（岩土工程专业论文）高填路堤下涵洞结构型式研究.pdf

摘要 西部地区特殊的地理条件使得高填路堤涵洞在西部公路建设中大量存在，其功能 与小桥类似，而造价和施工条件要求又低得多，故得到设计和施工人员的优先选择。 同时，在涵洞设计、施工过程中，如何能够克服现行公路砖石及混凝土桥涵设计规 范中关于高填路堤下涵洞计算的不足，在保证工程质量的前提下，不断提高设计效 率，并且从各种因素的角度出发进行涵洞断面设计，是一个十分重要的课题。本文运 用有限元仿真数值分析方法对高填路堤下涵洞的典型断面型式问题进行了分析研究， 得出一些有意义的结论。 1 阐述了高填路堤下涵洞的荷载特征，总结了不同结构型式的涵顶土压力集中系 数并与铁路规范进行了比较；分析讨论了地形对涵洞受荷的影响及较为常用的涵洞减 荷措施；介绍了上埋式管道垂直土压力的几种主要计算公式，指出了各种公式的局限 性及其适用范围，同时还简要介绍了上埋式涵洞水平土压力的一般公式。 2 论述了高填路堤下涵洞有限元分析的原理、方法和步骤。采用有限元方法分别 对常用几何尺寸不同填土高度下的拱涵、圆管涵、箱涵、盖板涵进行了建模计算，得 出了不同工况下各种结构型式涵洞的受力性状。 3 结合有限元应力云图及有限元计算结果对不同工况下不同结构型式涵洞的控制 断面环向应力及控制设计的弯矩进行了分析，绘制了弯矩图。计算结果表明：采用有 限单元法计算、分析涵洞结构受力性状可以合理地反映出土体和结构的共同作用，因 此计算结果比一般方法更接近实际。 4 论述了不同结构形式涵洞的结构简化计算方法并对有限元方法计算结果进行了 验算比较，两种方法计算结果相近，验证了本文有限元建模的合理性以及计算的准确 性。 5 运用涵洞设计软件对圆管涵的有限元计算结果进行了验算补充。并以甘肃兰临 高速公路上某涵洞实体工程为例对有限元计算推导出的结果进行了验证，充分说明了 运用本文有限元计算结果与传统设计方法结合推导出涵洞典型断面参考数值表是可行 的。 6 运用有限元结果并结合结构简化计算方法与涵洞设计软件论述了高填路堤下涵 洞的典型断面型式，给出了参考数值表，为设计提供服务。 关键词：高填路堤涵洞涵洞土压力涵洞结构有限元典型断面型式 a b s t r a c t t h e r ea r em a n yh i g h s t a k e ds o i le m b a n k m e n tc u l v e r ti nt h ew e s th i g h w a yc o n s t r u c t i o n ， w h i c hc a u s e db yt h es p e c i a lg e o g r a p h yc o n d i t i o n t h ef u n c t i o no fc u l v e r ti ss i m i l a rt o b r i d g e s c o m p a r e dt ob r i d g e ，t h ec o n s t r u c t i o nc o s to fc u l v e r ti sl e s sa n dt h ec o n d i t i o no f c o n s t r u c t i o nr e q u e s t e di sl o w e r s oi ti st h ef i r s tc h o i c eo fd e s i g n e ra n dc o n s t r u c t o r a tt h e s a m et i m e ，d u r i n gt h ec u l v e r td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，h o wt oo v e r c o m et h es h o r t a g ei n c a l c u l a t i o na b o u th i g hf i l l st h ee m b a n k m e n to ft h ec u l v e r tc a l c u l a t i o nw r i t ei nt h ep r e s e n t ”r o a db r i c k sa n ds t o n e sa n dc o n c r e t ea r c ho f b r i d g e sd e s i g ns t a n d a r d ”a n da f t e rt h i n k i n g f r o me a c hf a c t o ra n da n g l ea n de n s u r i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yh o wt oe n h a n c et h er a t e d c a p a c i t ye n dt oe n d ，a r ev e r yi m p o r t a n tt o p i c s t h i sa r t i c l ei sa b o u ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f h i g hf i l l si nt h ee m b a n k m e n tc u l v e r tt y p i c a ls e c t i o np a t t e r n t h em e a s u r eu s e di na n a l y s i s a n dr e s e a r c hi sf i n i t e e l e m e n tm e t h o d a n ds o m es i g n i f i c a n c ec o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e d f r o mt h a t t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e sf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 e l a b o r a t i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i c so f h i g hf i l l si nt h ec u l v e r te m b a n k m e n t ；s u m m a r i z i n g e a r t hp r e s s u r ec o e f f i c i e n to ft h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ep a t t e ma n dc o m p a r e dw i t ht h er a l k o a d s t a n d a r d s ；a n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo ft e r r a i nt oc u l v e r ta n dt h ec o m m o n l y m e a s u r ew h i c hu s e dt or e l e a s et h el o a do fc u l v e r t ；i n t r o d u c i n gt h em a i nf o r m u l aw h i c ha r e u s e dt oc a l c u l a t et h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r e ；a n dp o i n t i n go u te a c hk i n do ff o r m u l al i m i t a t i o n a n dt h ea p p l i c a b l es c o p e a tt h es a m et i m ei n t r o d u c e dt h eg e n e r a lf o r m u l ao f h o r i z o n t a le a r t h p r e s s u r eo f t h eb u r i e dc u l v e r t 2 e l a b o r a t i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r i n c i p l e ，t h em e t h o da n dt h es t e p ，d e d u c t i n g m a i nf o r m u l ao ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw h i c hu s e di n h i g hf i l l e d i nt h ec u l v e r t e m b a n k m e n t u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h es i z eo fd i f f e r e n td e p t ha b o u t f i ua r c hc u l v e r t ，t h ec i r c u l a rp i p es l a bc u l v e r t ，t h el a pc o n t a i n ss e p a r a t e l y , b a s e do nt h em o d e l b u i l d i n g o b t a i ne a c hk i n do fs t r e s sc h a r a c t e ro fs t r u c t u r ep a t t e r nc u l v e r tu n d e rt h ed i f f e r e n t o p e r a t i n gm o d e 3 c o m b i n i n gf i n i t ee l e m e n ts t r e s sc l o u d yc h a r ta n dt h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t e dr e s u l t o ft h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ep a t t e mc u l v e r tc o n t r o lc r o s ss e c t i o nl i n ka n dc a r r y i n go nt h e a n a l y s i st ot h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d ew h i c hi su n d e rc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sa n dt h ec o n t r o l d e s i g no ff l e x u r a lt o r q u e ，d r a w i n gu pt h ef l e x u r a lt o r q u ed i a g r a m t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tu s i n gt h el i m i t e du n i tl a wc o m p u t a t i o n ，a n a l y z i n gt h ec u l v e r ts t r u c t u r es t r e s s c h a r a c t e ra r ep o s s i b l er e a s o n a b l yt or e f l e c tt h es o i lb o d ya n dt h es t r u c t u r e sf u n c t i o n ， t h e r e f o r et h ec o m p u t e dr e s u l t sc o m p a r e dt ot h eo r d i n a r ym e t h o di st oa p p r o a c ha c t u a l 4 e l a b o r a t i n gt h es i m p l i f i c a t i o nc o m p u t a t i o n a lm e t h o do fd i f f e r e n ts t r u c t u r a ls t y l e c u l v e r ts t r u c t u r ea n dc o m p a r i n gt h er e s u l t s t w om e t h o dr e s u l t so fc a l c u l a t i o na r ec l o s e l y t h e s ec o n f i r m e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sr a t i o n a l i t ya n dt h ea c c u r a c yi nc a l c u l a t e 5 u s i n gt h ec u l v e r td e s i g ns o f t w a r et oc h e c kt h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l tw h i c h c o n t a i n e dt ot h ec i r c u l a rp i p ea n dm a k i n gs u p p l e m e n t b a s e do nt h ep r o j e c to fl a n l i n h i g h w a yi ng a n s up r o v i n c e ，p r o v e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o nr e s u l t s a l lo fa b o v e f u l l yd e m o n s t r a t e dt h a ti nt h i sa r t i c l e ，t h ec u l v e r tt y p i c a ls e c t i o nr e f e r e n c ei sv a l u a b l ew h i c h i n f e r r e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o m b i n i n gt ot h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d 6 u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t sc o m b i n e dt ot h es i m p l i f i c a t i o nc o m p u t a t i o n a lm e t h o d o fs t r u c t u r ea n dt h ec u l v e r td e s i g ns o f t w a r eh a se l a b o r a t e d h i g h f i l l e di nu n d e rt h e e m b a n k m e n tt h ec u l v e r tt y p i c a ls e c t i o np a t t e m ，h a sp r o d u c e dt h er e f e r e n c ev a l u et a b l e ，a n d p r o v i d e dt h es e r v i c ef o rt h ed e s i g n k e yw o r d s ：h i 曲f i l l si nt h ee m b a n k m e n tc u l v e r t ，e a r t hp r e s s u r e ，c u l v e r ts t r u c t u r e ， f i n i t ee l e m e n t ，t y p i c a ls e c t i o np a t t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 心巩 捌年彳月，毋日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 膳支吹 n 洲年4 月，孑日 。肋6 年彳月谚日 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来，在高速公路以及山区公路设计中，高填方路堤下设置的涵洞工程越 来越多，以前由于修建的公路等级不高，也很少碰到高填方问题，近十几年来， 随着我国经济建设的迅速发展，我国公路、铁路建设事业也飞速发展起来，高等 级公路在全国各地大量修筑，高等级公路的修建( 特别是山区) 不仅造成大量的 高填方路堤，而且路面等级的提高对涵洞提出了更高的要求。当路线跨越深沟或 穿过地面障碍以及修筑高桥引道时，局部路段也有可能采用高路堤方案。 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，致使涵洞病害不断产生，严重影响到了高等级公路的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，由 于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，导致涵洞设计在结构上浪费材料，造成的经济损失也十分巨 大。同时，因涵洞型式选择的差异以及施工工艺不当等导致涵洞结构体尚未运营 而认为破坏的实体工程亦很多。 近几年来，已有很多专家针对不同的地基类型、填土高度、涵洞类型及埋设 条件、埋设方式、填土速度、施工方法等有过不同程度的研究，得出一些特定条 件下的涵洞设计理论，为高填土涵洞的理论完善起到了非常重要的作用，但这些 方法大多是从涵土共同作用方面考虑，对涵洞结构自身的受力性状以及如何选择 合理的断面型式方面研究甚少。为此，本文利用大型有限元软件m a r c 并结合涵 洞设计理论对高填路堤下涵洞结构典型断面型式进行研究。 1 2 研究现状述评 当设置涵洞时，会对其上部填筑体的应力场和位移场产生影响，反过来，上 部填筑体的位移场和应力场也会改变涵洞的应力状态，这就是涵洞与上部建筑体 的相互作用，因此研究涵洞结构本身的受力性状就必须考虑它的荷载特征。涵洞 本身的荷载特征具体的说就是研究涵洞周围的土压力分布及取值，以及因埋设方 式的不同而决定的涵洞受力特征。只有正确论定了涵洞周围的土压力分布及取 值，才能够对涵洞进行合理的结构计算和结构型式设计，有效指导涵洞的施工， 减少涵洞病害的产生。 高填路堤的埋管方式大致可以分为两类：沟埋式和上埋式。沟埋式是先在天 然场地中开挖沟槽至设计高程，放置涵管后，再回填沟槽至地面高程，分析这类 埋管所受的垂直土压力时，沟槽外原有的土体，可以认为不再发生变形，而沟内 管顶上回填新土，在自重及荷载作用下要发生沉降变形。因此，槽壁将对新填土 的下沉产生摩阻力，方向向上，沟内回填土的一部分重量将被两旁沟壁的摩阻力 所抵消，从而使得作用于管顶上的垂直土压力仃。一般小于涵管之上沟内回填土 的重量，即仃。 r h ；上埋式是将管道直接埋设在天然地面或潜沟内，然后再在 上面回填土至设计地面。由于地面以上是新填土，在自重及外荷载作用下，都要 产生沉降。但管道直径以外的填土厚度大于管顶填土厚度，且涵管填土的压缩性 又较刚性管本身的压缩性大得多，因而使得直接位于涵管上部土柱得沉降量小于 涵管以外土柱的沉降量。以此竖直土压力仃。将大于管上回填土柱的重量，及 仃。 用。 在高填路堤下情况下，涵洞形式多为上埋式。垂直土压力的大小是决定涵洞 结构断面尺寸的主要因素，几十年来，涵洞的受力分析得到了国内外众多学者的 广泛重视，并不断有新的理论与实用计算方法被提出。 1 2 1理论研究嘧。”r h ”1 到目前为止，对上埋式管道土压力已经提出了近二十种计算公式，归纳起来 大致可分为五类：从散粒体出发的极限平衡理论；采用土压力系数的计算方 法；从变形条件出发的弹性力学计算方法；假定土压力与填土高度成比例的 计算方法；假定涵顶填土存在“卸荷拱”。 美国衣阿华州立大学的a n s o nm a r s t o n 教授，1 9 1 3 年发表了论文沟埋管 道荷载理论及水泥管、陶土管和污水管的试验，开创了埋管土荷载计算方法的 先河，此公式就是现在公认的m a r s t o n 公式。m a r s t o n 首先利用散体极限平衡条 件提出一个沟内埋管上垂直土压力的计算模型，并推导出计算公式，然后将其进 一步推导至上埋式管道垂直土压力的计算。m a r s t o n 公式的提出有以下三个假设： ( 1 ) 剪切面假定：沿管道水平直径两端点，向地面引垂线，交于a 、b 。垂线8 t a 与b b 把管周土体分割为三部分：管顶上方为内土柱，其两侧为外土柱。在土 体沉陷变形过程中，内外土柱通过其界面a a 、b b ( 即剪切面) 作相对运动， 并产生剪切力；( 2 ) 极限平衡状态假定：内、外土柱间的相对运动，用极限状态 表示：( 3 ) 管顶垂直土压力分布按抛物线假定。另外，m a r s t o n 运用了等沉面的 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 增加而逐渐减小，当填土高度达到某一临界值h e 后，这种差异可忽略不计，h 。 以上填土认为是均匀沉降，相应于日。的平面，称为等沉面。图1 一l 是m a r s t o n 计算假设图，图卜2 是上埋式管道计算模型图。 图1 - 1m a r s t o n 计算假设图 图卜2 m a r s t o n 上埋式管道计算模型 【z * e 在管顶内土柱内，取出高度的微土体作为隔离体，作用其上的力系，在z 轴方向的合力为零( 尼= o ) ，列平衡方程式： d 盯：+ y d 出+ 2 仃：k ，出= d ( d ：+ 如：) ( 1 1 ) d o 2 或 i 一言。= 叫 求解微分方程得出： 由边界条件z = 0 ， c 一：业 2 则有： 咿等( e 2 肛- 1 ) 其中，当z = h 时，作用在管顶的垂直土压力合力g ，为： q = 错肛卅 m ：， 式( 卜2 ) 可改写为： g ，2 k ，y h d ( 卜3 ) 舯 弘去笋肛叫 k 。即为上埋式管道垂直土压力集中系数。 式( 卜2 ) 、( 卜3 ) 的适用条件为填土高度h h 。，即滑动面达不到填土全部高度h ，而只发生在h 。范围 内， m a r s t o n 提出在一h e 部份的土体为均匀沉降，并按均布土压力施加于等 沉面上，此时改变边界条件：将z = h h 。时仃：= y 旧一h 。) 代入式( 卜1 ) 中便得到： 仃( h - h e ) 一z 。h + c 肛丁h - h , ：y ( h 一日。) 一2 + l 28“2y 一爿ej 求解后得： 昏除+ y ( 。p 蜉 4 舭 代入式( 卜1 ) ，并令z = h 便有： 旷等( e 2 肚_ 1 ) 州m e 2 胆 ( 1 _ 4 ) 这样，管顶垂直土压力的合力为： 睁错胆_ 1 ) 竹d ( e 班告m 。， 可改写为k 。表示形式，即： g ，= k s y h d ( 卜6 ) k ，：上旦伯2 胆一1 ) + 堡旦e 2 压告 苴中 5 2 f kh 。 。 日 上述公式中，还需要确定的计算参数有f 、和日。厂代表剪切面上的摩 擦系数，一般取用t a n g o ，舻为填土的内摩擦角；k 表示侧向土压力系数，其值介 于主动土压力系数k 。和静止土压力系数之间，m a r s t o n 采用主动土压力系数 k 。；m a r s t o n 根据等沉面必须满足管顶外土柱的总沉降量，等于管道基础的沉 降量加上管子本身的变形量以及管顶内土柱的压缩量之和的条件，较为粗略地提 出：h ，= 2 2 5 d 。通过制定k 。4 0 曲线，可以简捷的得到管顶的垂直土压力。 对于埋管侧向的土压力盯，m a r s t o n 建议在求得埋管的垂直土压力d ，之后，可 直接代入口。= 七盯：中，对于刚性管道，k 取用土压力系数k 。 m a r s t o n 第一次在管涵垂直土压力计算理论中指出：管涵埋设的填土方式( 沟 埋式、上埋式) 、管、土的相对沉降量，都将直接影响到管顶的垂直土压力。另 外m a r s t o n 公式的应用，使人们摒弃了涵管土压力以卸荷拱理论为基础的隧洞土 压力计算法，避免了管涵由于土压力计算偏小而可能造成的工程事故。另一方面， 马氏“等沉面”概念的提出，也为进一步研究管涵土压力提供了理论基础。 m a r s t o n 等沉面高度是根据假定推导出来的，m a r s t o n 的学生m g s p a n g l e r 也提出了不同的假定来确定h e 值。他认为：无论直接作用在管子上的土柱沉降， 还是其侧面填土沉降都会使直接位于管上的填土体产生压力，而且管子侧面的土 压力均布作用于包括管径部分的全宽度上，因此所得h 。的计算公式不同于 m a r s t o n 公式。同时，发展了柔性管道的计算方法和理论，推导出衣阿华公式。 前苏联的克列恩博士( r k xnenh ) 对弹性理论公式计算结果与松散体 极限平衡理论计算结果进行比较，提出了上埋式涵管管顶土压力集中系数。捷克 的普鲁什卡( m l p r u s k a ) 于1 9 6 1 年发表论文，提出了坝下上埋式管道的计算 方法。他假定坝身是均匀和各向同性的，或者由水平成层的均质土组成，运用虎 克定律提出了由于不均匀变形而引起管顶除土柱自重以外的次生力尸的观点，然 后用弹性理论应力公式求得次生力p ，从而得到管顶的土压力。 1 9 6 0 年，曾国熙教授对m a r s t o n 公式作了修正。m a r s t o n 公式中滑动面上的 摩阻力r ，是根据朗肯土压力理论，将管顶内土柱出高度的微土体上作用的土压 力乘以主动侧向土压力系数得到其水平侧向力，然后再乘以土的摩擦系数而得到 的，其中略去了土的粘聚力。曾国熙认为滑动面上的摩阻力r 是外土柱对内土柱 的作用力，应将它表示为外土柱对内土柱的主动侧向土压力进行计算，同时不应 将土的粘聚力略去不计。据此，曾国熙对m a r s t o n 公式进行修正，推导了管顶垂 直土压力的计算公式。刘祖典教授于1 9 6 3 年也对m a r s t o n 公式进行了修正，使 计算结果更接近于管道的实际受力情况。 1 9 6 3 年，顾安全教授将影响涵洞洞顶垂直土压力的各种因素归结到涵顶平 面内外土柱沉降差6 这一变量上。涵顶平面外的土柱沉降量大于内土柱的沉降 量，则沉降差为+ 6 ，反之为一6 。+ 6 引起涵顶的土压力集中，使涵顶的垂直 土压力大于其上的土柱自重；而一6 则引起涵顶的土压力分散，即涵顶的垂直土 压力将小于其上的土柱自重。顾安全假定涵顶填土中的应力分布与半无限均质线 性变形体内的应力分布相当，以刚性涵洞、基础与地基为推导公式的基本前提， 从变形条件出发，以弹性理论为基础得到涵顶垂直土压力计算公式： y ( 日+ 昙) e 仃= r h + l _ 一订 。 。d ( 1 一2 ) e 。 f 1 7 、 可改写为 g ，= k s t y h - d f 1 + 旦、加 一 弘兹叩 其中： c u ( 1 一p j 止6 式中：h 一涵洞凸出地面高度； e 一涵项以上填土的变形模量； e 一涵洞两侧同高度h 填土的变形模量； “一涵顶填土的泊松比； ，一与刚性涵洞的长宽比( t d ) 有关的系数，可查表得到； 叶一涵洞截面( 包括基础) 的外形影响系数，7 7 = d 。d ，d 。为截面换 算宽度，按地面以上的截面面积爿与涵洞凸出地面高度h 之比确 定，即d = a h 。 式( 卜7 ) 又称顾安全公式，其观点新颖，与实测结果较吻合，己引入到我 国冶金部门制定相关的规范中。 涵洞埋设的地形因素对其受力也有较大影响。1 9 8 6 年，折学森利用室内模 型试验研究了地形条件( 沟谷地形中) 对涵洞受力的影响规律，同样以刚性涵洞、 基础与地基为推导公式基本前提，提出了沟谷地形中涵洞土压力计算公式，验证 了沟谷地形条件对涵洞受力的减荷影响。 同年，王晓谋利用室内模型试验研究了涵洞垂直土压力的减荷措施，通过在 涵顶铺设一定厚度的柔性材料( e p s ) ，研究柔性填料的厚度、变形模量以及涵洞 凸出地面高度等因素对涵顶垂直土压力的影响规律，从涵洞周围填土的变形入 手，以弹性理论为基础，应用叠加原理推出减荷条件下涵洞垂直土压力计算公式。 1 9 9 4 年，田文铎利用散粒体极限平衡理论和假设的计算模型推导了刚性管 道和柔性管道的土压力计算公式。1 9 9 6 年，肖勤学采取土中“压力拱”的概念 推导涵洞土压力计算公式。“压力拱”的概念早已被否定，其研究没有实际意义。 2 0 0 1 年，刘全林假定了管道变形后引起的土滑动体破坏形状，提出土压力计算 模型，推导出计算公式。2 0 0 2 年，王秉勇假设涵洞与其上填土形成一倒三角形 楔形稳定体，以此推导涵顶土压力的计算公式。本文认为所取计算模型有误，因 而得出的结果与实际不符。韩拴奎、刘成志、冯忠居等人也对涵洞的受力进行了 大量的理论和实践研究工作。 1 2 2 现场测试研究 1 9 8 9 年，林选青汹1 结合高填土下构筑物的几种土压力计算方法，针对几种 典型土质条件，进行了涵洞土压力现场测试研究。共选择了三个典型断面，测试 内容包括：涵洞断面及两侧土体的竖向土压力、边荷载、地基、涵洞及其两侧土 体的沉降、结构内应力、地基反力。测试段填土高度达到2 5 m ，取得了较好的测 试成果，测得的垂直土压力集中系数大都在1 2 1 5 之间。这次试验是至今为 止的规模最大、内容最全的一个现场测试。 2 0 0 2 年，金滨“”依托广东惠河高速公路，选取某一石拱涵进行现场测试试 验，对涵顶填筑柔性材料后取得的减荷效果进行研究。此次试验以e p s 板作为主 要研究对象，讨论了对应不同填土高度、不同减荷材料厚度与最佳减荷效果三者 之间的关系。测试断面最高填土高度达2 9 m 。此次测试共布设2 5 个压力盒，没 有涵洞全断面压力分布的测试，不同测试方案之间间距较小，仅为6 m 。 2 0 0 1 年，项目组在广州北二环高速公路共选用六个断面进行全断面土压力 测试，取得了良好的测试成果。测得拱涵洞顶土压力集中系数k 值大都在 1 5 2 0 之间；盖板涵洞顶土压力集中系数k 值大都在1 2 1 5 之间。本测试研 究了涵洞全断面土压力的分布和不同结构形式涵洞对涵顶土压力的影响。同年， 项目组依托甘肃天谗公路建设，选取四个混凝土预制块拱涵断面进行全断面土压 力测试，并埋设沉降杯观测涵顶平面土层的沉降变形。本次测试也取得较好的测 试成果，其中考虑了沟谷地形对涵洞受力的影响，土压力集中系数出现小于1 的 结果。并验证了涵顶土层在堆填过程中不均匀沉降而形成曲面的现象。 1 2 3 有限元计算 1 9 9 4 年，郝宪武“5 1 利用编制的有限元程序，采用弹粘塑性土体模型研究了 上埋式涵洞洞顶垂直土压力问题。1 9 9 7 年，白冰利用有限元软件研究了涵洞洞 顶铺设e p s 板后对涵顶的减荷效果。并计算了采用该法后涵洞周边土压力的变化 和分布。但其论文未说明所使用软件，且几何计算范围较小。 2 0 0 0 年，项目组采用大型商业有限元软件m a r c ，建立涵洞受力变形的三维 及平面模型，土性材料选用m - c 屈服准则进行计算，研究涵洞受力变形特性，分 析了地形、地基土性、填土土性、涵洞断面形式等因素对涵洞土压力的影响。 1 3 研究思路和方法 本文的研究思路和方法可采用流程图表示，见图卜3 所示： 1 理论分析部分：主要结合前人经验及涵洞设计规范，对涵洞结构简化计 算方法进行分析论证。 2 计算部分：采用有限元仿真与规范设计软件计算结合的形式，对不同荷 载特征下涵洞受力特性进行对比，获得不同几何形式下，不同涵洞截面尺寸，不 同埋设方式，有无柔性填料等工况，进而求出涵洞应力与内力随这些因素变化导 致的涵洞结构受力状况变化的规律，并找出主要因素，推理分析出涵洞结构典型 断面型式。 3 试验部分：采用甘肃兰临高速公路涵洞施工工程进行验证。 1 4 主要研究内容 针对涵洞结构典型断面研究方面存在的局限性，本文将利用有限元数值方法 仿真，并与理论计算对比，实体工程验证的方式，对不同荷载情况下涵洞结构受 力特性，进行研究和探讨，并提出不同的涵洞几何型式下涵洞结构的合理断面。 主要研究内容如下： 1 高填路堤下涵洞的荷载特征 2 高填路堤下涵洞结构的受力性状 3 高填路堤下涵洞的结构简化计算方法 4 高填路堤下不同涵洞结构典型断面型式 图卜3 研究流程图 9 第二章高填路堤下涵洞的荷载特征 研究涵洞结构本身的受力性状首先必须考虑它的荷载特征。涵洞本身的荷载 特征具体的说就是研究涵洞周围的土压力分布及取值，以及因埋设方式的不同而 导致的涵洞不同的受力特征。只有正确论定了涵洞周围的土压力分布及取值，才 能够对涵洞进行合理的结构计算和结构型式设计，有效指导涵洞的施工，减少涵 洞病害的产生。 2 1 涵顶土压力集中系数 作用于涵洞结构上的土压力主要分为垂直土压力和水平土压力两种，而高填 方涵洞结构设计的控制荷载即垂直土压力，垂直土压力计算，国内外采用的公式 较多，计算结果偏差较大，而且计算过程较为复杂。主要有以下几种计算方法： 1 公路桥涵设计规范第2 2 3 条规定，对于上埋式涵管填土的重力对桥 涵的竖向压力和水平压力按下式计算： 竖向压力pv 2 ( 2 1 ) 水平压力 巧= z y - ( 2 2 ) 式中： y 一土的容重； h 一计算截面至路面顶面的高度； a 一土压力系数，a = t a n 2 ( 4 5 一毋2 ) ； 西一填土内摩擦角。 2 现行铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 - 9 9 ) 该规范对涵顶填土的竖 向压力和水平压力的计算有如下规定： 竖向压力p2kth( 2 3 ) 水平压力 82 r h 一 ( 2 4 ) 式中： h 一涵顶填土高度； h ，一计算位置的填土高度； y 一填土容重； f 一水平土压力系数，经久压实土取o 2 5 ，新填土取o 3 5 ； k 一根据h d ( d 为涵洞外部宽度) 确定的系数，对经久压实土取1 0 。 公式( 1 3 ) 中的k 对新填土而言是一个大于1 的系数。铁路规范给出了一个 参考取值表，如表2 - 1 所示。 表2 1 铁路规范k 值表 h j do 1o 51234 k1 0 4 1 21 41 4 51 51 4 5 h ? d567891 0 丘1 41 3 51 31 2 51 21 1 5 表中的即为涵顶土压力集中系数，d 为涵洞的外形宽度，k 值随填土固结 的逐步完成而逐渐接近1 o 。公路工程中，拱涵拱圈一般在填土完成后很短时间 内就开裂，但大多数时间的推移不再发展与此有一定关联。 表2 - 2 a 拱涵土压力集中系数k 值表 对应足值 填土高度h ( m ) 净跨。( m ) 突出的地面高度( m ) 1 02 0 2 5 3 0 4 0 12 32 1 82 0 92 0 62 0 11 9 22 8 82 22 1 22 0 92 0 52 34 4 32 3 32 1 62 1 42 1 22 0 8 45 5 22 3 42 2 2 1 7 2 1 42 1 l 56 9 1 2 3 5 2 2 6 2 22 1 82 1 4 表2 - 2 b 圆管涵土压力集中系数k 值表 对应k 值填土高度h ( m ) 孔径d d ( m )突出的地面高度( m )1 02 0 2 5 3 0 4 0 0 5 0 6 21 9 31 _ 91 91 91 9 o 7 50 9 l2 0 51 9 21 91 91 9 11 22 0 91 9 31 9 11 91 9 1 2 51 4 92 1 321 9 31 9 11 9 1 51 7 82 1 4 2 0 4 21 9 31 9 1 铁路与公路规范的对比通过上面列举的两个行业桥涵设计规范的对比不难 发现，公路涵洞设计时填土的竖向荷载计算与铁路计算方法有较大差异。通过两 个规范的对比可以看出，公路仅计算涵顶土柱荷载，而铁路考虑了诸多因素，铁 路规范对涵洞顶荷载的计算考虑比较周全，用土压力集中系数反映填土对涵顶 的复杂作用。但值随f i ：d 变化的趋势比较明显地反映出，当h d 大于某个值后 值不再增加反而减小。 试验证明，土压力集中系数k 受诸多因素的影响，实际工程中应结合经验计 算、有限元分析，并考虑地形、施工等因素对其予以确定。为此，长安大学刘静 已经对此做过深入探讨，经过总结现将其列出，并为本文工作提供参考。 表2 - 2 c 箱涵土压力集中系数值表 对应世值填土高度h ( m ) 净高岛( )突出的地面高度( ) 1 02 02 53 04 0 1 51 7 81 9 71 8 31 8 21 8 11 8 22 3 21 9 81 91 8 71 8 51 8 1 2 5 2 8 8 21 9 71 9 1 1 8 81 8 2 33 42 21 9 81 9 2l i91 8 7 表2 - 2 d 盖板涵土压力集中系数k 值表 对应k 值 填土高度h ( m 1 标跨厶( m )突出的地面高度( m ) 1 02 02 53 04 0 1 51 6 61 9 61 8 51 8 31 8 218 22 1 61 9 81 9l8 6 1 8 21 8 1 2 526 621 9 51 8 91 8 71 8 3 33 1 82 0 21 9 61 9 21 8 91 8 5 4 4 2 2 2 0 5 1 9 8 19 4 1 9 41 8 8 04 7 52 0 71 9 91 9 61 9 51 9 1 2 2 地形对涵洞受荷的影响 埋设方式不同，涵洞受力情况和涵洞上土压力的计算方法也不同。在实际工 程中，由于埋设涵洞的地形、环境与要求不同，可能采用沟埋式，也可能采用上 埋式，还可能埋设在狭窄的天然冲沟内。对典型的沟埋式涵洞，当沟槽内填土固 结下沉时，必然遇到两侧未扰动土体的阻抗作用，亦即槽壁将对填土部分产生向 上的摩阻力( 剪力) ，使涵洞填土中产生拱效应。由于涵洞的刚度大于填土的刚 度，加之涵洞侧向回填土不易密实，导致涵洞顶应力集中。所以，沟埋式涵洞土 压力将受到两个不同方面的制约。对于上埋式涵洞，由于其与两侧填土变形性质 的差别，使得两侧填土相对于洞顶内土桩产生向下的相对位移。在洞顶平面上内 外土桩产生向下的相对位移。在洞顶平面上内外土桩间产生正的沉降差，从而导 致洞顶土体应力集中，使涵顶土压力大于土柱压力。 本文将主要研究上埋式涵洞在不同地形条件下涵洞结构的受力状况及其典 型断面型式。对于在v 型沟谷中埋设上埋式涵洞的情况，若坡角( 沟坡与地面的 夹角) a - 9 0 。，沟底宽口从小到大变化，或者沟底宽8 为一较小的定值，而坡 角a 从9 0 。到0 。变化，便可反映出涵洞从典型的沟埋式逐渐变化成典型的上埋 式的一系列过渡情况的地形条件。因此，沟埋式和上埋式的地形条件可以看作是 沟谷地形的两种特殊形式。 实际工程中，很多涵洞被布设在沟谷地形中。涵洞上填土，即沟谷内填土在 自重作用下的沉降过程中，必然会受到两侧天然边坡的阻抗，即天然边坡将对填 土产生向上的摩擦力，此时，涵洞的受力与变形与未考虑埋设地形时的情况不同。 以拱涵为例，讨论地形因素对于涵洞受力与变形的影响。 2 2 1 计算模型选定 某一实际沟谷地形，沟谷底部宽度b = 2 0 m ，两侧沟谷坡度a ：4 5 。，见图2 1 。 涵洞为混凝土现浇拱涵，埋设在沟谷中间位置，涵洞实际几何尺寸如图2 - 2 所示。计算填土高度为4 0 m ，在计算中对于地基不予考虑，计算中材料参数选见 表2 3 。 l ! 目b _ 一 图2 1 沟谷地形 。 l水泥稳定砂砾 图2 - 2 涵洞横断面图 表2 - 3 材料计算参数 变形模量弹性模量 容重 粘聚力内摩擦角泊松比 e o ( k p a )e d ( k p a ) y ( k n m 3 ) c ( k p a ) 击 填土1 9 1 0 4 2 x 1 0 41 83 02 1 0o 2 5 地基土 2 6 1 0 43 8 1 0 41 94 52 5 。o 2 2 涵洞 3 x 1 0 72 53 4 3 05 4 。o 1 5 垫层2 x 1 0 7 2 3 2 4 3 0 4 5 。 0 1 7 2 2 2 沟谷地形对土压力影响 计算得到上述计算模型下( 边坡坡度a = 4 5 。，沟底宽度b = 2 0 m ) ，涵顶的垂 直土压力集中系数k s 随填土高度h 的变化曲线，如图2 3 所示。 计算结果表明，随着填土高度h 增大，考虑了沟谷地形情况下涵顶垂直土压 力集中系数