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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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%.     

减载式刚性涵洞减载机理与受力特性研究

为了缓解涵顶土压力集中、减少涵洞结构病害,改进了涵洞结构形式.提出一种新型减载式涵洞结构,利用数值模拟分析了减载式涵洞土压力和内力的分布规律.在此基础上建立理论分析模型,推得减载式涵洞涵顶土压力计算式,对比分析结果表明理论计算结果与数值模拟结果一致.此外,通过数值模拟分析了各因素对涵洞结构受力状态的影响.研究结果表明:与一般的减载措施相比,减载式涵洞可以明显降低涵顶垂直土压力,有效减小涵洞侧墙和顶板的最大弯矩,使涵洞结构受力更加合理.     

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。     

高填方大直径钢波纹管涵减荷试验

为了研究在钢波纹管涵顶铺设聚苯乙烯泡沫(EPS)板减小涵顶土压力及其调整土压力分布效果,依托四川广巴(广元—巴中)高速公路连接线项目路基工程,对其高填方大直径钢波纹管涵开展现场试验。在设计填方最高处的路堤下沿管涵纵向选取4个特征断面,其中1个为不减荷断面,另3个为涵顶平铺不同厚度EPS板的减荷断面,并对每个断面的特征点位进行应力应变测试,研究钢波纹管涵在减荷与否2种情况下的受力与变形随填土高度的变化规律和EPS板的减荷效果。研究结果表明:在未减荷断面,填土高度在约10m之前的垂直土压力大于土柱压力、约10m后小于土柱压力,最终的垂直土压力系数为0.9左右;在减荷断面,填土高度在约5m之前垂直土压力大于土柱压力、约5m之后小于土柱压力,最终的垂直土压力系数为0.46~0.47;钢波纹管涵两侧填土时,管涵变形表现为横向收敛、竖向拱起,随着填土高度的增加,其变形逐步调整,最终表现为横向挤胀、竖向收敛,且未减荷断面的竖向收敛略大于减荷断面,最终的收敛变形率均在1.0%~2.0%之间;在减荷与否2种情况下,钢波纹管涵顶垂直土压力随着填土高度的增加而增大,但增幅均逐渐减小;未减荷的钢波纹管随着填土高度的增加逐渐表现出柔性管的受力特性,而具有调节土压力的能力;在钢波纹管涵顶平铺柔性材料EPS板具有显著的减荷效果和调节土压力分布的作用;钢波纹管涵顶垂直土压力是影响其最终收敛变形的一个关键因素。     

格宾网加筋煤矸石路堤稳定性及其强化措施

煤矸石是煤炭开采加工等工业过程中形成的煤炭矿渣,由于其工业价值低而被作为废弃物。考虑到煤矸石矿区公路路基填料缺乏和遵循变废为宝的环保理念,某高速公路建设工程采用了煤矸石填筑路基,并采用了格宾网加筋土结构形式,然而,有关格宾网加筋煤矸石路基的工作性能方面的研究匮乏。为此,以该高速公路建设为依托,通过现场试验研究格宾网加筋煤矸石路堤的力学与变形特性；在此基础上,建立相应的三维数值模型,进一步分析格宾网加筋煤矸石路堤的稳定性及其加固强化措施。结果表明：在退台式格宾网箱墙面的卸荷作用和格宾网网兜效应共同作用下,墙面附近的竖向土压力较低；格宾网加筋挡墙是一种柔性结构,其墙后侧向土压力小于静止土压力；提出了在坡脚下方埋设格宾网箱的加固强化措施,该措施可通过改变坡脚下方土体的力学与变形状态以及潜在滑裂面的形状,来增大路堤的抗滑力,进而提高格宾网加筋路堤的稳定性。     

上埋式涵洞土压力影响因素分析

利用弹性理论对上埋式钢筋混凝土涵洞顶部垂直土压力的计算方法进行了探讨，根据力的平衡条件和变形协调条件得到一个土压力计算公式，并由此分析填土内摩擦角、填土与地基的弹模比及涵洞的宽高比等因素对洞顶土压力的影响，所得的洞顶土压力系数在1．01—1．43之间连续变化。     

双线盾构隧道下穿对输水暗涵影响的数值分析

为研究双线盾构隧道下穿对输水暗涵的影响,以合理选择加固方案,基于工程实际相关参数建模,采用FLAC3D对未加固、仅隧道围岩加固、仅暗涵区间地层加固、隧道围岩和暗涵区间地层联合加固4种方案进行了数值模拟研究,对数值模拟结果进行了对比分析.结果表明:上述4种方案施工引起的暗涵最大沉降值分别为26.3 mm、14.5 mm、12.7 mm和6.8 mm,未加固方案暗涵管段存在明显的应力集中,前两种方案变形缝部位出现塑性区,后两种方案暗涵变形缝部位无塑性区.联合加固方案对减少暗涵结构及地表沉降效果显著.     

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.     

基于 FBG 传感技术循环荷载下的路堤模型试验

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)作为一种新型的监测元件, 具有精度高、抗干扰能力强和可实时监测等优点. 为了研究在循环荷载作用下土工格栅加筋路堤的力学性能和筋材的变形特性, 采用 USTX-2000 加载装置进行加载, 利用 FBG 传感器进行筋材变形监测, 在不同加筋层数和加筋间距等工况下对加筋路堤进行了模型试验. 试验结果表明: 在长期循环荷载作用下, 土工格栅的应变在水平方向上呈现出由加载板正下方向两侧递减的规律, 且沿筋长方向呈非线性分布; 而在同一工况的竖直方向上, 土工格栅的应变则随着路堤深度的增加而减小; 加筋能够有效减小路堤的沉降量和坡面的法向变形, 路堤内部的土压力也随着加筋显著增加. 该试验证明了 FBG 新型传感技术在路堤边坡监测应用中的可行性和优越性.     

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.     

四川盆地红层高填路堤沉降及稳定特性分析

川渝地区公路工程建设中,常形成红层高填路堤,其沉降及稳定特性决定了工程安全及质量。以乐山至西昌高速公路某处取样,室内测得红层填料物理力学参数后,考虑粒度分布、干湿循环、填方高度和边坡坡度,通过有限元数值试验探讨红层高填路堤施工过程中的沉降及稳定特性,然后利用极差分析获知各因素的作用效应主次。结果表明：路堤沉降具有累积效应,路堤坡面下方土体受偏压影响,最终体现为竖直向越靠近路堤顶面沉降量越大,水平向越靠近坡面沉降量越小;路堤填筑过程中,坡体内逐渐形成滑移曲面,边坡临界失稳高度受路堤材料和几何尺寸等因素影响;填筑完成后,各因素对路堤沉降量的影响主次为：路堤填高>边坡坡度>粒度分布>干湿循环,对滑移曲面至坡面最大距离的影响主次为：路堤填高>干湿循环>边坡坡度>粒度分布     

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。