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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

考虑二期荷载的高填明洞加筋减载土压力计算

随着城市建设的迅速发展,既有高填明洞填土顶面将不可避免地出现新增结构物等二期荷载的情况。为了明确明洞回填完成后新增二期荷载对其顶部垂直土压力的影响,在已有明洞减载结构土压力计算公式的基础上,利用土体沉降弹性理论计算公式建立了土工格栅变形与土体沉降变形的关系,并考虑二期荷载作用,进一步完善了高填明洞减载前后的洞顶垂直土压力计算公式。建立数值分析模型,将数值分析结果与文中公式计算结果进行了对比。结果表明：公式计算与数值分析结果较为接近,表现出相同的规律性;有无减载措施对明洞回填土压力影响较大,填土越高,减载越显著,实际作用在明洞顶土压力越小。新增二期荷载作用下的明洞顶垂直土压力计算,应考虑其对土体沉降变形的影响,而非简单叠加。     

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     

卸荷式板桩高桩梁板码头结构土压力简化计算

河网地区的淤泥层一般较厚,强度较低,在这些地区新建或扩建码头时需对边坡进行大面积的开挖、换填,工程造价高,采用卸荷式板桩墙高桩梁板码头结构可以很好地解决,但目前关于这种码头结构型式的土压力计算研究非常少。借鉴遮帘板桩码头的土压力计算方法,分析探讨了该新型结构的土压力计算方法。计算中对结构进行分区处理,利用非极限状态土压力理论计算板桩河侧及灌注桩陆侧的土压力,同时考虑土拱效应和卸荷板的卸荷作用,以及平行墙理论,推导计算板桩陆侧及灌注桩河侧的土压力,最后将简化计算结果与离心模型试验结果及有限元数值分析结果进行对比,对比分析表明,该简化计算方法有一定的可行性,可供工程设计参考。     

考虑土拱效应的刚性挡墙主动土压力分析

以墙后填土为无黏性土的刚性挡土墙为研究对象,考虑墙后土体的土拱效应,修改了Shubhra Geol 抛物线形土拱表达式,推导了对应不同内摩擦角和墙-土摩擦角的挡土墙平动模式下的主动土压力系数。基于水平微分单元法,得到考虑土拱效应的主动土压力分布、合力大小和合力作用点高度的理论表达式,并与现有经典理论解及前人理论研究成果和模型试验数据进行对比分析,结果表明,主动土压力与墙-土接触面摩擦角、土体内摩擦角、土体重度和挡墙高度相关,土压力分布为非线性,与其他结果比较吻合,从而验证了该研究成果的正确性。     

考虑土拱效应刚性挡墙土压力研究

基于库仑土压力理论,假定刚性挡墙后主应力拱迹线为抛物线,推导了主、被侧土压力系数和水平微分单元间摩擦系数的理论公式,得到改进的主、被动土压力计算公式。研究表明：考虑土拱效应计算结果与模型试验结果吻合比较好。主动极限状态下,土体内摩擦角越小,墙土接触面上外摩擦角越大,土拱效应越明显,主动土压力合力作用点越上移;被动极限状态下,土体内摩擦角和墙土接触面上外摩擦角越大,土拱效应越明显,被动土压力合力点越往下移。     

模块面板式加筋土挡墙结构行为试验研究

为研究模块面板式土工格栅加筋土挡墙在墙顶局部荷载作用下的受力和变形状态,并了解其作用机制,通过室内模型试验,进行了包括墙面水平变形和墙顶竖向沉降以及墙体内垂直和水平土压力、附加应力扩散角、侧向土压力系数、土工格栅拉伸应变等分布规律的研究和分析。试验结果表明：墙面累积水平位移沿墙高呈上大下小分布;水平和垂直土压力沿筋长方向均呈从拉筋中部向两端逐渐减小的分布趋势;实测附加应力扩散角较非加筋土体大,基本在40°～75°之间;侧向土压力系数沿墙高的分布在不同断面有所不同;筋材应变沿筋长呈单峰值分布,峰值出现位置距墙脚的水平距离从高到低逐渐减小。     

考虑剪应力作用的刚性挡土墙主动土压力分析

以墙后为无黏性填土的竖直刚性挡土墙作为研究对象,假定墙后土体中形成圆弧形土拱,考虑水平土层间的剪应力,修正了水平层分析法,从而得到平动模式下主动土压力分布、合力大小及其作用点位置的表达式。通过与模型试验结果和现有理论成果的对比分析,证明了修正方法的合理性。参数分析表明,水平土层间的平均剪应力受墙土摩擦角、填土内摩擦角等因素的影响,与主动土压力一样沿墙高为非线性分布。同时,考虑水平土层间剪应力作用得到的侧向主动土压力系数、主动土压力合力与不考虑剪应力作用的理论解答相同,但合力作用点位置高于库仑解,且低于不考虑剪应力作用的理论解答。     

基于EPS板减载的不同矢跨比高填黄土明洞土压力及影响因素离散元分析

利用离散元计算软件PFC2D模拟EPS板减载措施下不同矢跨比(0.4~0.9)拱形明洞的土压力变化状况,从微观角度对减载明洞上方垂直土压力、竖向位移、侧面水平土压力及颗粒间接触进行深入分析,明确内部土体的土压力变化规律。同时,对最佳矢跨比下的不同槽宽比和边坡坡角进行参数敏感性分析。结果表明:EPS减载下,明洞顶出现“土拱效应”,明洞顶垂直土压力沿水平方向呈“U”形变化,竖向位移呈“V”形减小,明洞侧面水平土压力沿竖向呈斜“S”形变化;在最佳矢跨比0.8下,颗粒间接触呈现接触力最小、配位数最小、孔隙率最大的良好状态。当槽宽比越大时,平均垂直土压力越大,竖向位移差和平均水平土压力越小,颗粒间接触状况越差;当边坡坡角越大时,平均垂直土压力越小,竖向位移差和平均水平土压力越大,颗粒间接触状况越好。研究成果可为沟谷地区高填减载明洞结构选型和施工提供参考。