埋式涵洞垂直土压力的计算公式,该公式具有与上埋式涵洞土压力计算公式的形式,而且反映了沟槽宽度和胸腔宽度等对涵洞土压力的影响。     

基于埋深效应与宽度效应的高填方涵洞地基承载力计算

为探明上埋式涵洞侧填土荷载对地基承载力的影响,基于普朗特尔-赖斯纳与太沙基极限承载力理论,研究了涵洞基础深度效应与宽度效应下涵洞基底粉质黏土、黏性土与砂土地基承载力变化规律与曲线特征。此外,基于涵洞地基的实际受力情况与涵洞地基承载力计算图示,修正了太沙基地基承载力计算方法,并将用修正方法计算得到的涵底地基承载力结果与数值模拟计算结果、太沙基方法计算结果进行了对比分析。结果表明:(1)涵洞基础深度效应与宽度效应对高填方涵洞地基承载力的提高作用明显,随着基础埋深系数的增加,粉质黏土、黏性土与砂土的地基承载力值随之增加,粉质黏土与黏性土地基增加的幅度较小,砂土地基增加的幅度较为显著;(2)当基础宽度系数k≥5时,黏土与砂土地基承载力增长幅度减小,而粉质黏土地基承载力增长幅度较大;(3)填土高度为6 m时,改进方法计算得到的地基承载力值比有限元法大8.78%,比太沙基计算公式法大18.72%,改进方法比太沙基方法更接近涵洞地基极限承载力值。     

山区公路高填方涵洞的设计问题研究

高填方涵洞是山区公路建设中经常遇到的工程,特别是在高等级公路建设中,由于线型要求高,深挖高填更是不可避免。由于其受力复杂、工程量大、对地基承栽力要求高,因此,降低涵顶填土高度,减少涵洞长度,减小涵底坡度,降低基底承栽力要求以简化结构计算,减少工程造价减小涵底冲刷,增加涵洞安全性,成为设计中着重考虑的问题。本文结合近几年对山区公路涵洞设计以及施工反馈的惠见,就高填方涵洞的设计进行分析与探讨。     

会宁县苍洼河高堤土桥梁的设计

随着国家经济的快速发展,尤其是西部大开发战略的实施,甘肃省山区等级公路越来越多,在一些山沟较深的路段,为满足排水的要求,在这些高填方路段就必须修筑排水涵洞,对于流量过大、涵长较长的河段就需设置单孔的小桥来泄洪.由于填土高度过高,桥梁在应用中存在着各种病害,产生这些病害的一个根本原因是结构设计时未能正确的计算土压力,没有针对高填方桥梁本身的加载与受力特点及填土高度进行分析,使高填土桥梁结构过分保守或不安全,导致工程造价增加或产生破坏病害,就此例举具体实例,重点对拱顶填土高度达32m小桥的土压力和内力进行计算,以供设计参考.     

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%.     

盖板式涵洞顶部土压力转移研究

利用土拱理论和有限元方法,对上埋式盖板涵洞顶部土压力的转移、减小进行研究和计算。结果表明,刚性地基条件下,在盖板式涵洞顶部两侧设置的减载块-混凝土块体充当支撑拱脚,产生的土拱效应大大减小了涵洞顶板的土压力。减载块高度、宽度以及减载块间填土的密实度对顶板土压力的减小有很大影响,三者均可使顶板土压力减小20%～30%以上。