柔性地基上高填方减载式涵洞受力特性

高填方涵洞在我国西部山区高速公路中广泛应用,由于高填方荷载较大以及涵洞-填土之间的刚度差异引起的土压力集中,造成涵洞结构出现一系列病害。为了缓解涵顶应力集中,消除涵洞结构病害,改进了涵洞结构形式。即在一般盖板涵结构的侧墙正上方设置减载块,其与涵洞侧墙为一整体结构;减载块与涵洞顶板形成U型减载孔,在孔内铺设柔性填料,由此构成减载式涵洞结构。利用模型试验和数值模拟方法分析了柔性地基条件下减载式涵洞的受力特性,结果表明数值模拟结果与模型试验结果一致。此外,讨论了刚性和柔性两种地基条件对减载式涵洞受力的影响规律。研究发现:涵洞在柔性地基条件下减载效果比刚性地基条件更好,涵洞结构受力更合理。实际工程中应该重视对柔性地基的处理,优先考虑满足工后沉降,不应刻意提高地基刚度。     

高填方减载式刚性涵洞受力特性模型试验研究

为了研究高填方减载式刚性涵洞结构的减载效果,利用模型试验分别对减载式刚性涵洞、采用一般减载方法的涵洞和未减载涵洞的涵顶垂直土压力和侧墙水平土压力进行对比分析。在此基础之上,建立了减载式刚性涵洞涵顶垂直土压力理论模型,推得了减载式刚性涵洞涵顶垂直土压力计算式,并将模型试验结果与理论分析结果进行了对比分析。研究结果表明,减载式刚性涵洞不仅能够有效缓解涵顶应力集中,而且与一般减载涵洞相比还能有效减小涵洞侧墙水平土压力;对于减载式涵洞涵顶垂直土压力,理论计算结果与模型试验结果一致且两者相差较小,从而验证了理论模型的适用性和正确性。     

高填方减载式刚性涵洞受力特性模型试验研究

为了研究高填方减载式刚性涵洞结构的减载效果，利用模型试验分别对减载式刚性涵洞、采用一般减载方法的涵洞和未减载涵洞的涵顶垂直土压力和侧墙水平土压力进行对比分析。在此基础之上，建立了减载式刚性涵洞涵顶垂直土压力理论模型，推得了减载式刚性涵洞涵顶垂直土压力计算式，并将模型试验结果与理论分析结果进行了对比分析。研究结果表明，减载式刚性涵洞不仅能够有效缓解涵顶应力集中，而且与一般减载涵洞相比还能有效减小涵洞侧墙水平土压力；对于减载式涵洞涵顶垂直土压力，理论计算结果与模型试验结果一致且两者相差较小，从而验证了理论模型的适用性和正确性。     

减载条件下高填方涵洞受力机制及基底压力

针对现有的理论方法主要关注涵顶土压力而未能考虑涵洞侧墙摩擦阻力对高填方涵洞结构受力状态的影响,提出了完整的减载条件下涵?土作用机制模型,推得涵洞侧墙摩擦力及基底压力的计算式。并将该理论方法的计算结果与数值模拟结果进行了比对,验证了该理论方法的正确性。研究结果表明,侧墙摩擦力沿墙身深度近似呈线性增加,并随填土高度的增加而增大;相同填土高度时,减载条件下的侧墙摩擦力大于非减载条件下侧墙摩擦力;采用减载措施虽然降低了涵顶垂直土压力,但是增大了涵测水平土压力,基底压力并未减小,现有的减载理论方法中不考虑侧墙摩擦力的影响是不合理的。     

上埋式盖板涵受力特性及影响因素研究

现行公路桥涵设计通用规范中的土压力计算方法不能准确反映上埋式盖板涵的实际受力状态。结合现场测试和有限元数值模拟方法,分析了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,讨论了填土高度、填土性质、涵洞几何尺寸及地基弹性模量等因素对结构变形和受力状态的影响。研究结果表明：在填土荷载作用下,涵洞顶板、底板和侧墙均产生弯曲卸载现象,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,其实际受力状态与规范方法计算的结果存在较大差异。随着填土高度的增加,涵洞顶板和底板跨中及侧墙7h/8附近（h为涵洞侧墙高度）受到的土压力增长较慢,而在其他位置处土压力增长迅速。上埋式盖板涵设计和施工应综合考虑各种因素对结构受力状态的影响。     

高填方涵洞减载机制与数值分析

高填方引起的涵顶土压力集中往往造成涵顶纵向开裂,通过涵洞-填土-地基共同工作机制的研究,分析了涵洞减载的原理。通过数值模拟分析了中松侧实、柔性填料、先填后挖法以及地基处理措施对涵顶的土压力集中系数的影响。结果表明：上述方法和措施可以有效减小涵顶土压力,先填后挖法宜采用竖直边坡,开挖沟槽的宽度宜与涵洞宽度相当;涵洞地基应采用柔性处理措施,并延伸至基底以外一定的范围。研究结果可为高填方涵洞减载措施的选取以及涵洞地基设计提供参考。     

上埋式钢筋混凝土拱涵受力特性及地基处理研究

涵洞属于填埋式构造物,其受力状态不同于普通建筑物。对涵-土体系作用机制认识不足和涵洞地基处理不当可能导致涵洞出现各种各样的病害,甚至影响道路运营。通过现场测试和数值模拟分析了上埋式钢筋混凝土拱涵结构与土体的作用机制,得出了涵-土体系的受力状态和变形特性。在此基础上对涵洞地基处理进行了研究,分析了地基处理的宽度、深度以及处理后的地基刚度对涵洞受力状态和变形特性的影响。研究结果表明,涵顶存在明显的应力集中现象,该效应的影响范围为涵洞两侧约3b（b为涵洞宽度）;涵顶土压力系数随填土高度的增大而增大,并逐渐趋于稳定;涵顶土压力、基底压力和涵洞结构内力随地基处理宽度的增大而减小,并逐渐趋于稳定,随地基处理深度和地基弹性模量的增加呈非线性增大。实际工程中,涵洞地基处理宽度宜取b+2h（h为涵洞高度）左右,地基处理的深度和处理后的刚度应以允许沉降或差异沉降为控制指标,不应额外增加地基处理深度和提高地基刚度     

高路堤下涵洞地基处理现场测试与数值模拟研究

山区高速公路高填方涵洞工程应用广泛,由于地基处理不当造成的涵洞病害屡见不鲜。结合现场实测成果和有限元数值模拟结果,分析了涵洞结构物的受力状态及地基受力、变形特性,讨论了地基刚度、不均匀沉降对涵洞受力的影响和埋深效应对地基承载力的影响。研究结果表明：涵洞基底与相同标高下涵洞外侧路基基底土压力相差不大,地基设计时可按二者相等考虑;地基刚度越大,涵洞顶部土压力越大,对涵洞结构物强度要求就越高,地基处理中应尽量避免使用刚性桩复合地基。根据研究结果,提出了高路堤下涵洞地基的设计方法。     

可发性聚苯乙烯板减载条件下高填方箱涵长期受力特征与减载效果

在高填方箱涵顶部铺设可发性聚苯乙烯(expandable polystyrene,简称EPS)板降低其荷载已经在工程中得以应用,而EPS板的蠕变会使箱涵受到的土压力随时间发生变化。现有的箱涵设计理论未能明确的反应EPS板的长期减载效果以及箱涵长期受力特性。开展了EPS板减载条件下箱涵短期受力特性模型试验,并利用模型试验结果验证数值模型。之后利用验证后的数值模拟方法分析涵-土体系应力重分布规律以及高填方箱涵长期受力特征;在此基础上提出涵-土体系力学模型,推得涵顶长期土压力计算方法,并与数值模拟结果进行对比验证。研究表明：涵顶土压力先随时间逐渐减小,然后会出现小幅增大,最终趋于稳定,对比填土完成时土压力减小了52.12%;涵侧竖向土压力和水平土压力总体上均随着时间逐渐增大并趋于稳定,涵侧上部范围内最终水平土压力比填土完毕时增长了28.32%;基底土压力也是先增大后趋于稳定。实际工程中侧墙的设计应考虑EPS板蠕变引起水平土压力的增加,避免箱涵侧墙在长期使用中产生受弯破坏。     

沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力影响研究

沟谷地形下高填方涵洞土压力分布规律较为复杂,不同沟谷地形下涵周土压力分布规律与上埋式涵洞差异显著。为探明沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力的影响,采用离心模型试验与数值模拟方法,建立了地形-涵洞-填土的相互作用模型,分析了不同沟谷宽度B、沟谷坡度α下的拱涵涵周土压力及涵顶土压集中系数Ks的分布规律,并与最新涵洞设计规范进行了对比,阐述了沟谷地形下高填方拱涵土压力形成机制。研究表明：（1）沟谷宽度B对涵顶土压力集中系数Ks影响显著,沟谷宽度B为4D～6D,D为拱涵的净跨径,涵顶土压力集中系数Ks增幅较大;（2）沟谷宽度B小于4D时,可发挥沟谷地形对涵洞的减载作用;（3）沟谷坡度α在45°～60°时,涵顶土压力及其Ks变化最显著;（4）填土高度为20m,α>70°时,Ks≤1。填土高度为40m,α>50°时,Ks≤1;(5)我国最新涵洞设计规范推荐的Ks与离心模型试验、数值模拟规律存在一定差异,当α=45°时,沟谷宽度B较小时,规范的涵顶土压力集中系数Ks较为保守;（6）沟谷地形下高填方拱涵Ks与拱顶压密区、等压面的形成有关。拱顶压密区可引起拱涵涵顶土压力集中,并引起压密区周边土体...     

南昆铁路钢管格栅膨胀土挡墙边坡加固机理模型试验研究

膨胀土边坡加固一直是铁路(公路)建设中的难题，常规刚性结构严格约束膨胀土变形，易使结构受力过大而破坏，柔性结构易使坡体变形过大而失稳，往往难以达到预期效果。本文提出钢管格栅膨胀土挡墙，合理协调结构的受力和变形，达到加固膨胀土边坡的目的:膨胀土做挡墙本体填料、土工格栅增强墙体整体性、纵向贯穿钢管提高墙体刚度。采用大比例尺相似模型试验，在模拟降雨条件下，对比该新型结构与常规结构的加固效果，通过监测挡墙水平位移、墙背土压力、钢管变形，研究钢管格栅膨胀土挡墙加固边坡机理。结果表明:钢管格栅挡墙与常规格栅挡墙相比，变形显著降低且更趋协调，承载能力明显提高，纵向贯穿墙体且深入地基的钢管有效改善了墙体的受力。研究成果可为膨胀土边坡加固结构选型及其构造设计提供理论参考。     

钢筋混凝土箱涵竖向土压力理论研究 ——梯形沟谷设涵

梯形沟谷设涵在山区公路和铁路建设中的应用非常广泛。然而,目前规范中尚无梯形沟谷设涵的设计方法。现有的研究主要针对上埋式和沟埋式涵洞,对天然梯形沟谷埋设涵洞时的涵洞受力性状的研究甚少。通过数值模拟得出梯形沟谷设涵时,钢筋混凝土箱型涵洞顶部填土内的应力状态和土拱的分布规律。在此基础上建立理论模型,推导涵洞土压力理论计算式,并验证理论方法的正确性。此外,对涵顶土压力的影响因素进行了参数研究。结果表明,梯形沟谷设涵时涵洞的受力状态不同于上埋式和沟埋式两种情况。当涵顶填土高度到达临界高度时,填土中会形成上、下两层土拱。下层土拱效应使涵顶产生土压力集中,上层土拱效应会减小涵顶的土压力集中。涵顶土压力的大小取决于涵顶的填土高度、沟谷坡角、沟谷宽度、涵洞的几何尺寸及填土的性质。     

考虑侧填荷载的分离式基础涵洞地基承载力新算法和试验

为了研究涵侧填土对采用分离式基础涵洞地基承载力的提高效应,先结合基底土体的受力特点,进行受力分析,建立计算模型,构建求解分离式基础地基极限承载力的算法,给出承载力表达式。然后在相似理论的指导下,设计了5组模型,试验模拟粉质黏土地基受荷变形直到破坏的全过程,绘出荷载-沉降曲线,测得涵侧填土高度为0、4、8、12、16 m时的地基极限承载力。试验发现:随着侧填土高度的增加,承载力显著提高,当填土为12 m时已达到885 kPa;但提高幅度表现出非线性特性,先从18.42%增加到36.11%,然后减小到3.39%;当填土达到16 m时承载力达到915 kPa且不再增加;同时发现使用本文算法与试验实测值的误差小于10%,可以考虑用此算法计算分离式基础涵洞的地基极限承载力。继而得出结论:当涵洞地基沉降满足设计要求时,涵侧填土显著提高了地基承载力,节约工程造价,且提高的幅度先增加后减少,当达到16 m时地基承载力便逐渐趋于915 kPa。     

基础刚度对刚性桩复合地基性状的影响分析

为了分析基础刚度对刚性桩复合地基性状的影响,采用数值方法,考虑基础弹性模量、基础厚度和宽度等因素,研究了基础刚度对复合地基桩土应力比、桩侧摩阻力以及桩端刺入量等性状的影响,提出了基础相对刚度系数Ke,并根据不同基础刚度下桩土应力比的变化趋势,将基础分为柔性、半柔性和刚性基础3类。通过工程实例分析,说明所提出的方法具有较好的适用性。     

地下室侧墙对筏板基础内力影响的研究

基于弹性薄板理论,用半解析方法分析了考虑地下室侧墙平面外的弯曲以及纵向平面内整体弯曲情况下筏板基础、上部结构与地基的共同作用,与不考虑侧墙影响的计算结果以及实测结果比较表明,考虑地下室侧墙平面外的弯曲以及纵向平面内整体弯曲的结果与实际较接近。在此基础上,分析了侧墙刚度对底板受力的影响,以及底板尺寸变化时侧板刚度对底板受力的影响。     

高填方涵洞加筋减载的现场试验研究

在涵洞-填土相互作用机制基础上,分析了加筋桥减载法的减载机制。通过对高填方涵洞采用加筋桥减载措施的现场试验,研究了涵顶及格栅上、下垂直土压力的变化规律,分析了涵顶平面及格栅上、下土压力的分布和土压力系数随填土高度的变化规律。研究结果表明,加筋桥减载法通过涵顶内外土柱之间的摩擦和格栅的提兜效应将涵顶上方填土荷载向减载孔两侧填土上转移,可有效减小涵顶土压力,其减载效果与减载孔高度密切相关,减载孔高度越高,减载效果越显著。     

刚/柔性组合墙面加筋土挡墙内部破坏机制

基于离心模型试验成果,建立软土地基刚/柔性组合墙面加筋土挡墙离散-连续耦合数值模型,采用离散单元颗粒流程序PFC和有限差分程序FLAC分别模拟加筋土挡墙和软土地基,分析挡墙的变形、筋材拉力分布及内部破坏演化过程,并与刚性地基上挡墙情况进行比较,以探讨刚/柔性组合墙面加筋土挡墙的内部破坏机制。研究结果表明,数值模型计算结果与离心模型试验结果吻合,其内部潜在破坏面经过连接件锚固端位置,各层筋材拉力均在连接件锚固端位置最大;软土地基上挡墙和刚性地基上挡墙的内部破坏面均一致,且筋材均由下而上依次断裂;软土地基上挡墙内部破坏面与地基圆弧滑移面贯通,为复合滑动模式,而刚性地基上挡墙整体破坏模式为折线型,连接件埋深范围内加筋体沿其底部连接件水平滑出。     

柔性和刚性浅基础的地基承载能力分析

为了研究刚性和柔性加载面下地基的破坏机制和极限承载力,着重对比分析了不考虑土体自重条件下柔性基础、基底完全光滑或完全粗糙的刚性基础的地基,采用关联流动的Mohr-Coulomb内切圆屈服准则,通过增量加载的有限元方法,全程模拟了地基由初始的线弹性状态逐渐过渡到塑性流动的极限破坏状态的过程。通过对这3种基础类型下地基的计算结果的对比分析,并结合国内外模型试验成果,得到如下结论：柔性和刚性浅基础地基在不考虑土体自重的条件下有相近的地基极限承载力,但基底水平面上竖向应力和位移的发展规律、临塑荷载及滑动面有着明显的区别。     

青海东部黄土区公路涵洞病害特征及成因分析

为探究黄土地区高速公路涵洞的病害特征及其成因,对青海东部黄土地区4条高速公路的涵洞病害进行了现场调查和室内分析。研究结果表明,黄土地区高速公路涵洞病害类型主要有涵洞下沉、基础开裂、护锥翼墙沉降开裂或倾斜错位、涵节错位或填缝脱落、内部积水淤塞、进出口积水淤塞、涵背填土塌陷、涵顶路面开裂等8类。根据各类型病害的发育程度,首次将病害分为一般、严重和很严重3个等级,有助于客观、准确、快捷的评价涵洞病害实际发育程度。黄土地区涵洞病害的主要成因有涵洞地基处理措施不当、涵洞周边微地貌改造不合理、对路涵过渡段填土处理不当、对已有严重和很严重涵洞病害修补不及时等。对涵洞病害防治应从"地基处理为主、防排水为辅"逐步向"防排水为主、地基处理为辅"的理念改变。