山区高填方路堤涵洞结构的研究

西部交通建设科技项目合同编号：200231881224山区高填方路堤涵洞结构的研究研究报告简本长安大学甘肃省高等级公路建设开发有限公司甘肃省交通规划勘察设计院责任有限公司甘肃省公路工程总公司二○○五年六月 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·1项目研究背景近年来，在高速公路的设计中，高填方路堤下设置的涵洞工程越来越多,然而对涵洞的设计与计算理论至今仍不完善,导致计算结果和实际结果相差很大,致使涵洞病害不断发生，严重影响到了高速公路的正常运营和人们对高等级公路的综合评价。据调查，在涵洞设计中因误判导致设计土压力偏小的情况，在设计时被安全系数所遮蔽，长时间后均发生破坏；而由于设计保守，所取土压力集中系数偏大，导致涵洞设计在拱圈和台身上浪费材料，造成的经济损失也十分巨大。同时，涵洞施工过程中由于施工工艺不当等导致涵洞结构体尚未运营而人为破坏的实体工程亦很多。从已有的研究成果和国内外文献资料来看，立题开展该项目研究主要基于以下两点：1.1大量涵洞病害的产生是立项研究的主要诱因本项目研究人员对西部地区5省17条高速公路182个涵洞进行了实际调研，通过调研发现：①受地质、地貌、气候条件、建筑材料、涵洞用途、施工条件，甚至是设计人员个人爱好等因素的影响，同一条线路上涵洞的结构形式一般都基本相同；②涵洞的破坏主要是由土压力集中引起的纵向结构破坏、由沉降不均匀引起的横向结构破坏，或由这两个原因共同引起的结构斜向破坏；③缺少涵洞勘察资料与涵洞设计验算资料是产生涵洞病害的原因之一，甚至可以说现有的涵洞设计标准图也对涵洞的设计产生一定程度的负面影响；④有些涵洞病害是由施工不当原因引起的；⑤有些涵洞病害是由人为的主观因素引起的，如某条线路上，为减少由台背沉降差引起的跳车问题，在桥台、涵背填土体上普遍进行了强夯处理，这样的处理虽压实了土体，但也对涵洞结构造成了破损；⑥对涵洞病害问题较重视单位所属的线路上涵洞病害问题相对较少，例如达渝高速公路公司对涵洞病害问题较重视，在建设阶段就对其进行了注浆处理，则调研发现其涵洞病害相对少得多。1.2涵洞设计与施工体系不完善是立项研究的主要切点目前涵洞的设计与施工无成套理论体系的结论，主要表现在如下方面：（1）在土建类高校中没有设置涵洞设计专门课程。（2）公路行业将小桥涵结构设计的安全等级定为三级(正确)，但却按用途或习惯将其归在与小桥同类按规范进行设计。这样做的后果是忽视了涵洞工作的特点，即忽视了涵洞与土共同工作的特点。8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·（3）由于涵洞设计理论不成体系，例如涵洞的过水断面按水力学原理或按交通用途确定，而作用在涵洞周边的土压力按半无限成层土弹性体、按主动土压力、按被动土压力、按隧道围岩土压力、按散粒体的卸载拱压力进行确定，应用较混乱，需要理顺、需要指导、需要创新。（4）涵洞地基和基础的设计基本套用工业与民用建筑的地基与基础理论或桥台地基与基础的理论，忽视了涵洞作用特点，存在前提和概念的错误。（5）现有的设计理论与方法中没有考虑涵洞与土体共同工作机理，既不成体系，也存在互不相容的矛盾现象。（6）施工方法的差异对涵洞的受力影响较大，现有设计理论或规范没有考虑这一点。如上所述，对涵洞的设计理论与施工方法进行系统研究是非常必需的。2主要研究内容及实施方案2.1实体工程的现场试验研究依托工程为4个，分别是甘肃省兰州～海石湾高速公路K50+765涵洞、K84+950涵洞，兰州～临洮高速公路的K5+905涵洞、K5+536涵洞。其中在K50+765涵洞上进行了涵洞的2个纵断面、6个横断面、84个土压力测点、109个土体沉降点的长期观测工作；兰海路K84+950涵洞进行了了1个纵断面、30个土压力、10个土体沉降点的测试；兰临路K5+905涵洞进行了2个纵断面、4个横断面、57个土压力、72个土体沉降点的测试；兰临路K5+536涵洞进行了2个纵断面、3个横断面、45个土压力、55个土体沉降点的测试；在K50+765，K5+905，K536涵洞上进行了数种工况的埋管土压力减荷试验工作。通过现场试验测试，全面探讨了路埋式涵洞各部位的受力、变形随填土荷载及时间的发展过程，研究了不同工况下涵洞竖向土压力减荷机理，为本课题的顺利完成打下了基础。2.2涵洞病害的调研与病害特征分析研究8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·涵洞病害的调研工作含资料的收集和实地考察两部分工作。其中收集资料600多份，实地考察涵洞182个，涉及陕西、甘肃、宁夏、四川、云南等省的17条高等级公路。通过调研基本上探清了涵洞病害的类型、病害的成因和一般的处治方法。2.3涵周材料的室内力学特性试验研究涵周材料的室内力学特性试验研究可为涵洞的计算分析、理论分析提供基本参数，也可以了解涵洞减荷材料的各种强度、变形特性。室内试验一共进行了81组压实黄土的单轴压缩试验；32组压实黄土的三轴压缩试验；10组减荷材料的单轴压缩试验；8组减荷材料的三轴压缩试验；8组减荷材料的回弹特性试验；62组原状黄土的湿陷特性试验。2.4涵土性状的离心模型试验研究土工离心模型试验技术是近代科技水平发展的产物，它通过施加在模型上的离心力使模型的重力变大，从而使模型中的应力与原型一样，其试验研究的内容几乎涉及了岩土工程的所有领域。本项目研究在长安大学的离心机上进行。离心模型试验共进行了以下6组工况的研究：(1)刚性基础上拱涵与圆管涵的沉降变形试验；(2)沟谷地形对涵洞工作情况的影响试验；(3)人工减荷条件下涵洞的工作工况试验；(4)涵洞人工马斯顿条件创立的试验分析；(5)涵洞纵断面地形、地质构造影响的试验；(6)非刚性基础上涵洞工作性状的试验。2.5涵土体系共同工作的数值分析与理论研究涵洞与填土体共同工作的计算分析和理论分析的基础是涵洞实体工程试验实测工作、涵洞病害的调研工作、涵洞土工离心模型试验的工作、相关学术文献的查阅工作,且在此基础上依托掌握的数值分析方法、岩土工程与力学理论、结构力学分析理论、数学物理理论，对涵洞与土体共同工作的机理进行了建模研究，模拟10多种工况进行了数值模型仿真分析工作，基于建模和仿真分析以及工程设计三原则进行了涵洞的设计、施工与病害处治技术研究工作。2.6涵洞设计图册的编制工作8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·基于取得的分析研究成果，进行了涵洞设计图册的编制工作，新编制的涵洞设计图册基本体现了本项研究所取得的研究成果。3主要结论本项目针对山区高填方路堤涵洞结构特征，基于大量的实体工程调查分析，结合依托工程大规模的原位实测，通过大型有限元仿真计算与室内离心试验模拟分析，对山区高填路堤涵洞应用中的病害特征，受力性状、变形特性、减荷性状、结构选型等进行了深入系统的研究，历时近5年，主要在8个方面取得进展，这些成果不仅是对上埋式涵洞理论研究的重大贡献，而且在工程设计、工程评价及工程优化方面具有重要应用价值。简述如下：3.1建立了高填方路堤涵洞的数值仿真模型鉴于涵—土体系的复杂性与影响因素的多样性，要想全面系统地研究高填路堤下涵洞（管）的受力性状、变形特性、减荷性状及合理结构选型，数值仿真技术应该是必然的选择。虽然以前这方面的工作做了不少，但自编程序的局限性很强，分析的有效性难以体现。本项目基于大型有限元（MARC）软件，解决了分析涵洞时的关键技术问题，建立了高填路堤下涵洞（管）的数值仿真模型，可以有效地分析其受力性状、变形特性、减荷性状及合理结构选型等。3.2揭示了高填方路堤涵洞的荷载变化规律结合依托工程的现场实测、数值仿真及离心模型试验对比分析，首先搞清了影响上埋式涵洞受力的主要因素，即填土的内摩擦角、涵洞结构断面形式及涵洞凸出地面高度h对高填路堤涵洞的受力起着关键作用。涵洞凸出地面高度越小，填土内摩擦角越小，涵洞的受力越有利。方型涵洞受力特性优于拱型涵洞的受力特性。其次进一步证明了上埋式涵洞涵顶的应力集中性状，且给出了最大土压力集中系数在1.9～2.9之间变化。同时指出：沟谷地形对于涵洞受力起一定的减荷作用。作用在涵洞侧墙上的侧向土压力较小，约为0.1～0.4γH。3.3提出了减荷技术及变形控制计算方法本项目首先通过有限元仿真计算分析了涵洞（管）减荷技术的可行性及其减荷性状，系统8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·研究了减荷措施下涵洞及其周围填土中受力与变形特性，分析表明在涵顶铺设一定厚度EPS板可以取得很好的减荷效果。而后通过室内试验，深入研究了减荷柔性填料（EPS）的强度与变形特性，指出采用（EPS）作为减荷材料，其厚度和密度的选取应与路堤填土高度H相匹配，原则是要在整个填土过程中，柔性填料始终产生压缩变形量，对其周围填土产生变形协调作用，发挥其减荷作用。最后结合依托工程，选择4座涵洞实施了局部减荷技术，并取得了很好效果，原位测试得到减荷措施下的土压力集中系数Ks在0.3～0.6之间。在此基础上，提出了利用减荷措施控制高填路堤下涵洞整体协调变形的概念，并针对减荷材料特性，建立了控制计算方法。并定量给出了采用EPS轻质材料减荷措施的设计简化公式和不同断面形式与合理埋设宽度对照表。3.1推出了高填方路堤涵洞土压力计算的新理论本项目根据涵土结构的变形受力特性，根据有限元计算分析结果，运用力学及土力学基本原理，分析了涵洞的受力。利用散体极限平衡条件，给出了计算上埋式涵洞垂直土压力的力学计算模型，推导出新的涵洞垂直土压力计算公式。本项目计算模型建立以下假设：(1)滑动面假定：沿管道水平直径宽度为2D的两端点a’,b’，向地面引斜线，交于a、b两点，则aa’与bb’为涵顶填土过程中形成的滑动面滑动面与水平面倾角为α，根据土的极限平衡理论，土体中剪破面与大主应力作用面的夹角为45o+，取；(2)极限平衡状态假定：滑动面间的相对运动，用极限状态表示；（3）沿用Marston等沉面的概念，即管顶内填土与管顶外填土存在沉降差异，这种沉降差异随着填土高度的增加而逐渐较小的，当填土高度达到某一临界值He后，这种差异可忽略不计，He以上填土认为是均匀沉降，相应于He的平面，称为等沉面，近似取He＝2.25h。计算假设图和计算模型图如图1、图2所示。8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·图1计算假设图图2计算模型图运用所推导的新公式，评价分析了涵洞的受力情况，结果表明新公式得到的土压力集中系数与实测值很接近。由于公式涉及参数较多，形式复杂，还对公式进行了合理简化，使之能够运用于实际工程的计算。3.1总结了高填方路堤涵洞的病害特征8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·基于西北地区大量的实体工程调查分析，结合依托工程大规模的原位实测，分析总结了高填土路堤涵洞的病害发生频率、病害分布特征及病害影响程度，并提出了相应的病害处治对策。3.1研究了涵洞结构的受力性状与合理断面型式现在的涵洞往往“十涵九裂”，说明现行的设计与计算方法尚存在问题，计算结果偏于不安全，许多实际工程也印证了这一点。本项目借助有限元方法，结合结构荷载法，对涵洞结构的受力性状进行了深入研究，并对其断面型式进行了优化分析，为构建设计计算方法提供技术支持。3.2构建了高填方路堤涵洞的设计计算方法基于数值仿真分析成果，结合依托工程的实施，利用土压力计算的新理论，初步建立了高填土路堤下涵洞（管）的设计计算方法。3.3给出了高填方路堤涵洞的设计施工技术要则本项目简明提出了高填土路堤下涵洞（管）的设计施工技术要则，从涵洞结构选型、涵洞土压力计算、涵洞结构计算、涵洞变形控制及涵洞施工注意事项等方面给予说明。其中指出在高填涵洞的结构选型设计中，当地基承载力较高时，涵洞结构型式首选拱涵；当地基较差时，应选用盖板涵。但当设计涵洞为有压涵洞时，不宜选用拱涵和盖板涵，则应选用圆涵或箱涵。在涵洞的整体设计中，首先应根据当地水文、地质、地形、涵洞用途等条件设计涵洞轴线位置、涵洞沟底高程及纵坡，并合理选择路堤下涵洞孔径尺寸；然后准确确定作用在涵洞上的填土垂直土压力和填土水平土压力，对涵洞进行结构内力计算。涵洞施工过程中应杜绝一些违规操作，尤其在现浇混凝土的施工过程中，应严格按照遵照现浇混凝土的施工工艺与工序，避免涵洞质量事故的发身。另外在回填土过程中，涵洞台身两侧填土应尽可能分层夯实，并避免涵洞出现偏压现象，且涵顶路堤的填土过程不宜过快。4建议8 山区高填方路堤涵洞结构的研究·简本·（1）根据设计工作要安全、经济、可行的三原则，建议按本项目研究结论就实际工况、实际填料和实际地形选取适宜的土压力计算公式。（2）对于涵洞地基承载力和基底压力部分的设计应遵照本项目研究所提出的要求进行验算。（4）应继续就涵洞土压力公式的适应性和减荷效应下的涵洞结构优化受力进行研究。（5）钢波纹管涵洞是一个非常有发展前途的涵洞形式，建议加强这方面的研究工作力度。8