（岩土工程专业论文）山区公路高填方涵洞土压力理论及加筋减载研究.pdf

中文摘要 摘要 在西部山区高等级公路建设中，为了满足线形标准，充分剥用废方，防止水 土流失，保护环境，填土高度在2 ( h n 以上的高填方路基及与之相应的高填方涵洞 已较为常见，但这些高填方涵洞由于缺乏合理的土压力计算理论和方法，使部分 涵洞在施工或运营过程出现了不同程度的破坏病害，增加了养护维修费用；有的 高填方涵洞结构设计则过分保守导致工程造价的浪费。基于我国山区公路高填方 涵洞由于结构设计缺乏较合理的土压力计算理论导致的高填方涵洞结构不安全或 过分保守浪费现实，本论文通过室内试验、数值模拟和现场试验及理论分析计算， 对山区公路高填方涵洞的土压力计算理论和减载进行了系统、深入的研究，以期 找出一种经济合理、安全可靠的高填方涵洞土压力计算理论和减载方法，论文所 作研究工作和得出的成果如下： ( 1 ) 研究了高填方涵洞的土压力变化规律。论文通过模型试验和数值模拟计 算，研究了狭窄沟谷地形、宽坦沟谷地形、岸坡设涵和坡脚设涵四种边界条件下 的高填方涵洞土压力随填土高度变化的规律，研究结果表明，在各种边界条件下， 高填方涵洞涵项土压力变化规律相似，当填土达到一定高度后，仍有部分土压力 传递到涵顶上，使高填方涵洞的土压力不随填土高度成线性增加，土压力呈非线 性变化，高填方涵洞的土压力明显低于理论土压力d = yh 计算值。 ( 2 ) 研究了高填方涵洞上方的拱效应。模型试验和数值模拟计算结果表明， 当填土达到一定高度后，高填方涵洞上方将产生明显的挟效应，但由于涵洞填土 为破碎的岩土，其拱效应与岩石中开挖洞室上方的拱效应不同，高填方涵洞上方 填土产生的“土拱”效应具有不稳定的特点，表现为随着填土高度的增加仍有部 分土压力传递到涵洞上，涵顶土压力随填土高度成非线性增加。不稳定性是高填 方涵洞拱效应的特点。 ( 3 ) 提出了高填方涵洞非线性土压力理论。论文根据不同边界条件、不同孔 径、不同填料容重和不同涵洞结构形式的高填方涵漏土压力随填高度成非线性 变化的规律，以及高填方涵洞上方拱效应具有不稳定性的特点，通过对模型试验 成果和数值模拟计算成果的理论分析计算，提出了高填方涵洞非线性压力理论 和计算方法，即用o = i 丫 ( e 、m 是回归系数) 计算高填方涵洞土压力的 非线性士压力计算理论。把这种方法与其它地下涧室的土压力计算理论进行的对 比分析结果表明，非线性土压力理论考虑了填土达到一定高度时在涵洞上方产生 的拱效应以及土拱的不稳定性特点，其计算的土压力明显低于不考虑拱效应的低 填方涵洞土压力计算值，但高于具有稳定土拱效应的地下洞室土压力理论得到的 土压力。根据高填方涵洞土压力随填土高度变化规律及高填方涵洞上方拱效应的 特点，非线性土压力理论是一种较为安全可靠，经济合理的高填方涵洞土压力计 算理论和方法。 ( 4 ) 根据模型试验和数值模拟计算结果得出了不同边界条件下的高填方涵洞 非线性土压力计算公式，得出了当涵项填土高度小于1 6 m 时，采用线性理论计算 涵洞的土压力，当涵顶填土高度大于1 6 m 时采用非线性土压力理论公式计算高填 方涵洞土压力的结论。 ( 5 ) 提出了高填方涵洞加筋桥减载方法。“加筋桥”减载方法就是在高填方 涵洞上方一定高度和宽度范围内，用压实度较小的土填筑，形成能压缩沉降的减 载孔，在孔的上方一定高度范围内分层加筋填筑，形成加筋桥，利用减载孔内土 体沉降大，而周围填土密实、沉降小形成的沉降差，使加筋桥在填土荷载作用下 挠曲变形，通过两端锚固在密实土层中的加筋把涵洞上方的垂直土压力传递到涵 台外侧的土体上，从而达到减小涵顶土压力的减载目的。这种减载方法的特点是： 减载结构受力机理明确，结构计算简单，易于施工操作，可以消除减载孔内填土 沉降对路面的影响。 ( 6 ) 通过模型试验和数值模拟计算研究了加筋减载的效果、力学机理及影响 减载效果的因素，结果表明，加筋减载的力学机理是加筋改变了涵洞上方的应力 分布，把涵洞上方较高的应力通过加筋传递到涵台外两侧的土体上，从而达到减 载的目的。 ( 7 ) 根据提出的加筋桥减载原理，建立了以极限平衡理论为基础的加筋桥减 载结构计算力学模型，推导出了加筋桥的荷载计算公式、加筋桥的加筋数量计算 公式、加筋桥的长度计算公式等加筋桥减载设计公式，供加筋减载结构设计参考 应用。 ( 8 ) 在室内试验、数值模拟和理论分析计算的基础上，修筑了试验工程，验 证了高填方涵洞土压力随填土高度成非线性变化的规律以及加筋减载的良好效 果，为高填方涵洞非线性土压力理论和加筋减载设计提供了现场试验依据。 关键词：公路，高填方，涵洞，非线性，土压力，加筋桥，减载 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h e r ea r eal o to f h i 曲f i l l st ou t i l i z et h ee x c a v a t i o n sa n d p r o t e c tt h ee n v i r o m e n ti n t h ec o u r s eo f h i g h w a y b u i l d i n go f m o u n t a i n o u sp l a c e , a n da tt h es a n l et i m et h ec u l v e r t s b e n e a t ht h e s eh i 曲f i l l sm u s tb ec o n s t r u c t e df o rd r a i n a g e h o w e v e r , b e c a u s el a c ko f t h e r e a s o n a b l ee a r t hp r e s s u r et h e o r yf o rd e s i g no ft h e s ec u l v e r t s ，s o m eo ft h e mf a i li nt h e p e r i o do f c o n s t r u c t i o no ra f t e rc o m p l e t i o no fw o r kf o r u s i n gs m a l l e rs i z eo fs t r u c t u r e ，i n s o m ec a s eo v e rk gs i z eo fc u l v e r ts t r u c t u r ea r ed e s i g n e dt ob e a rt h eu n c e r t a i n p r e s s u r e s o r lt h ec u l v e r t s ，a n dl e dt dm o r ec o s t b a s e do nt h eo c c a s i o na b o v e , t h e e a n 如p r e s s u r e t h e o r ya n dt h em e t h o do ft o a dr e d u c t i o n r i gs t u d i e dt h r o u g hm o d e lt e s la n dn b r a e r i c s i m u l a t i o nt of i n dar e a s o l l a b l ee a r t hp r e s s u r et h e o r yf o rt h ec u l v e r t sb e n e a t ht h eh i g h f i l l n l ef r u i t so f r e s e a r c hi nt h et h e s i sa sf o i l o w ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l e o f v a r i a t i o no f e a r t h p r e s s u r e s o nt h ec u l v e r t sb e n e a t ht h eh i 曲 f i l l sa r ei n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s 。t h ep r i n c i p l eo fv a r i a t o ao f e a l - 出p r e s s u r e s0 1 1 t h e c u l v e r t sl o c a t e di nd i f f e r e n tt o p o g r a p h i e so f g a l l e y i n c l u d i n gl o c a t e di nn a l t o wv a l l e y , w i d ev a l l e y t h ef o o to f s l o p ea n dt h em i d d l eo fs l o p ea r es t u d i e dt h r o u g hm o d e lt e s t a n dn u m e r i cs i m u l a t i o n t h et e s tr e s u l t ss h o wt h ep r i n c i p l eo fv a r i a t i o no f p r e s s u r e so n c u l v e r t sb e n e a t hh i g hf i l li ss i m i l a r ，i ti st h 她e v e ni ft h ee m b a n k m e n ti sf i l l e du pi oa h i g h e rh e i g h t , t h ee a r t hp r e s s u r e sc a l ls t i l lp a r t l y t r a n s f e rt ot h et o po f c u l v e r t ，a sa r e s u l t t h ep r e s s u r e so nt h ec u l v e r ti n c r e a s en o n l i n e a r l yw i t ht h ev a r i a t i o no f h e i g h to f f i l la n d f u r t h e rt h ep r e s s u r e sa r eo b v i o u s l yl o w e rt h a nt h e o r e t i c a lv a l u eb y 02 yh ( 2 ) t h ea r c h i n g a c t i o na b o v et h ec u l v e r ti si n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s t h er e s u l t s o fm o d e lt e s t i n ga n dn u m e r i cs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ea r c h i n ga c t i o na b o v et h e c u l v e r tw i l la p p e a r 豁t h ef i l l su pt oac e r t a i nh e i g h t , b u ta st h ef i l l sa r o u n dt h ec u l v e r t a r eb r e a k i n g ：r o c kt h ea r c h i n ga c t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h ea r c h i n ga c t i o na b o v et h ec a v e i ns t a b l er o c k ，i n s t a b i l i t yi st h ec h a r a c t e r i s t i co f a r c h i n ga c t i o na b o v et h ec u l v e r t ( 3 ) a n o n l i n e a r t h e o r y o f e a r t h p r e s s u r ec a l c u j a t i o n i s p r e s e n t e d i n t h e t h e s i s b a s e d o nt h ep r i n c i p l eo f v a r i a t i o no fe a r t hp r e s s u r e so nt h ec u l v e r t su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， i n c l u d i n gt o p o g r a p h y , s p a no fc u l v e r t ，d e n s i wo f f i l la n dt h et y p eo fs t r u c t u r e ，a n dt h e p r o p e r t yo fa r c h i n g a c t i o na b o v et h ec u l v e r t , an o n l i n e a re a r t hp r e s s u r et h e o r yf o r c u l v e r t sb e n e a t hh i g hf i l li sp r e s e n t e d ，t h et h e o r ys u g g e s t st h ee a r t hp r e s s u r eo nt h e c u l v e r t sb e n e a t hh i 曲硼c a nb ec a l c u l a t e dw i t ht h ef o r m u l a o = yh ma st h ef i l lu p t oh i 曲e rh e i g h t c o m p a r e dt h en o n l i n e a rt h e o r yw i t ho t h e r l 重庆大学博士学位论文 t h e o r yo fe a r t hp r e s s u r ef o rm ec a v ei ns t a b l er o c ka n ds o i l ，i ti ss h o w nt h ep r e s s u r e s c a l c u l a t e db yn o n l i n e a r t h e o r y a r e b i g g e r t h a nb y t h e o r yf o rc a v ei ns t a b l er o c ka n ds o i l ， b u tl e s st h a nt h ev a l u eo f p r e s s u r e sb y l i n e a rf o r m u l ao = yh t h i si sb e c a u s eo ft h e a r c h i n ga c t i o na b o v e t h ec u l v e r ti su n s t a b l ew h i l et h i sf e a t u r ei sc o n s i d e r e di nn o n l i n e a r t h e o r yo fe a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o n ：f r o ma b o v e , ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h e n o n l i n e a re a r t hp r e s s u r et h e o r yi ssr e a s o n a b l em e t h o do fp r e s s u r ec a l c u l a t i o nf o r c u l v e r t s 、b e n e a t ht h e h i g hf i l l ( 4 ) b a s e do nt h er e s u l t s o fm o d e lt e s ta n dn u m e r i cs i m u l a t i o n ，t h en o n l i n e a r f o r m u l a so fe a r t hp r e s s u r eu n d e rv a r i o u sb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r eg i v e n ，a n dc o m et o t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ee s r t hp r e s s u r e ss h o u l db ec a l c u l a t e dw i t hn o n l i n e a rf o r m u l aa s t h eh e i g h to f f i l lo v e r1 6m e t e r s o nt h eo t h e rc a s e s 埘mf o r m u l a0=yh ( 5 ) am e t h o do f r e i n f o r c e m e n tb r i d g el o a dr e d u c t i o nf o rc u l v e r t sb e n e a t ht h eh i 曲 f i l li sp r e s e n t e di nt h et h e s i s t h em e c h a n i s mo fr e i n f o r c e m e n t b r i d g el o a dr e d u c t i o na s f o l l o w ：t h es t r u c t u r eo fr e i n f o r c e m e n tb r i d g ei sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ，i n c l u d i n g r e i n f o r c e m e n t s ，l o a dr e d u c t i o nd i t c hf i l l e dw i t hl o w e rd e n s i t yo f s o i la n dc o m p a c t e ds o i l a r o u n dt h ec u l v e r t , i nt h es t r u c t u r eo f b r i d g et h er e i n f o r c e m e n t sa r ea r r a n g e do nt h el o a d r e d u c t i o nd i t c hi nl a y e r , b e c a u s eo ft h ed e n s i t yo ff i l l i nd i t c hi sd i f f e r e n t ：f i - o mt h e d e n s i t yo ff i l l a r o u n dt h ed i t c h ，t h er e i n f o r c e r n e n t sw i l ld o w n w a r db e n du n d e rt h e a c t i o no f f i l l ，w h i l et h er e i n f o r c e m e n t sb e n d t h ee a r t hp r e s s u r e so nt h et o po fc u l v e r ta r e t r a n s f e r r e dt ot h eb a c kf i l lo fa b u t m e n tb yr e i n f o r c e m e n t s a sar e s u l tm ep r e s s u r e so n t h et o po fc u l v e r ta r eg r e a t l yr e d u c e d ，a n dt h es i z eo f c u l v e r ts t r u c t u r ee a r lb ed e c r e a s e d t ob e a rs m a l l e re a r t hp r e s s u r ea n dt h ec o s t sc a l lb es a v e d ( 6 ) t h eg o o de f f e c to f r e i n f o r c e m e n tb r i d g el o a dr e d u c t i o ni sc o n f i r m e db ym o d e l e x p e r i m e n ta n dn u m e r i cs i m u l a t i o n ，a n dt h ef a c t o r s a f f e c tt h ee f f e c to fr e i n f o r c e m e n t l o a dr e d u c t i o na n dt h em e c h a n i c sm e c h a n i s ma r ea n a l y z e d ，t h e s ef a c t o r si n c l u d i n gt h e a r r a n g e m e n t o fr e i n f o r c e m e n t s ，t h en u m b e r so fr e i n f o r c e m e n ta n d t h e b o u n d a r y c o n d i t i o no fc u l v e r tl o c a t i o n ，t h em e c h a n i c sm e c h a n i s mo fr e i n f o r c e m e n tb r i d g el o a d r e d u c t i o ni sr e i n f o r c e m e n t sm o d i f yt h ed i s t r i b u t i o no f s t r e s s e sa b o v e t h ec u l v e r t ( 7 ) a c c o r d i n g t ot h em e c h a n i s mo fr e i n f o r c e m e n tb r i d g e l o a d r e d u c t i o n ，a m e c h a n i c sm o d e lf o rd e s i g no fr e i n f o r c e m e n tb r i d g es t r u c t u r ei s b u i l ta n d t h ef o r m u l a s r e l a t i v et od e s i g na r ed e r i v e df r o mt h em o d e l b a s e do nt h ec r i t i c a le q u i l i b r i u mt h e o r y ( 8 ) b a s e do nt h em o d e lt e s t i n g ，n u m e r i cs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i ca n a l y s i s ，af i e l d c a s eo f c u l v e r ti st e s t e d ，a n dt h en o n l i n e a rp r i n c i p l eo f v a r i a t i o n o f e a r t hp r e s s u r eo nt h e c u l v e r ti sd e t e r m i n e da n dt h eg o o de f f e c to fr e i n f o r c e m e n tb r i d g el o a dr e d u c t i o na r e i v 英文摘要 c o n f i r m e db yt h et e s tr e s u l t so f f i e l dc u l v e r t k e y w o r d s ：h i g h w a y , h i g hf i l l ，c u l v e r t ，n o n l i n e a r , e a r t hp r e s s u r e ，r e i n f o r c e m e n t b r i d g e l o a d r e d u c t i o n v 1绪论 1 1 高填方涵洞的概念 】涵洞的构造1 2 4 】1 1 2 5 1 2 6 1 涵洞是为了宣泄地面水流( 包括小河沟) 而设置的横穿路基的小型排水构造物。 按照公路工程技术标准( j t 3 0 0 1 9 7 ) 的规定；单孔标准踌径l o 5 m 或多孔跨径 总长l 8 m ( 圆管涵及箱涵不论跨径大小或孔径多少) 均称为涵洞。一道完整的涵 洞由洞身、基础和洞口建筑三部分组成： j ) 洞身洞身是涵洞的主要部分，其作用是承受荷载与土压力并传递给地基， 具有保证设计水流通过的必要孔径，同时坚固稳定； 2 ) 洞口建筑洞口建筑连接着洞身与路基边坡，应与洞身较好地衔接并形成 良好的宣泄水流条件，洞口分为迸水口和出水口两个基本部分： 3 ) 基础涵洞的基础对涵桶的质量具有较大影响，砖涵、石撰涵等都要求具 有坚实的基础，其它类型的涵洞也要求基础不能有过大的沉降，而且沉降必须均 匀，因此，涵洞应尽量避免设置在地基松软、坚硬不均匀或地质条件不良的地段， 当地基过分松软而无法避让时，应采取对地基的加固或对地基的加强处理措麓。 为使水流安全通过涵洞，减小对前后涵底的冲刷，需要对涵底和进出水口的河 床进行加固铺砌，必要时在涵洞前后加设调治构造物和消能设施。 在公路工程中，小桥涵的构造简单，工程数量较小，就单道小桥涵而言其工程 造价较低，但是，对整条公路来讲，由于，l 、桥涵分布子全线，工程量所占比重就 很大，一般平原区公路每公里设小桥涵j 3 道，山区公路则每公里3 5 道。据 全国1 9 5 条公路资料统计，小桥涵投资占公路总投资的2 0 ，5 6 ，其投资额为大、 中桥的3 倍左右，由此可见，小桥涵的结构设计与布置是否合理，对整条公路的 造价和使用质量都有很大影响 1 2 4 【1 1 9 1 2 涵洞的分类1 2 4 】 1 2 6 】 1 ) 按建筑材料分类 涵洞按建筑材料分类，常用的有石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵、砖锺、有对 也可用陶瓷管涵、铸铁管涵、波纹管涵、石灰三合土涵等。其中，石涵主要用于 产石地区，可做成石盖板涵、石拱涵；混凝土涵可预制成拱涵、圆管涵和小跨径 盖扳涵；钢筋混凝土涵可用于管涵、盖板涵、拱涵以及软土地基上的箱涵。 2 ) 按构造形式分类 按构造形式可分为管涵( 圆管涵) 、盖板涵、拱涵、箱涵等。这几种不同构造形 式的涵洞常用跨径与适用条件如表11 所示。 重壅奎兰竖主兰焦笙奎 表1 1 不同构造形式涵洞的常用跨径与适用条件 t a b l e1 1a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sa n d t h eg e n e r a ls p a no f d i f f 日 e n tt y p eo f c u l v e r t s 构造形式跨径( 直径) ( c i n ) 适用条件 3 ) 按涵顶填土高度分类 按洞顶填土高度情况可分为明涵和暗涵两类。明涵是指洞顶不填土的涵洞，适 用于低路堤、浅沟渠；暗涵是指洞顶填土高度大于5 0 c m 的涵洞，适用于高路堤、 深沟渠。按孔数可分为单孔、双孔和多孔等。 4 ) 按水力性质分类 根据水流通过涵洞的状态，确定涵洞的水力计算图示，而涵洞水力计算图示又 分为无压力式，半压力式和压力式三种，涵洞也因此可以分为无压力涵洞，半压 力式涵洞和压力式涵洞三类。 3 高填方涵洞 高填方涵洞在我国的公路桥涵设计规范 2 6 】中并没有明确定义，但是，根据目 前我国的桥涵设计手册中的暗涵最大填土高度1 2 0 】b 2 6 ，以及我国路基设计规范1 2 7 】 及文献 1 2 8 对高填方路基的定义，即填方总高度超过1 8 m ( 土质) 或超过2 0 r e ( 石质) 的路基称为高路堤。在界定高填方涵洞时，可以涵项填土高度大于1 8 m 为高填方 涵洞与一般填方地段暗涵的界限，涵顶填土高度1 8 m 的涵洞即为高填方涵洞。 在山区高等级公路的建设中，由于地形变化和排水条件复杂，同时为了缩短 涵洞长度，节约工程造价，有时也把设于原地面上的高填方涵洞置于高填方路基 的中部，形成另一类位于高填方地基上的“高填方涵洞”，这种高填方涵洞的涵顶 填土并不高，但由于其位于高填方上，地基比较软弱，容易产生沉降，产生了另 一类高填方涵洞的结构设计问题。这种高填方涵洞不属本论文研究的高填方涵洞 范畴。 高填方涵洞的结构形式一般有石拱涵、混凝土拱涵、钢筋混凝土盖板涵、钢 筋混凝土箱涵和圆管涵几种。具体应用时，可以根据当地材料来源、地基条件、 地形条件、施工技术条件、工程投资和工期等条件的不同，选择合理的涵洞形式。 2 1 绪论 1 2 研究背景 9 0 年代以前，我国修建的高等级公路较少，公路线形标准普遍较低，随弯就 弯，高填深挖路基很少，山区高等级公路更少，但到9 0 年代中后期，随着国家经 济的快速发展和西部大开发战略的实旄，山区高等级公路越来越多，在多山的云 贵川等地区，为满足高速公路的线形标准要求，高填深挖路基不断增加，而高填 方地带一般为地势最低洼的地带，为满足排水与人行的要求，在这些高填方路段 就必须修筑高填方涵洞。此外，在一些路段，原设计为桥梁，但由于附近有大量 挖方无地方堆弃，为避免征地堆放，造成工程经费的增加和水土流失，因此，从 节约工程造价与环保出发，把桥梁设计方案改成高路堤，采用涵洞排水，由此产 生高填方涵洞，这是山区公路高填方涵洞较多的一个重要原因，如：成渝高速公 路三星沟隧道出口一段3 6 m 高的高填方就是为消化附近隧道与挖方的弃渣而由3 跨7 0 m 箱形拱桥改成高路堤，其下设跨径5 0 m ，拱圈厚度达1 5 m 的高填方拱涵， 且地基较为软弱，下面采用加筋和塑料排水板复合措施进行了地基加固处理；云 南楚大路第四合同段为消化附近挖方，有一段高填方运3 6 m ，其下设计的高填方 拱涵跨径4 0 m ；在渝长高速公路b 合同段，为消化附近立交桥开挖与附近挖方的 弃土，亦把1 0 0 多米长的桥改为高填方，填方最高处2 7 m ，设计的高填方涵洞为 跨径3 ，0 m 的石拱涵，拱圈厚6 0 c m ：在丰都到患县的二级公路上，为消化附近开 挖废方，把一座6 0 m 跨径的钢筋砼拱桥改为高填方路堤，最大填土高度达3 4 m ， 设计的高填方涵洞为3 m 跨径的钢筋砼盖板涵；在渝黔高速公路二期g 合同段， 亦把原设计的一座大桥改为高填方，设置过人与过水的高填方涵洞，结构形式为 板厚o ，6 m ，跨径4 m 钢筋砼盖板涵；太原东山过境高速公路k 1 g + 8 4 1 处设有一道 涵高2 0 m 、宽2 0 m ，涵顶填土高度达5 4 7 m 的拱涵【3 2 j 。 在山区高等级公路高填方涵洞增多的同时，涵洞设计却没有填土高度在1 5 m 以上的商填方涵洞结构设计标准图”7 】f j 2 0 j ，使得这些高填方涵洞不得不进行单独设 计，在进行单独设计时却没有合适的理论指导【2 6 l ，根据我国的辑涵设计规范口“， 涵洞的设计荷载采用垂直土压力计算公式盯= 咖进行计算，这个公式仅适用于较 低填土条件下的涵洞土压力计算。在进行高填方涵洞设计时，由于无条件地使用 这个公式计算压力，一些高填方涵洞的结构尺寸过分保守，使涵洞的结构造价 及地基工程处理费用大大增加，造成经济上不必要的浪费；另一方面，由于高填 方涵洞没有合适的土压力计算理论，部分高填方涵洞又过分凭经验比拟设计，过 分强调拱效应作用，使涵洞结构尺寸偏小，导致部分高填方涵洞在施工期间或填 土完成后即出现不同各种形式的开裂破坏病害，增加了加固维修费用”1 ，造成经 济上的浪费。文献 3 2 表明，运营中约有6 3 5 的高填方涵洞出现裂缝，其中7 0 为纵向开裂；文献 2 】对3 0 3 座填土较高的管道调查表明，管道开裂者占6 3 5 ， 重庆大学博士学位论文 其中有7 0 为纵向开裂，对其统计其开裂的原因，管顶填土h 愈大，管道外径d 越大，则纵向开裂的比例越高，对这些破坏病害的分析表明，过大的土压力是产 生这些破坏病害的一个重要原因。 纵观我国高填方涵洞在应用中存在的各种病害，产生这些病害和问题的个 根本原因是高填方涵洞的结构设计缺乏合理的土压力计算方法，使涵顶的土压力 计算只能凭借些低填方涵洞或隧道的土压力计算方法进行计算，而不针对高填 方涵洞本身的加载与受力特点及填土高度，采用相应的土压计算理论计算涵洞的 结构尺寸，采取相应的地基处理措施，使高填方涵洞结构过分保守或不安全，导 致浪费或破坏病害，增加了工程费用。 基于目前我国山区高等级公路的高填方涵洞不断增多，而高填方涵洞( 尤其是 填土高度2 0 m 以上的高填方涵洞) 尚缺乏合适的土压力计算方法，使高填方涵洞在 设计和应用中产生各种问题，包括给工程造价带来浪费和给涵洞结构的安全性带 来隐患，本论文拟通过室内试验与理论分析计算，找出高填方涵洞土压力随填土 高度变化的规律，提出相应的高填方涵洞土压力计算理论和方法，合理地利用高 填土的拱效应，使高填方涵洞设计的土压力与实际受力相近，避免对土压力过高 或过低计算，使高填方涵洞结构设计安全可靠，经济合理；同时，由于高填方涵 洞的土压力较大，其结构尺寸和地基处理费用亦将增大，为节约其造价，减小高 填方涵洞结构尺寸，论文还将提出有效而可靠的减载措施与减载结构设计理论和 设计方法，供高填方涵洞及其它地下埋填洞室减载与结构设计参考应用，以使高 填方涵洞在大土压力作用下结构经济合理、安全可靠。 1 3 国内外研究现状与存在的问题 高填方涵洞是山区高等级公路的特殊排水结构物之一，其土压力计算和减载 方法属于深填埋地下洞室的土压力计算和减载问题，而这个问题的提出与研究程 度与个地区或国家的地形、环保和经济水平等因素有关。例如，欧美等国和地 区的地形高差与中国差别较大，经济发达，公路设计、建设更重视环保，在设计 施工中要求尽量少破坏天然山体，逢山挖洞，遇沟架桥，尽量减少高填深挖路基， 保护环境，在同样公路等级和地形条件下，其高填方路基和高填方涵洞很少，因 此，这些发达国家虽然已具有完善的高速公路网，高速公路已基本建完，但有关 高填方涵洞的研究成果较少，而有关低填方涵洞或明涵的试验与研究成果则较多； 而中国是一个多山的国家，尤其是西南和西北部分地区，地势起伏大，在高等级 公路的设计和修建中更强调对公路线形标准的要求，目前正处于高等级公路建设 的快速发展时期，高填方路基及与之相应的高填方涵洞较多，高填方涵洞的结构 设计与应用的问题比较突出，因此对高填方涵洞的研究相对较多7 轴6 4 j 1 9 1 口9 剐1 吲， 4 但是都处于一种解决施工应用中问题的水平 9 1 1 9 9 ) 9 7 】【1 0 9 】，对涉及高填方涵洞设计核 心问题的土压力计算理论的研究成果很少见到，雨对高填方涵洞减载方法问题的 研究则仍然停留在实验室研究探讨的水平上，所见到的报道成果更少【7 1 。国内外有 关高填方涵洞土压力计算理论和减载方法的研究现状如下。 1 3 1 高填方涵洞土压力计算方法的研究现状与存在的问题 1 研究现状 高填方涵洞的土压力计算属人工深填埋地下洞室的土压力计算问题，其问题 的核心是在计算高填土中填埋洞室的土压力时是否应该考虑拱效应? 如何考虑拱 效应? 在不同地基条件下土压力计算如何考虑地基条件与沉降对涵洞土压力的影 响? 关于对这些问题的研究最早始于水利水电工程地下填埋沟管的土压力计算， 这些排水结构物的特点是尺寸较大，填土高，但填土的压实可不考虑对地面结构 物的影响在国际上，专门对公路高填方涵洞的土压力计算问题进行的研究则因 各个国家和地区的地形条件密切相关，具有一定的特殊性，因此不同国家对这个 问题研究的深度和广度及重点明显不同就我国而言，在东南沿海地区和北方地 区，地势平坦，高填方路基较少，高填方涵洞也很少，因此，高填方路基和高填 方涵洞的问题较少；而在西南的云贵川及陕西等西部部分地区，地势起伏大，在 过去的公路修建过程中，由于道路等级低，线形标准低，公路线形基本是随弯就 弯，高填方路基很少，1 5 m 以上的高填方路基很少，高填方涵洞也不多见，因此 公路桥涵设计标准图的涵洞最大填土高度也仅为1 2 m 1 2 0 ，但是，随着公路等级的 提高与大量山区高等级公路的修建，为满足公路的较高线形标准要求，过山沟地 带的高填方路基增多，这些低填方条件下的涵洞结构已不能满足山区高等级公路 路基排水的需要，高填方涵洞的结构设计问题就显得比较突出，已成为目前我国 山区高等级公路建设中的重要研究课题之一，文献【2 1 【3 】【6 【1 2 】【2 1 】 2 2 3 2 】【6 9 】在 这些方面都作了相应的研究与探讨 国内对高填方涵洞土压力计算理论的试验研究现状如下；文献 2 】在室内用砂 作填料，制作了1 2 5 x 1 4 5 x5 0 e r a 的室内模型，研究了地基刚度与涵洞刚度之差在 涵洞上引起的附加应力变化情况，得出了当涵顶与涵台外的沉降差为+ j 时，将使 作用于涵洞上的土压力盯，增大，反之使盯，减小，涵项附加土压力a o ，的大小完全 取决于参数占变化的结论，涵顶土压力可用公式盯，= ，+ 唧计算的土压力计算 方法，此方法的不足是无论填土有多高，作用于涵顶上的土压力仍用不考虑拱效 应的低填土条件下的土压力公式盯，= ，h 计算，在高填土条件下得出的土压力将会 很大，因此不适合作高填方涵洞的土压力计算，其次，这种方法考虑了由涵顶填 土与涵台j l - + 沉降差产生的附加剪应力作用，而这种作用在高填土条件下将可以 忽略，因此也不适用于高填方涵洞的土压力计算。文献 4 5 用1 ：2 5 的相似比在室 重庆大学博士学位论文 内制作了2 0 0 x 2 0 0 x 1 5 0 c m 的三维模型，碎散体用碎石与河砂作碎散体模拟材料， 研究了涵洞的应力随填土高度变化的情况，其研究结论表明，随着填料高度的增 加，涵洞拱上的压力增大，但并不成线性增加，当填方层厚度大于5 倍涵洞宽度 之后，涵洞拱上的压力小于自重压力，并且证明，碎散体沉降在涵洞的拱上产生 负摩擦力，使拱上压力大于碎散体自重应力这一结论的局限性，与文献【2 】所得结 论相反，三维模型实验还证明碎散体能够形成压力拱，压力拱形状为半椭圆而不 是抛物线，进一步推导出了碎散体涵洞的半椭圆形压力拱曲线，并以能否形成压 力拱为条件，提出了划分深埋洞室与浅埋洞室的填土高度，即，深埋洞室的填土 高度为： 舱矛碡2 a 而 能形成全压力拱的浅埋洞室的填土高度为： h= 竺 智2 ( 4 5 。一伊2 ) 增妒 ( 式中2 日为涵洞的孔径，审为填土的内摩阻角) ，最后还推导出了不同条件下碎散 体高填方涵洞拱顶的土压力计算公式；其研究还表明，现行涵洞土压力计算理论 与实际揽测结果相差较大，不适应于高填方涵洞的土压力计算，涵洞的旌工不是 在碎散体中开挖洞室，而是在涵洞拱结构上堆填碎散体，涵洞拱上的应力取决于 涵洞的整体刚度和高填方层的厚度与刚度。在应用方面，文献【6 根据文献 2 的研 究结论，现场进行了对比试验与验证，通过土压力和路基顶面沉降测试，证明了 文献【2 的一些假设；文献【3 】根据隧道的卸荷拱理论，将涵洞顶部2 4 5 3 m 高的填土 压力减为按l o m 高设计，修筑了1 跨3 m 的拱涵，拱圈厚o 4 0 m ，用7 5 萍浆砌片石 砌筑，拱圈的矢跨比1 2 ，采用土牛拱胎施工，在施工过程中，当填土到1 8 m 高度 时，拱圈上出现了顺涵的纵向裂缝，裂缝从上游拱脚处斜向延伸至下游洞口另一 侧的拱脚处，在中部近拱顶处约8 o m 处的一段内裂缝最宽达1 嘶m 以上，但裂缝 经过一个多月观察未发展，后来也未进行加固，继续填筑，直到设计标高，最后 整道涵洞未作加固，裂缝亦尚未发展，趋于稳定，文献建议在高填土涵洞设计中 可以采用卸荷拱理论，以减少一部分土压力，使涵洞结构经济，同时文献还分析 了施工过程中产生裂缝的原因主要是涵洞的一岸出现滑坡，以及填土未能充分压 实所致，这是典型的用卸荷拱理论，考虑高填方涵洞拱效应而设计的涵洞，为后 来高填方涵洞设计是否应该考虑拱效应提供了重要的现场试验案例。文献 f 1 3 2 4 【7 4 】f 7 5 】【7 6 【7 7 【7 8 f 7 9 则通过数值模拟分析对高填方涵洞的结构受力和影 6 1 绪论 响高填方涵洞受力的因素进行了分析计算和研究，从理论上对高填方涵洞的受力 机理进行了探讨。 高填方涵洞的涵位变化较大，其基础的地质条件也很不同，而高填方涵洞的 土压力较大，对基础要求较高，在地基承载力较低条件下，将由于地基处理方法 的不同而对涵洞工程造价有重要影响，因此，在国内对高填方涵洞研究的另一个 主题是关于高填方涵洞的地基加固处理【2 1 】 b 2 】【8 6 【9 7 】【9 8 】 9 9 】 1 0 4 】【1 0 5 】【1 0 7 1 ，这些文献从工 程应用的角度介绍了基础破坏引起涵洞破坏的实例、高填方涵洞的基础设计、加 固处理方法等，对高填方涵洞的基础设计、加固方法以及设计中对基础的考虑有 一定的指导意义，是高填方涵洞结构设计和研究的重要课题之一，尽管目前的研 究仍在工程应用的水平上。 在国外，像欧洲、美国等国家和