高填方涵洞地基承载力与稳定性及确定方法

为探明高填方涵洞地基承载力与稳定性,提出填土-涵洞-地基共同作用下的地基承载力确定方法,通过现场试验分析涵洞基底土压力随填土高度的变化规律,揭示传统涵洞地基承载力确定方法的不足,利用有限元软件研究不同地基土质下高填方涵洞受力特点和地基应力与变形特性,确定高填方涵洞地基的破坏模式,建立地基工后沉降20 cm为控制指标的地基承载力确定方法,将不同填高、地基土质下的基底压力与规范公式计算值及沉降控制值进行对比,验证此方法的可靠性。研究结果表明:传统涵洞地基承载力确定方法低估了高填方涵洞的地基承载力;涵洞和一般路堤的不均匀沉降导致涵顶应力集中,造成跳车现象;涵洞基底压力大于一般路堤,地基土强度越高,涵洞基底压力与一般路堤压力的比值越大;在一般土质与较好土质下,涵洞地基的稳定性要高于一般路堤断面的稳定性,地基土的破坏形式为典型的局部剪切破坏形式;按地基工后沉降20 cm控制地基承载力符合实际情况,规范公式偏于保守。     

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.     

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。     

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。     

高填方涵洞地基承载力分析

通过理论方法与数值模拟分析了地基土黏聚力和内摩擦角对涵洞地基承载力与沉降的影响.并根据高填方涵洞工程的受力特性,提出了综合考虑强度与沉降控制的承载力基本容许值确定方法.在<公路桥涵地基与基础设计规范>(JTG D63-2007)天然地基承载力公式的基础上.提出了考虑深、宽修正的复合地基承载力计算表达式.数值模拟和现场实测结果表明,综合考虑强度与变形要求来确定高填方涵洞的地基承载力,并进行深、宽修正的计算方法是合理的.     

波纹钢管涵地基承载力分析

波纹钢管涵在我国已有大量应用,但现有计算理论及现行规范对此类涵洞地基承载力尚缺乏认识.采用理论推导与实测数据验证相结合的方法,提出了考虑波纹钢管涵-填料相互影响、管侧填料与管涵变形差引起的附加应力的波纹钢管涵地基承载力计算公式,并对比分析了现行规范、经验公式和本文公式在计算波纹钢管涵地基承载力的误差和适用性.研究表明:波纹钢管涵对地基承载力的要求远小于传统刚性管涵,且管侧附加应力对管涵基底承载力的提高有利;本文公式计算精度较现行规范和经验公式有大幅提高,且更适用于高填方波纹钢管涵的地基承载力设计;当缺乏设计资料时,也可采用路基荷载等效法对此类波纹钢管涵的地基承载力进行初步设计.     

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。     

沟谷地形高填方涵洞竖向土压力数值模拟与计算方法研究

受地形、填料物理力学参数、结构尺寸等多种因素的影响,沟谷地形高填方涵洞受力计算较为复杂,相关理论研究尚不成熟.以某一高填方涵洞项目为依托,通过数值模拟得出:在一定条件下,涵洞两侧边坡阻碍了沟内填土的沉降,土中主应力方向发生调整,从而产生土拱效应.在数值模拟的基础上,运用小主应力拱概念,推导出了沟内黏性填土产生土拱效应时的侧压力系数与沟谷地形高填方涵洞竖向土压力理论公式.各种结果对比可见:所提公式计算结果与现场实测结果以及数值模拟结果相吻合;沟谷地形涵洞上方填土中产生土拱效应时,涵洞竖向土压力随着填土高度的增加非线性增大,增速逐渐减小.     

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。     

基于能量法的填土地基单桩负摩阻力计算方法

深厚填土地基因土体固结沉降导致桩基产生负摩阻力,负摩阻力会造成桩身的沉降量过大和承载力降低。针对能较准确计算深厚填土场地基桩负摩阻力方法研究成果不足的问题,通过不同法向应力下的土–混凝土界面剪切试验讨论了桩侧摩阻力的发挥机理,并考虑桩侧摩阻力随深度的分布规律,提出结合双曲线模型和有效应力法的桩侧摩阻力分段计算模型。然后,基于桩–土体系的能量传递,建立负摩阻力条件下基桩的能量平衡方程,进而导出同时考虑桩–土相对位移和桩–土体系势能变化的桩身轴力和位移计算表达式。以某桩基现场试验项目进行计算,将理论计算结果与试验实测结果对比分析,结果表明：理论计算所得桩身轴力沿深度变化曲线与试验结果基本吻合,本方法能够较准确的分析深厚填土地基中基桩的力学特性。     

土工格栅加筋地基承载特性数值分析

为研究加筋地基承载性能,基于已有室内试验结果采用有限差分法建立加筋地基数值模型,分析竖向荷载下土工格栅加筋地基的力学特性及加筋层数对土体的荷载-沉降变形特性、应力分布及土工格栅位移的影响,探讨筋土结构的内部土体和土工格栅应力位移场的演变规律,引入承载力提高系数综合分析加筋层数对加筋地基的沉降及承载力的影响。研究表明:在竖向荷载作用下,地基土体呈拱状不均匀沉降,基础两侧土体隆起变形,加筋后能够改善地基的不均匀沉降及减小侧向变形,约束基础两侧土体的隆起;土工格栅具有良好的应力扩散作用,加筋地基的承载力随着加筋层数的增加而增加,但增长幅度逐渐变缓,加筋层数为4层时承载力最高,为最佳加筋层数;土工格栅的有效埋深约为1.5B(B为基础宽度),当筋材埋深超出筋材有效深度影响范围,筋材的加筋作用不再增强。     

207国道某涵洞地基不均匀沉降处理

207国道某涵洞西端拱脚落在人工填土上,且地基实际承载力不能满足设计要求,导致涵洞差异沉降,顶部出现裂缝。采用无砂混凝土小桩技术加固,沉降监测结果显示了这种技术的优势。施工实践表明:施工过程要严格控制冲孔的用水量,回填土的时间和速率应根据小桩的强度发展确定,以防止沉降量的增大。     

再生混凝土骨料包裹桩复合地基承载特性及计算理论

为了研究再生混凝土骨料包裹桩复合地基的承载性能,开展了复合地基承载特性的模型试验.试验结果表明：再生混凝土骨料包裹桩复合地基能明显提高被加固土体的承载特性;在进行再生混凝土骨料包裹桩复合地基设计时单桩长径比宜为6~8,桩径宜为800~1200 mm,土工材料包裹长度宜为5~6倍桩径,包裹材料刚度宜为1000~4500 kN/m,在设计桩间距时,最优置换率宜选取在10%~20%之间;桩体底端与顶端应力之比随承压板顶面位移的增大逐渐稳定在15%~20%左右;再生混凝土骨料包裹桩侧土压力由桩顶向下呈先增大后减小的现象,最大应力出现在距桩顶约300 mm（3d）深度处;根据再生混凝土骨料包裹桩复合地基桩、土和土工包裹材料的变形协调原理,及桩体的鼓胀变形特性对再生混凝土骨料包裹桩复合地基承载力计算公式进行了推导,所得结论可为新型复合地基的设计提供依据。     

土工格栅加筋砂土地基性能模型试验研究

正确评价土S-格栅加筋砂土的地基性能,是进行土工格栅与土之间相互作用分析以及为工程设计、计算与分析确定参数的基础．通过模型试验,对静载条件下土工格栅加筋砂土地基性能进行了研究．由模型试验测量结果得知,在砂土地基中铺设塑料土工格栅,可以使承载力提高10％～40％、侧向位移量减少20％～50％、地基轴线处竖向沉降减少30％～50％．通过比较分析认为,对于条形浅基础加筋地基,最佳加筋层数为2～3层,加筋长度应为基础宽度的3倍．     

强夯加固填土的效果与机理分析

针对山区全风化泥岩和粘性土混合回填地基的强夯加固试验工程,采用PLT,DPH和SPT 3种方法,测试了夯击能量与夯后时间对强度和加固深度的影响及加固效果的空间变化,评价了测试方法,分析了加强点夯后不同尺寸基底下的承载力与沉降计算方法,更新了有效加固深度的概念与影响因素.研究结果表明:强夯加固素填土,强度随时间增长;竖向形成上硬下软的2层结构;设计承载力时宜指明具体时间和层位;检测时,应根据土质特征选择可行的方法综合评价;夯体与夯间土形成复合地基;有效加固深度取决于土质、强夯参数、基础埋深和基底宽度等.     

高强土工格室加筋砂地基模型试验变形分析

高强土工格室采用新型U形钉节点, 材料抗拉强度为传统格室的10倍左右. 将土工格室置于地基, 形成土工格室结构层, 针对纯砂地基和不同格室焊距的土工格室加筋砂地基进行多组模型试验. 分析试验所得荷载-沉降曲线, 结果表明土工格室加筋能明显提高地基承载力,减少地基沉降. 在一定范围内, 格室焊距越小, 加筋效果越明显. 将Winkler弹性地基梁计算方法运用于高强土工格室加筋砂地基沉降计算中, 得出弹性地基梁的有限长梁解, 通过试验所得实测数据较为精确地确定了计算所需参数; 对比试验和计算结果, 给出了高强土工格室加筋砂地基结构层变形计算方法, 并且得出高强土工格室这一新型材料的相关计算参数.     

高速公路筑体强夯法加固试验分析

对某高速公路高填方路段路基施工进行了强夯法加固现场试验,介绍了试验区强夯法的施工设计和现场检测与室内试验结果.分析结果表明,用强夯法加固高速公路路基填筑体是可行的,强夯后的填筑体满足山区高速公路地基承载力要求和沉降要求.