加筋路堤下涵洞垂直土压力变化规律研究

加筋路堤下涵洞垂直土压力变化规律研究铁道第三勘察设计院集团有限公司邹维摘要：现行公路桥涵设计通用规范中线性土压力未能准确反映涵项垂直土压力的变化规律，致使涵顶土压力计算结果与实际情况有所出入。木文结合现场试验、理论分析和数值模拟分析来研究山IX公路高填方涵洞在加筋和未加筋状态下非线性土压力的分布及变化规律，讨论了填土高度、垂直土压力系数等因素对涵顶垂直土压力的影响。关键词：涵洞；垂直土压力；加筋路堤；数值模拟中图分类号：U449.8文献标识码：A涵洞土压力的大小，影响着涵洞结构的设计、施工和运营等各个环节。我国基木上延用国外的一些理论公式，种类相当繁多，计算结果和实际测试结果相比出入较大。总结涵洞研究工作，无论是室内试验还是理论推导、公式计算或者有限元仿真，并没有相应全面的现场测试试验予以验证，尤其在关于加筋对涵顶垂直土压力的分布和变化规律方面的内容更少。木文结合厦门至成都高速公路湖南段盖板涵实体工程，对涵项垂直土压力进行了以下几方面的研究：(1)分析了影响涵顶垂直土压力变化的主要因素，并列出了这些主要影响因素对涵顶垂直土压力的数值模拟计算结果。(2)通过与理论值进行比较来探究理论值是否能合理反映涵顶实际垂直土压力情况，以及通过与数值模拟值进行比较来评价模拟效果。(3)分析了土体加筋对涵顶垂直土压力的影响效果。填土高度、垂直土压力系数等因素对涵顶垂直土压力的影响基于厦门至成都高速公路湖南段盖板涵实体工程的试验数据，为了使加筋和未加筋状态下涵顶垂直土压力表现得更为直观，特绘制了图1、图2。1、涵顶垂直十压力与填十高度的关系 从图1中可以看出：①加筋和未加筋状态下涵顶垂直土压力随填土高度增加呈非线性变化趋势，II当填土高度较低吋，它们均接近于土柱法垂直土压力值。当填土高度较高吋，均明显高于上柱法垂直土压力值，这是由于涵洞和基础的刚度要比涵测填土的刚度大，所以涵侧填土沉降明显大于涵洞自身沉降，因此产生了内外土柱沉降差，使涵洞两侧填土将一部分外荷载转移到涵顶，因而产生了较人的附加应力,这样一来作用于涵项的垂直土压力就等于涵洞顶部的填土自重与附加土压力之和。②加筋状态下的土压力值明显高于未加筋状态下的土压力值，由于土工格栅的弹性模量远大于土体的弹性模量，再加上钢筋混凝土涵洞本身压缩变形很小，因此铺设土工格栅一侧总体压缩变形要比未铺设土工格栅一侧总体压缩变形要小，从而使得加筋侧洞顶土体相比未加筋侧的内土柱的下沉量小，因此加筋侧相对于未加筋侧的外土柱对内土柱产生的沉降差比较大，从而加筋侧外土柱对内土柱产生向下的摩檫力也比未加筋侧大，此摩擦力与洞顶土柱压力之和构成洞顶垂直土压力，所以加筋状态下的土压力值要高于未加筋状态的土压力值。2、垂直土压力系数与填土高度的关系由图2的Kv-H曲线分布情况表明，加筋状态下当填土高度小于2m吋，Kv趋近于I，当填土高度大于2m吋，Kv不断增大。填土高度达到4.7m时，Kv最高值达2.1,之后一直稳定在2.1附近。未加筋状态下Kv初始值为1，之后一直增加，当填土高度达到1.7m吋，Kv增至1.4。当1.7<H≤4.6吋，Kv值维持在1.3左右,当5.2≤H≤7.4时，Kv值维持在1.5左右，之后则一直稳定在1.4附近。①由图2所示，未加筋状态下：H≤1.7吋，垂直土压力系数Kv—直保持在1.4左右，说明涵侧填土沉降明显大于涵洞自身沉降，因此产生了内外土柱沉降差，使涵洞两侧填土将一部分外荷载转移到涵顶，产生了较大的附加应力，使得垂直土压力要高于理论土压力。当1.7<H≤4.6吋，垂直土压力系数Kv呈急剧下降趋势，说明在土体上方产生了明显的拱效应，使得涵顶上方的土压力通过土拱部分传递到涵洞两侧的填土上。由于土体在沉降的过程中产生不均匀位移。使得土颗粒之间产生相互“楔紧”的作用，于是就在涵洞顶上一定范围的土 层中产生了“拱效应”。当5.2≤H≤7.4吋，垂直土压力系数呈急剧上升趋势，由于拱效应存在不稳定的特点，使得在填土高度增加的过程中仍奋部分土压力通过土拱传递到涵顶。当H≥7.4m吋，垂直土压力系数趋于稳定，说明产生了等沉面使得此平面上的内外土柱沉降差相等，因此此平面上的洞项附加土压力为零,所以垂直土压力系数保持在1.4附近。②由图3-6所示，加筋状态下：当H≤4.7m吋，因为加筋后，填土的受力更加均匀，从而不能产生明显的拱效应，且加筋土会把两侧的填土应力传递到涵顶，所以使垂直土压力系数呈急剧增大趋势。当H>4.7时，垂直土压力系数趋于稳定，说明产生了等沉面，使得垂直土压力系数保持在2.1附近。加筋路堤下涵洞受力性状的Ansys冇限元数值模拟本文中加筋土本构模型试验采用Drucker-Prager模型进行非线性数值模拟。由于土工格栅为线性弹性材料，因此用linkl杆单元来模拟他的受力特性。土体单元则采用四节点平面矩形单元来模拟，对于卵石、填土、涵洞、地基都采用plane42号单元，它们之间的接触采用面面接触，本文采用targel69作为0标单元，contaRl作为接触单元，且以刚度大的作为0标单元，刚度小的作为接触单元，而对于填土与土工格栅之间的接触则采用combinl4弹簧单元来模拟。1、涵顶垂直土压力变化规律及其结果分析图3加筋状态下垂直应力云图图5不同填土高度下涵顶垂直土压力系数随填土高度变化规律图图6不同填上高度下加路堤筋涵顶垂直上压力系数随填上高度变化规律图其中图3、图4为Ansys数值模拟下的垂直应力、垂直位移云图，为了使加筋状态下涵顶垂直土压力以及垂直土压力系数表现得更为直观，特绘制了图5、图6。由图5、6可以看出涵顶垂直土压力数值模拟值和实测均值变化趋势吻 合，说明利用ANSYS模拟涵洞垂直土压力能冇效反映实际情况。结论本文通过对夏门至成都高速公路湖南段涵洞实体工程进行现场测试、数值模拟及理论分析计算，盖板涵的竖向土压力计算理论进行了系统、深入的研究,得出了以下结论：(1)现场测试结果表明，当填土达到一定高度后，盖板涵涵顶竖向土压力不随填土高度成线性增加，而呈非线性变化，且涵洞的竖向土压力要比理论土压力大。(2)涵顶填土高度越大，涵项垂直土压力越大，与现场试验结果基本•一致。(3)用ANSYS软件分析计算高填方涵洞的垂直土压力，能较好地反映填土过程、地形条件及涵洞结构物对土压力的影响，苏计算结果比较接近现场实测数据，但计算中填土参数的合理选取是关键。参考文献：［1］杨锡武.山区公路高填方涵洞土压力计算方法与结构设计.人民交通出版社,2006.［2】顾安全.上埋式管道及洞室垂直土压力的研究［」］.岩土工程学报，1981,,3(1):3—15.［3】刘静.高填路堤涵洞土压力理论及减荷技术研究.［博士研究生学位论文］，长安大学，2004.［4】郭婷婷.涵洞土压力与变形及其减荷措施的试验研究［D］.西安：西北农林科技大学，2004.［5】韩伟平.涵洞土压力有限元施工分层填筑模拟与试验研究.［硕士研究生学位论文］,太原理工大学，2007.[6]李永刚、张善元.矩形沟埋涵洞顶部垂直土压力试验和理论研究.岩土力学，2008(4). [6]Vilnay,O.BucklingofMasoryArchs，ProceedingsoftheInstitutionofCivilEngineers,Parts2,Vol.77,1984.[7]HarrisonWJ,GerrardCM..Elastictheoryappliedtoreinforcedearth.JournaloftheSoilMechanicsandFoundationDivision,1972，98(12)：1325〜1345.[8]RomsmdKM，HerrmannLR，ShenCK.Integratedstudyofreinforcedearth—I:theoreticalfor-mulation.JournaloftheGeotechnicalEngineeringDivision,1976,102(5)：457~471.