公路高填方涵洞土压力变化规律及计算方法研究.doc

公路高填方涵洞土压力变化规律及计算方法研究 ?摘要：通过模型试验研究了狭窄沟谷沟心设涵、宽坦地形沟谷沟心设涵和岸坡脚设涵三种边界条件下高填方涵洞涵顶土压力随填土高度变化的规律，以及高填方涵洞的拱效应。试验结果表明，涵顶填土达到一定高度以后，在涵顶上方将产生拱效应，使涵洞顶上的土压力小于理论土压力。但由于高填方涵洞上方路基填料的特点，这种拱效应具有不稳定性，使涵顶土压力随填土高度成非线性变化增加。根据高填方涵洞的土压力变化规律及拱效应特点，提出了计算高填方涵洞非线性土压力计算理论和方法，得出三种边界条件下的非线性土压力计算公式，并通过算例证明了应用该公式计算高填方涵洞土压力的合理性。成果对高填方涵洞土压力计算、结构设计有应用参考价值。 关键词：公路；高填方；涵洞；拱效应；土压力 前 言 为满足山区高等级公路的线形要求，高填深挖路基也越来越多，为利用路堑开挖的废方和避免水土流失产生山地环境破坏，设计者不得不把本应修桥的路段改为路堤，在桥改高路堤采用涵洞排水的同时，这些高填方路段的涵洞设计问题也日渐突出：1)过去公路等级较低，高填方路基和高填方涵洞很少，最高填土亦都在15m以下，在公路桥涵设计通用规范中用 土柱法(⊙=RH)计算涵洞设计荷载，但随着填土高度的增加，国内外也没有合适的高填方涵洞土压力计算理论和方法，用土柱法进行高填方涵洞的土压力计算，未考虑拱效应对土压力的影响，使高填方涵洞结构尺寸过分保守而不经济；2)有的设计凭经验或采用隧道的卸荷拱理论进行高填方涵洞土压力计算，使部分高填方涵洞在施工期间或竣工后即出现了不同程度的开裂破坏病害，影响工程质量。 基于山区高等级公路高填方涵洞较多，而目前尚缺乏其合理的土压力计算方法，由此导致高填方涵洞在工程造价与结构安全可靠等方面存在问题，本文研究了狭窄沟谷沟心设涵、宽坦沟谷沟心设涵和狭窄沟谷岸坡脚设涵三种边界条件下涵顶、涵台外土压力随填土高度变化的规律及拱效应特点，提出了高填方涵洞的非线性土压力计算方法，为高填方涵洞的土压力计算和结构设计提供实验和理论依据。 （1） 模拟相似分析与模型结构 根据模型实验原理，最理想的模型设计是模型与原型完全相似，但在实验中一般都很难做到，一般情况下，可采用局部或部分相似进行模拟分析与模型设计。根据高填方涵洞的结构与受力特点，为找出高填方涵洞涵顶土压力随填土高度变化规律以及高填方涵洞的拱效应特点，不同填土高度条件下的土压力变化和岸坡边界条件是实验与模型设计重点。 (2)边界条件的模拟 为了模拟岸坡地形条件对高填方涵洞土压力和成拱效应的影响，试验模拟了狭窄沟谷沟心设涵、宽坦沟谷沟心设涵和狭窄沟谷岸坡脚设涵三种地形边界条件，用岸坡比1：0．35模拟狭窄沟谷地形，岸坡比1：0模拟宽坦沟谷地形(土压力不受岸坡影响)，岸坡采用稳定而表面粗糙的木板制成，模拟路堤填土与岸坡界面间的相互作用对土压力的影响，三种边界条件的模型结构如图1所示。 (3)模型几何相似比 根据模拟相似分析与加载条件，确定模型的几何模拟比尺Cl：1：20，模型高度100cm，厚40cm，最大模拟原型填土高度50m，当模拟高度大于20m以上时，增加的模型填土高度重量用加载代替，由于涵洞模型尺寸相对于整个填土高度100cm较小，同时控制加载速度，用加载代替上部(100cm以上)模型填土不会对土压力传递和涵洞周边应力与位移分布产生明 显影响。 (4)模型填料 根据模拟相似分析，模型的填料采用粒径3mm的风化页岩土，湿容重14kN／m3，含水量11％左右。 (5)涵洞结构模拟 涵洞模型用有机玻璃制成，长度为4Ocm，采用盖板涵形式，模拟跨径为2．4m的涵洞原型，结构如图2所示。由于本次研究主要模拟填埋式洞室土压力随填土高度变化，因此对涵洞材料不作模拟相似分析。 (6)填筑过程的模拟 根据高填方涵洞的施工填土过程，分层填土与连续测试同步进行，观测填土加载过程中涵洞土压力随填土高度的变化。 2 实验装置、模型施工与测试 (1)实验装置 模型在一个长1．8m、高1．2m、厚0．4m的自制模型箱里制作成型，模型箱的三面用槽钢加固而不变形的刚性板构成，有一面为厚2cm可以拆卸的有机玻璃板，有机玻璃板外面加可以拆卸的槽钢钢架，以免有机玻璃板变形，通过有机玻璃及拆卸可以在模型中设位移观测标点，测量和观测不同填土高度时整个模型(特别是涵洞周围)的位移变化情况。 1 / 1 1 / 1