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。     

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     

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。     

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。     

矩形沟埋涵洞顶部垂直土压力试验和理论研究

针对无黏性填土,通过模型试验和理论分析的方法研究矩形沟埋刚性涵洞顶部的垂直土压力。考虑胸腔土体的作用,建立了沟埋涵洞土压力的计算模型和计算公式,结果表明,计算值与试验值相吻合。沟槽宽度等于涵洞外径时,洞顶土压力系数随填土高度的增大呈单调减小的变化规律;沟槽宽度大于涵洞外径时,洞顶土压力系数随填土高度的增大呈先增后减的变化规律;洞顶填土厚度等于初始等沉面高度时,土压力系数最大。槽洞宽比加大时,土压力系数、等沉面高度按双曲线规律增大,7倍洞径的沟槽宽度近似为沟埋式涵洞和上埋式涵洞的临界槽宽。填土内摩角增大时,土压力系数增大。洞顶填土厚度增大,等沉面高度减小。     

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。     

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。     

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。     

高速铁路小变形下陡坡地基路肩桩板墙力学响应

掌握高速铁路陡坡地基条件下路肩桩板墙力学特性是路堤侧向变形控制的关键。以贵广高速铁路某陡坡地基路肩桩板墙为试验工点,对墙背土压力、桩身内力与变形进行了900余天现场长期观测,讨论了墙后路堤分层填筑引起的墙土侧向变形形态差异及机械碾压残余应力对土压力分布的影响。结果表明：适应高速铁路小变形要求的强约束、深锚固路肩桩板墙能有效控制陡坡地基路堤侧向变形,桩体仅呈0.94‰的近似刚性转动,填筑完成后变形约占30%,且1.0～1.5 a趋于稳定;经碾压密实的墙后粗粒土填料,即使在小变形下依然能达到主动土压力状态;分层填筑引起墙后填土侧向变形呈现的“上小下大”分布形态与墙体位移相反,是墙背土压力呈现出中部大、两端小抛物线分布模式的重要因素;基于适筋梁受力状态及平截面假定,分别结合实测钢筋应力与混凝土应变换算得到的桩身弯矩具有良好的一致性,与极限地基反力法的理论计算吻合。     

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。     

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...     

软基深埋涵洞土压力和沉降的三维有限元分析

通过软基坝下深埋涵洞的三维有限元计算,对涵洞的土压力及沉降问题进行了分析研究。研究结果表明： （1）在洞顶采用减荷措施时,洞顶竖向土压力明显减小,减荷效果比较显著;而对洞体的最大不均匀沉降率基本没有影响,涵洞周边土压力的分布特征与无减荷时也是相同的。（2）洞基处理深度变化对洞体附近的应力有影响,且随处理深度的增大,洞顶竖向土压力和洞侧面水平土压力分别有缓慢增大和缓慢减少的趋势。（3）洞底沉降随处理深度的增大而有微弱的减小,但不均匀沉降均小于0.5 %,且从总体上看,其量值对工程的影响并无本质的差异,对洞基不进行处理时,洞基的不均匀沉降少许的增大不会对涵洞造成危害。     

多年冻土区路基路面变形及应力的数值分析

针对青藏公路路基下发育多年冻土融化盘的实际情况,选择两种模型,应用ABAQUS有限元分析软件,对冻土路基从修筑到开放交通过程中的路基路面位移及应力进行了分析.结果表明:冻土路基以融沉为主的变形,一般情况下以路中心下最大,变形呈凹形;当路基下融化盘偏移时,最大变形位置随之偏移;路面层底拉应力最大,对融沉变形反映敏感;路面顶部压应力最大值出现在轴载作用位置,面层应力对轴载反映敏感.计算模型断面尺寸、路基填料、路面结构等对青藏公路具有代表性,在3.6 m路基总高度条件下,无论路基下融化盘偏移与否,融化盘厚达0.5 m时路基顶部(路面层底)拉应力即达基层抗拉强度,显示路基融沉变形可能导致路基失稳及路面破坏,此时路基高度即达最大值.     

土-膨润土隔离墙应力状态与固结行为的现场试验研究

土-膨润土竖向隔离墙被广泛应用于污染场地治理,其服役性能受应力状态和固结变形影响较大。通过建造两段不同尺寸的土-膨润土隔离墙试验段,并利用土压力盒、孔压计、测斜管等分别对墙体现场应力状态和变形进行了为期15个月的监测,获得了土-膨润土隔离墙固结行为的基本特征。监测结果表明：墙体主固结阶段需要数月;墙体固结变形以侧向变形为主;大部分深度内总应力在前1个月显著减小,并在随后基本保持稳定,有效应力随超孔压消散而不断增加;水平应变与最大水平有效应力均与墙深呈显著正相关;然而在主固结期间,墙体底部总应力和孔压均一直减小直至等于静水压力,有效应力始终很小。根据实测墙体变形及应力分布的特点,指出在相邻土体中可能形成滑动楔形体,对填料产生整体挤压,从而对隔离墙的现场固结行为特征作出了合理解释。最后,针对土-膨润土隔离墙的设计施工提出了相关建议。