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。     

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     

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。     

高填方输煤暗道周边土压力试验研究

高填方暗道在西部沟壑地区得到越来越广泛的应用,但有关高填方暗道周边土压力分布的计算尚不十分清楚,需要进一步研究。通过对山西平朔东露天煤矿输煤暗道周边土压力现场测试资料分析,得出了高填方输煤暗道周边土压力分布和变化规律,对暗道周边的应力状态有了更为清晰地了解。试验结果表明,高填方暗道结构顶部存在竖向土压力集中现象,高填方暗道侧部竖向土压力分布呈现如下规律：当填土高度较低时,土压力随填土高度增加较快;当填土高度较大时变化缓慢。高填方暗道竖向土压力计算时,当填土高度较低时,宜采用土柱法;填土高度较大时宜选用顾安全公式法。与暗道结构相比,公路桥涵与地下埋管尺寸和刚度较大,建议计算侧向土压力系数采用静止土压力系数。     

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。     

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。     

涵洞顶填土压力的计算分析

简要介绍了圆管涵破裂的原因，论述了根据公路规范、铁路规范计算涵洞顶场土压力的方法及其缺陷，提出了种新的涵洞顶场土压力计算方法。计算结果表明，该方法克服了上述两种规范中计算方法的不足。     

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。     

Seismic lateral earth pressure coefficients for c–φ soils by slip line method

In this paper, the author proposes a rotation of axes in the solution of slip line equations for determination of lateral earth pressure with the presence of seismic loading under general conditions. A general c–φ soil system under a general condition can be considered so that K_pγ, K_pc, K_pq, K_aγ, K_ac and K_aq can all be determined. For passive pressure, K_pc is found to be much greater than K_pγ and the effect of seismic coefficient on passive pressure is relatively small as compared with the corresponding situation for active pressure. The use of iterative analysis is found to be useful for passive pressure determination but unimportant for active pressure determination.     

Fractal models for the fragmentation of rocks and soils: a review

Fragmentation, the process of breaking apart into fragments, is caused by the propagation of multiple fractures at different length scales. Such fractures can be induced by dynamic crack growth during compressive/tensile loading or by stress waves during impact loading. Fragmentation of rocks occurs in resoonse to tectonic activity, percussive drilling, grinding and blasting. Soil fragmentation is the result of tillage and planting operations. Fractal theory, which deals with the scaling of hierarchical and irregur systems, offers new opportunities for modeling the fragmentation process. This paper reviews the literature on fractal models for the fragmentation of heterogeneous brittle earth materials. Fractal models are available for the fragmentation of: (1) classical aggregate; (2) aggregates with fractal pore space; and (3) aggregates with fractal surfaces. In each case, the aggregates are composed of building blocks of finite size. Structural failure is hierarchical in nature and takes place by multiple fracturing of the aggregated building blocks. The resulting number-size distribution of fragments depends on the probability of failure, P(1/bⁱ) at each level in the hierarchy. Models for both scale-invariant and scale-dependent are reviewed. In the case of scale-invariant P(1/bⁱ)< 1, theory predict: D_f = 3 + log [P(1/bⁱ)]/log[b] for classical aggregates; D_f=D_m+log[P(1/bⁱ)]/log[b] for aggregates with fractal pore space; and D_f=D_s for aggregates with fractal surfaces. where b is a scaling factor and D_f, D_m and D_s are the fragmentation, mass and surface fractal dimensions, respectively. The physical significance of these parameters is discussed, methods of estimating them are reviewed, and topics needing further research are identified.     

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。     

Static soil culvert interaction the effect of box culvert geometric configurations and soil properties

The response of box culverts to static loads is controlled by soil arching. Soil arching is a result of a complex soil culvert interaction (SCI) due to the relative stiffness between the culvert and the surrounding soil, and is a critical consideration in culvert design. The factors that affect soil arching on box culverts include the soil height above the culvert, the geometrical configuration of the box culvert and the properties of the soil around it. Box culverts are typically designed using formulae that assume simplified behaviors and in some cases rely on considerable empiricism. In the present study, small scale centrifuge physical model tests were conducted to investigate SCI considering the height and density of soil above the culvert and the geometry of the culvert. The results of these centrifuge tests were used to calibrate and verify a numerical model that was used to further investigate the response of box culverts to static loads. The results have been evaluated for bending moment and soil culvert interaction factors. The results demonstrated that the soil culvert interaction factors are not only a function of the height of soil column above the culvert, but also a function of the culvert thickness, soil elastic modulus and Poisson’s ratio. Therefore, the results were used to establish charts and equations that can be employed to assess the design values of the static soil pressure and static bending moment for box culverts.