高路堤涵洞空間豎向壓力理論及結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化研究.pdf

1、隨著山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)的增多，為了保證公路的服務(wù)質(zhì)量，填土高度在20m以上的高路堤及與之相應(yīng)的高路堤涵洞必然增多，但這些高填方涵洞由于缺乏合理的土壓力計(jì)算理論和方法，使部分涵洞在施工或運(yùn)營(yíng)過(guò)程出現(xiàn)了不同程度的破壞病害，增加了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用；有的高路堤涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則過(guò)分保守導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。 本文在分析了現(xiàn)行用于高路堤涵洞土壓力計(jì)算的理論和方法，發(fā)現(xiàn)都是從平面的角度，進(jìn)行路堤頂面對(duì)應(yīng)的涵洞頂面豎向土壓力的探討，比較片面。作者試著從空間

2、角度對(duì)高路堤涵洞系統(tǒng)的受力進(jìn)行探討，找到豎向土壓力的計(jì)算理論和方法，以與涵洞的實(shí)際受力情況相符。 本文主要內(nèi)容共分六部分： (1)首先對(duì)現(xiàn)有的涵頂土壓力理論和方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)都是從涵洞橫向二維的角度，對(duì)路線中線相應(yīng)的涵洞頂面豎向土壓力的探討，與路堤涵洞的實(shí)際受力情況不相符，比較片面，從而找到了研究的側(cè)重點(diǎn)和主要內(nèi)容，即研究路堤涵洞的三維空間受力情況。 (2)在涵洞周圍不同填土方案的情況下，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，找到涵洞

3、周圍沿縱向不同位置上隨填土高度的變化趨勢(shì)。 (3)在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立有限元模型，通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以檢驗(yàn)有限元模型的正確性，并在此基礎(chǔ)上建立實(shí)體有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，以得到在考慮集中應(yīng)力效應(yīng)和土拱效應(yīng)的情況下，涵洞土壓力隨填土高度的變化趨勢(shì)。 (4)在考慮集中應(yīng)力效應(yīng)和土拱效應(yīng)的情況下，推導(dǎo)出涵頂空間豎向壓力的計(jì)算理論，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。 (5)從地基承載力出發(fā)，通

4、過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論計(jì)算得到高路堤涵洞地基承載力提高的途徑和方法。 (6)通過(guò)對(duì)涵洞、地基和填土作為一個(gè)相互作用的共同體系進(jìn)行分析，得到一個(gè)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)型式。 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)高路堤涵洞的土壓力計(jì)算理論進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，得出了以下結(jié)論： (1)高路堤涵頂空間豎向土壓力計(jì)算理論。 ①路線中線相應(yīng)的涵洞頂面豎向土壓力：在開(kāi)始填筑時(shí)，涵頂土壓力隨填土高度成線性增加，與土柱理

5、論土壓力(γ)計(jì)算值相近；隨填土的高度的增加，涵頂?shù)耐翂毫χ饾u大于土柱理論土壓力(γH)，充分體現(xiàn)了應(yīng)力集中效應(yīng)，此時(shí)土拱效應(yīng)正在形成；當(dāng)填土達(dá)到一定高度后，土拱效應(yīng)逐漸超過(guò)應(yīng)力集中效應(yīng)，使涵頂?shù)耐翂毫χ饾u小于土柱理論土壓力(γH)。 ②路堤邊坡對(duì)應(yīng)的涵頂空間豎直土壓力大于其上的土柱壓力。 ③路堤邊緣對(duì)應(yīng)的涵頂空間豎直土壓力小于其上的土柱壓力。 高路堤涵頂空間豎向土壓力計(jì)算理論為涵洞結(jié)構(gòu)沿縱向的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

6、 (2)高路堤涵洞周圍的填筑方法。 ①涵洞兩側(cè)至少2.5倍范圍內(nèi)的路堤原地面填一層砂礫(或碎石土等)，然后進(jìn)行沖擊夯實(shí)，也可包括涵洞范圍的原地面，使其壓實(shí)度達(dá)到96％； ②涵洞兩側(cè)填土應(yīng)使用變形模量小的材料(比如砂礫)，并且施工過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行分層夯實(shí)，達(dá)到或超過(guò)路基施工要求的壓實(shí)度，填到涵項(xiàng)面，以使涵洞上方填土形成具有一定“支承力”的卸荷拱，產(chǎn)生土拱效應(yīng)。 ③涵項(xiàng)的填土材料及壓實(shí)度：在路堤頂面寬度對(duì)應(yīng)的涵頂

7、范圍填不大于2m變形模量大的材料(比如砂或砂礫)，其上層再按要求進(jìn)行分層壓實(shí)，促使涵洞上方填土形成具有一定“支承力”的卸荷拱，產(chǎn)生土拱效應(yīng)。 (3)高路堤涵洞的地基承載力相對(duì)提高的途徑和方法。 ①采用規(guī)范計(jì)算涵洞地基承載力時(shí)，基礎(chǔ)埋深按涵洞頂面到基礎(chǔ)地面的高度計(jì)算。 ②采用上述高路堤涵洞周圍的填筑方法。 (4)高路堤涵洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化的型式。 ①涵洞、地基和填土作為一個(gè)相互作用的共同體系，在涵洞結(jié)構(gòu)分析