（岩土工程专业论文）eps材料用于高填方涵洞减荷的工程性质研究.pdf

摘要 由于高填方涵洞所受荷载大，涉及到的受力因素多，而且复杂多变，因此在设计时 很难准确确定涵洞土压力的大小，加之按现行规范与手册计算的土压力又偏小，所以， 高填方公路涵洞在应用中常常会出现开裂、错位等一系列病害，如何采取措施能减小涵 洞上所受的土压力就很有意义。 本文对e p s 减荷材料进行了室内试验，并依托实际工程，对高填方涵洞采取减荷措 施，进行了一系列研究，论文主要做了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 通过室内试验研究了e p s 材料的一些物理力学性质。通过压缩试验得到了 e p s 材料的应力一应变关系，获得了该材料在受力情况下所具有的“线性一塑性一硬化 三阶段应变规律；通过对不同密度e p s 材料的研究，得到了它们在不同应变阶段时所对 应的压力值，并汇总到表格中，方便查用；通过对不同密度e p s 材料组合层的试验，得 到了组合材料的应力应变规律，为将组合材料应用于实际工程提供了参考；通过三轴压 缩试验，得到了不同围压下e p s 材料的变形特性。 ( 2 ) 通过现场试验，验证了减荷措施对涵洞受力的有利影响。通过对涵顶减荷段 与不减荷段的应力对比，得到了减荷措施对减小涵顶受力的作用；通过对涵洞土压力系 数随着填土高度变化规律的总结，得到了减荷措施对减小涵洞受力所达到的最终效果， 即土压力值减小到土柱压力的1 2 1 3 ；通过对涵洞沉降的分析，直观的说明了采取减 荷措施对改善涵洞受力的明显效果；通过对涵周土压力分布图的绘制，从总体上说明了 减荷措施对涵洞周围受力的影响，得到了涵洞周围土压力分布的规律。 ( 3 ) 通过优化设计，说明了采取减荷措施对于优化涵洞结构，降低工程造价等方 面的作用，使得涵洞结构更加经济合理。 关键词：e p s 材料、高填方涵洞、减荷措施、涵洞土压力 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ym o u n t a i n si no u r sc o u n t r y , l a r g en u m b e r so fc u l v e r t sw i l lb eb u i l du n d e r h i 曲f i l le m b a n k m e n td u r i n gh i g h w a yc o n s t r u c t i o n h i g hf i l lc u l v e r tw i l lb u r d e nh i g hs o i l p r e s s u r e s o nt h eo t h e rh a n d ，m a n yu n c o n f i r m e da n dc o m p l i c a t e df a c t o r sm a k et h es o i l p r e s s u r e sh a r dt oc a l c u l a t e ，t h e r e f o r ed i s e a s e ss u c ha sc r a c k sa n dd i f f e r e n ts e t t l e m e n tu s u a l l y e x h i b i ta f t e rh i g hf i l lc u l v e r tc o n s t r u c t i o n e p sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r er e s e a r c h e df r o mas e r i e so fl a b o r a t o r yt e s t s w i t ht h e f i e l dt e s t ，l o a dr e d u c t i o nt h e o r yw a sr e s e a r c h e d m a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r el i s t e db e l o w ： ( 1 ) s o m ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fe p sw e r er e s e a r c h e da c c o r d i n gt ot h e l a b o r a t o r yt e s t s f r o mt h ec o m p r e s st e s t s ，t h er e l a t i o n s h i po fs t r e s sa n ds t r a i no fe p sw a s o b t a i n e d e l a s t i c ，p l a s t i ca n dh a r d e nd e f o r m a t i o ns t a g e sa r eu n d e r g o n ed u r i n gc o m p r e s s i o no f e p s i ne v e r ye p sc o m p r e s s i o ns t a g e ，c o m p r e s ss t r e n g t h sw i t hd i f f e r e n td e n s i t i e so fe p s w e r ea c h i e v e d ，a n dad a t as t a b l ew a sf o r m e dt oq u o t e f r o mt h ec o m b i n a t i o nl a y e r st e s t s ，t h e c o m p r e s s i o np r o p e r t yw i 吐ld i f f e r e n td e n s i t i e so fe p sw e r es t u d i e d ，w h i c hw i l lb eu s e di n f u t u r er e s e a r c h u s i n gt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s ，d e f o r m a t i o nb e h a v i o u r s 谢md i f f e r e n t c o n f i n i n gp r e s s u r ew e r ea i i a i n e d ( 2 ) f r o mt h ef i e l dt e s t ，i tv a l i d a t e dt h eg o o di n f l u e n c ea b o u tl o a dr e d u c t i o n t h e d i s c o u r s ec o n t r a s t e dt h ed i f f e r e n tm e t h o dw h i c hc a l lr e d u c et h ep r e s so rn o t ，t h er e s u l ti st h a t i fy o ur u d u c et h ep r e s so nt h eh i g hh i l lc u l v e r t ，i ti sg o o df o ri t f r o mt h es u m m a r i z ea b o u tt h e c h a n g eo ft h ep r e s su n d e rd i f f e r e n tf i l l i n ga l t i t u d e ，i tf o u n dt h a tt h el a s tp r e s s u r ej u s t1 2 1 3 t ot h eb e g i n n i n gp r e s s u r e a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t h eh i g hh i l lc u l v e r t ss e d i m e n t a t i o n ，i ti s c l e a r l yt h a ti ft h ep r e s so nt h eh i g hh i l lc u l v e r ti sc u to f f , t h ep r e s sa r o u n dt h ec u l v e r tw i l lb e a m e l i o r a t e d f r o mt h ed e s c r i b eo ft h ep r e s sa r o u n dt h ec u l v e r t ，t h er u l ew a sf o u n d e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a ld e s i g no fc u l v e r t ，l o a dr e d u c t i o nm e t h o dc a nm i n i m i z et h e s t r u c t u r es i z e so fc u l v e r ta n dp r o j e c tc o s t ，t h e r e b yt h es t r u c t u r ea n dc o s to fc u l v e r ti sm o r e r e a s o n a b l e k e y w o r d s ：t h ee p s ；t h eh i i g h f i uc u l v e r t ；l o a dr e d u c t i o nm e t h o d ；t h ep r e s so nt h ec u l v e r t l l 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王彳灸了扣2 ，9 罗年乡月寥日 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：上使休2 口口9 年乡月ge t 导师签 名：多刮暴 力。7 年石月彦日 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着我国经济实力的不断增强，高等级公路建设迅速发展，在高等级公路建设中， 为了穿越山区和丘陵地带，高填方涵洞( 管) 大量出现，然而对于涵洞的设计与理论计 算至今仍停留在过去的水平上，尤其是设计手册和规范中的土压力问题，导致计算结果 和实际结果相差很大，从而使涵洞病害不断发生，严重影响到高等级公路的正常运营及 社会评价。 公路下高填方涵洞之所以出现问题较多，主要是因为现在高填方涵洞设计中土压力 计算偏小，设计施工中措施不当，如涵顶采用“中实侧松 的填土规定，不仅未使涵洞 的强度提高，反而使其受力更大，从而导致涵洞的破坏开裂。 上世纪五十年代，由于有关部门的规范、手册沿用了原苏联的相关规范“卸荷 拱”理论，致使我国新建铁路和大型水利工程蒙受了巨大的损失【1 翻。顾安全教授在上世 纪6 0 年代初就对涵洞的病害进行了调研分析【3 , 4 】，在调研的3 0 3 座涵洞中，涵洞开裂破坏 者占6 3 5 ，其中7 0 属于纵向开裂，而且涵顶填土高度越高，涵洞突出地面的高度越 高，涵洞跨度越大，则开裂的比例越大。而且，在实际工程中，常常出现一些令人感到 “意外 的现象，比如对于涵洞的地基，处理的越好，涵洞开裂的反而越多；特别是一 些在软土上面修筑涵洞的地基，凡是采用桩基者，涵洞几乎都出现了不同程度的裂缝和 破坏。有的在施工过程中采用提高涵项填土压实度的办法，却忽略了涵侧填土的压实， 从而也造成涵洞纵向开裂比例的加大。 因此，认识刚性涵洞的受力特点，判别各种因素对土压力的影响，采用哪种方法计 算涵洞土压力( 特别是高填土涵洞) ，以及怎样采取经济、简便而有效的工程措施减小 涵洞的垂直与侧向土压力，并通过变形协调调整其应力分布规律与范围，使相应的开裂 病害得以解决，不均匀沉降问题得到改善，就成为涵洞课题中的当务之急。 按照公路工程技术标准( j t j o l 一8 8 ) 规定：单孔标准跨径l o 8 m ( 圆管涵及箱 涵不论管径大小、孔数多少) 均称为涵洞。而涵洞按照埋设方式的不同又可分为隧洞式、 沟埋式、上埋式。凡是先在地面上构筑管道或洞室，然后在上面填筑土石方者，如埋设 在路堤或河渠堤岸下的各种涵洞、涵管，土石坝下的泄水洞，尾矿坝下的排洪洞，以堆 积或填埋方式修建的各种军用隐蔽通道、洞室等长宽比大于3 - - 5 的各类构筑物，统称 第一章绪论 为上埋式管道( 或涵洞) 1 4 】。 涵洞多属于平面问题的上埋式构筑物，在填土较高的情况下，垂直土压力是决定结 构断面尺寸的控制因素。而且随着填土高度的增加，涵洞所受的土压力会越来越大。以 往国内外许多研究都是针对如何计算涵洞的实际受力与分布，即解决垂直与水平土压力 大小与分布的计算方法，很少有人去研究如何采用工程措施，人为的减小涵周及顶部的 土压力，消除涵洞在填土中引起的路面不平，改善涵洞纵向的沉降不均，而这方面的研 究却恰恰具有更大的实际意义。 针对这种情况，一些研究者也做了一些探索【3 ，8 ，9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 】，诸如在结构形式、埋设 方式、填土方法、沟谷地形利用，以及在涵顶与涵侧铺设或填筑压缩性大于填土的材料 等各种措施。多次室内外试验研究结果表明，这些措施各有其特点与适用范围，减小土 压力与沉降差的效果也迥异。但总体上比较来看，在涵顶铺设压缩性大的柔性材料，使 得涵顶内土柱的沉降，由小于涵顶平面两侧外土柱的沉降，转变为大于外土柱的沉降， 即使得涵项平面内外土柱沉降差由+ 艿变为一万，从而使涵顶两侧外土柱对内土柱向下 的附加摩擦力，转化为向上的有利的摩阻力( 或日人为地造成土拱效应) ，以便调动外 土柱的积极作用，协同涵洞结构共同承担内土柱的重量。这样不仅可以大大减小涵顶垂 直土压力，达到最佳减荷效果，而且可以解决涵洞在路堤中引起的沉降差反射到路面的 问题；对应路堤填土梯形荷载，在涵顶纵向铺设变厚度的减荷材料层，还可以调整、改 善涵洞纵向垂直土压力的分布不均，从而减小涵洞纵向的不均匀沉降。 公路部门所遇涵洞虽然多数填土较低，设计中的问题不显得十分突出，但按设计规 范、手册中的土压力计算方法和标准图来设计涵洞，仍存在一些明显不合理的问题。如 软基上的涵洞，为防止开裂病害和解决地基承载力不足，把刚性基础设计得很厚，有的 多达3 阶各6 0 c m 厚的基础，以下再换填1 3 m 厚的砂卵石垫层或干砌块石灌浆。这样 虽然可能减少一些涵洞轴向的不均匀沉降，但却使涵顶垂直土压力和涵洞与两侧填土之 间的沉降差大大增加，进而导致涵洞纵向开裂和影响到日后的路面平整。又如要求“涵 顶填土的密度要大于两侧填土的密度 ，这与减荷措施中的“中松侧实”填土方法正好 相反，不仅浪费了人力、物力，而且无形中助长了涵顶垂直土压力，对工程有弊而无利。 随着国家经济的快速发展和西部大开发战略的实施，高等级公路逐渐向山区、重丘 区延伸，必然会遇到更多的高填土涵洞。因此，对高填土涵洞土压力、填土路堤沉降以 及减荷措施的试验研究，尤其是结合减荷措施以新的理念和方法设计高填土涵洞，显然 更有实际意义。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 国内外涵洞土压力的研究现状 1 2 1 国外对涵洞土压力的研究现状 关于土压力的研究可以追溯到十八世纪，在1 7 7 6 年，法国工程师库伦通过实验创 立了著名的土抗剪强度公式和土压力理论【l6 1 ，但是关于上埋式管道的研究直n - 十世纪 初才开始。最初，上埋式管道土压力问题是借用“谷仓压力 和普罗托基亚可诺夫的“隧 道式管道土压力 理论来解决的【1 7 1 。当时，由于经济和科技还不够发达，铁路、水利等 工程还未普遍发展，生活中所遇到的管道工程多为低填土、小管径，因此，上埋式管道 土压力问题未能引起人们的注意，往往借用已有其它土压力理论加以解决。 到了十九世纪，杨森( h a j a n s s e n ) 提出的“谷仓压力理论( 即谷物达到一定深度 后，由于谷物重量与谷仓侧壁的摩擦力相平衡而使仓底压力不再增加) 曾被用来求解上 埋式管道土压力。后来发现，谷仓压力理论与上埋式管道受力实际状况相差甚远，故早 已弃用；不过对于沟埋式管道采用其计算，尚有受力相似之处。 在随后关于“隧道式管道土压力”的发展过程中，俄国矿业专家普罗托基亚可诺夫 提出的“自然平衡拱理论 最值得注意，这个理论是假定管道顶岩土层达到某一厚度时， 将在其中形成自然平衡拱。因此，当管顶实际岩土层厚度h h o 时，由于“卸荷拱 的形成，拱以上岩土重量将通过拱的 作用传递给两侧，而不再传到管顶，计算此时的管顶垂直土压力仅取决于卸荷拱内的土 柱压力，即o v = y r t 0 ，不再受h 变化的影响【l 引。 1 9 1 3 年美国土木工程协会主席马斯顿( a m a r s t o n ) 教授，首次发表了有关上埋式管道 土压力理论一文，提出了“等沉面 土压力理论【1 9 】，从此，关于上埋式管道土压力的研 究才算真正开始。马斯顿的“等沉面 土压力理论是建立在“摩擦学说 的基础上，它 假定管顶土柱两侧存在垂直滑动面，在这对假定的滑动面上，外土柱对内土柱将产生向 下的摩擦力。因此作用在管顶的垂直土压力，等于管顶土柱自重与滑动面上摩擦力之和。 马氏根据散体极限平衡条件导出了o v = k y h 计算公式，k 为土压力集中系数。但是影 响土压力的因素很多而且复杂多变，马氏土压力理论及公式对这诸多因素考虑不全面， 因此在后来，有许多学者不断对马氏理论中存在的问题提出异议或加以修正。尽管马斯 顿理论的假说、数学推理及公式本身都有些不能令人满意的地方，但是不能否认他的功 劳，因为他揭示出了上埋式管道垂直土压力的本质，即管道本身与填土刚度的不同所引 第一章绪论 起的管顶垂直土压力变化，从而开始澄清了各种“土拱作用 、“净水压作用等凭空主 观想象的错误论点。 在此期间美国i d w a 工程试验站( 于1 9 1 0 年) 和a p d 三a 委员会( 于1 9 2 6 年) 都进行了 试验研究：1 9 2 4 - 1 9 2 7 年n o r t hc a r o l i n a 做了现场试验；1 9 3 3 一1 9 4 7 年美国斯潘格勒 ( m g s p a g l o r ) 等人通过大量实验，进一步充实和阐述了马斯顿理论 1 7 】。 1 9 3 7 年，德国学者弗尔米( a v o e l m y ) 根据边界条件的不同做了不同假设，对管 道土压力理论作了较为全面的研究，提出了上埋式和沟埋式管道的土压力计算方法，其 中采用了朗肯土压力理论和弹性理论。 前苏联科学技术博士克列恩( k k 人e 兹h ) 于1 9 4 6 年提出了坝下泄水洞的土压力计 算方法，并于1 9 5 7 年编著了地下管计算一书【2 1 1 。可是在苏联铁路与公路部门的一 些设计规范、规程中并未很快明确这一课题，在t y n m - 4 7 交通部技术规范中所采用 的类似于隧道压力课题中的“卸荷拱”理论，一直沿用到1 9 5 6 年才放弃。此后，原苏 联工程师维诺格拉多夫( h m b h a o r p a i 话o b ) 用工程中已经安全使用的管道反算出一个 经验系数，以此乘以土柱压力，即得管顶土压力。 1 9 6 1 年，捷克的布鲁什卡( m l p m 吾k a ) 2 0 1 发表了关于上埋式管道垂直土压力计算 方法的论文，他利用弹性理论应力公式采用分层试算求得了管顶土压力。 日本的市原松平和汤浅钦史，分别于1 9 5 7 年和1 9 6 2 年发表了一些现场实测及室内 模型试验的论文，这些论文对本课题的研究，尤其是对马斯顿理论的进一步修正与完善， 提出了很多线索和依据。另外，日本名神高速公路设计标准也是建立在马斯顿理论公式 的基础上，其中只是对“等沉面”的高度h 0 的计算作了修正。 根据近几年美国的科技资料2 2 ，2 3 ，2 4 2 5 ，2 6 】以及相关涵洞工程的部分国家规范【2 7 ，2 8 2 9 1 知 道，对于上埋式管道垂直土压力计算理论研究并没有多大的发展。在1 9 9 7 年“美国铁 路工程与道路维护协会 颁布的关于钢筋混凝土箱涵的设计与施工规程中，只是将 洞顶垂直土压力考虑成上部填土的自重；在1 9 9 7 年美国a a , s h t o 路桥标准规范中，则 是考虑了不同的安装类型与情况后，根据马斯顿斯潘格勒土压力理论来确定垂直土压 力。 1 2 2 国内对涵洞土压力的研究现状 我国关于这个课题的研究是从1 9 5 6 年开始的，北京市政工程设计院首先开始有关 这课题的研究( 重点是沟埋式) ，即通过管体变形的实验方法研究压力集中系数1 3 1 。 4 长安大学硕士学位论文 1 9 6 0 年，浙江大学曾国熙教授发表了“土坝下涵管竖向压力的计算 一文，该文是对马 氏公式的修正【3 0 1 。1 9 6 1 年，铁道部专业设计院与第一、二、三、四铁路设计院组织了 联合调查组，针对当时涵洞普遍出现的开裂病害，对全国七条新干线进行了全面调查， 写出了分析总结报告【1 】。 在1 9 6 3 年，陕西工业大学刘祖典教授对马氏公式也进行了修正，其计算公式的结 果小于马氏公式的结果。同年，顾安全教授通过实际调查与室内模型试验，全面分析了 影响上埋式管道垂直土压力的各种因素，并将这些因素对土压力的影响归结为管顶平面 内外土柱间沉降差万这个参数。如果内土柱的沉降小于外土柱的沉降，称沉降差为 + 万，反之为一万。凡是引起+ 万增大的因素都将使管顶的土压力增大，反之都会使管顶 的土压力减小。顾安全教授从变形条件出发，以弹性理论为基础，万为切入点，推出 了上埋式管道土压力的计算公式，即“顾安全公式 【3 1 。该公式的观点新颖，而且与后 来所做的现场测试比较吻合，被原冶金工业部在1 9 8 5 年颁布的“尾矿坝设计规程 中 所采用。 _ 1 9 8 6 年，王晓谋教授【3 1 3 2 1 做了关于上埋式管道垂直土压力减荷措施研究的室内试 验，并推导出了相应的计算公式。同年，折学森教授【3 3 3 4 3 5 ，3 6 1 对沟谷地形中埋设管道的 土压力进行了研究，他通过模型试验和有限元分析，探讨了沟谷地形对管道土压力的影 响规律，并且在此基础上提出了沟谷地形中埋设管道的土压力计算方法。 1 9 8 9 年，林选青【3 7 】就高填土下结构物的几种竖向土压力的主要计算方法，及几种 典型土质条件的堆填土体下结构物的土压力现场测试结果，进行了分析比较，提出了高 填土下结构物的设计计算方法和对结构物进行全断面纵向强度验算的方法。同年田文铎 【3 8 ，3 9 1 对近年来国内外发表的关于上埋式管涵垂直土压力计算理论进行了述评与探讨，并 认为这些公式里均未涉及到管、土相对刚度不同给管体受力带来的影响，所以他从这一 点出发，结合实验及工程实践，提出一套刚、柔性管道均适用的公式。 1 9 9 6 年，刘成志【4 0 j 从土体内部的作用力推导出涵洞上部填土的竖向土压力计算方 法。同年冯忠居教授【4 1 ，4 2 ，4 3 ，删进行了大型沟埋式蛋型管道土压力的非线性有限元分析， 并与现场实验结果进行了比较，表明对大型沟埋式管道的土压力可以采用弹塑性理论的 非线性进行分析。接着肖勤掣4 5 4 6 】又提出了碎散体高填方涵洞压力计算理论，该文在碎 散体高填方涵洞受力分析与压力传递机理分析的基础上，导出了压力拱的形状为半椭圆 形，并且建立了碎散体高填方涵洞拱顶压力计算理论。 2 0 0 2 年，王秉勇【4 7 1 、娄奕红【4 8 】经过对涵洞变形的分析，论述了公路规范、铁路规 第一章绪论 范中计算涵顶土压力的方法及其缺陷，提出了一种新的涵洞顶填土压力的计算方法。 2 0 0 3 年，魏红卫【4 9 】从涵管和周围土体的位移协调出发，把填土和涵管作为相互作 用的共同体，提出了对应的涵管设计方法，并结合实验结果证明了其方法的合理性。2 0 0 5 年，杨锡副5 0 ，5 1 1 通过室内模型试验，研究了山区地形高填方涵洞在狭窄沟谷地形、宽坦 地形以及岸坡三种地形边界条件下设涵情况，同时采用了不同的涵型进行了对比，最终 得出高填方涵洞在填土达到一定的高度后将产生拱效应的结果，但是在这个试验过程中 模型箱的尺寸会对结果产生一定的影响。 随着计算机的发展，不少研究人员开始采用“有限元法”分析涵洞的受力以及填 土的变形。 1 9 8 1 年，黄清猷【5 2 】工程师应用有限元法，对地下结构物垂直土压力进行了分析， 并于1 9 8 7 年出版了地下管计算一书。孙建生【5 3 】在2 0 0 0 年采用填筑土体应力应变非 线性双曲线模型，提出模拟涵洞施工分层填筑加载过程及填筑土体与衬砌结构联合作用 的有限元分析方法，得出了软基底板外伸式大型涵洞衬砌结构内力及衬砌周边填筑土体 压力、开挖基面上边荷载的分布规律。后来又和李永刚【5 4 】利用逐级新增单元的有限元方 法，模拟软基上的涵洞分层填土施工过程，分析了涵洞底板厚度、底板外伸长度以及基 础过渡层弹性模量等因素对涵洞结构内力和应力的影响，得到涵洞结构的优化型式，分 析表明，有限元施工模拟，计算地基、涵洞、填土这一联合体，能较好地反映三者的相 互作用和变形协调关系，较客观的揭示结构内力。2 0 0 2 年，刘静【5 5 5 6 1 运用有限元商业软 件m a r c 和p a t r a n ，分析计算了高填土路堤下涵洞涵项所受垂直土压力，寻找其随 填土高度、地形条件等影响因素的变化规律。 1 3 涵洞减荷措施的研究现状 1 3 1 涵洞减荷机理 涵洞减荷主要是通过涵洞顶部内外土柱之间的沉降差一万来实现的。影响涵洞内外 土柱沉降差变化的因素很多，如涵顶填土高度及土性指标，涵洞外形及尺寸，涵洞基础 及地基的刚度，施工方法及速度、地形等因素的变化，都会引起管顶内外土柱间沉降差 的变化。在传统设计施工情况下，管顶外土柱的沉降会大于内土柱的沉降，其沉降差为 + 万( 反之为一万) ，与此变形相应，也就产生了作用于管项的附加垂直土压力，可以理解 为管顶额外的承担了外土柱对内土柱向下的摩擦力。而减荷措施就是在涵洞顶部铺设具 有一定压缩性质的材料来减小+ 万，或者产生一万，使外土柱对内土柱产生向上的附加摩 6 长安大学硕士学位论文 擦力，从而使外土柱和涵洞共同承担了管顶的土柱压力，达到减小作用于管顶土柱压力 的目的【3 1 。 1 3 2 涵洞减荷研究现状 在国外，1 9 6 9 - - 1 9 7 2 年，美国的r e 德斐斯、a e f 白杰等人在高填土管道上填筑松 散土和稻草捆进行了减荷试验。试验结果表明，填筑在管顶上的松散土层降低了垂直土 压力，但对侧向土压力影响不明显。该研究报告的试验结果是从两个现场试验中测得的， 具有一定的参考价值【3 l 】。1 9 7 8 年 一1 9 8 1 年，在日本北海道某告诉公路上的一个区间内， 修建了许多高填方管道，佐藤嘉平、岩崎洋一郎等人在采东井、札内两座管道上，以填 方聚苯乙烯泡沫塑料的办法，进行了垂直土压力的减荷试验【3 1 】。 在国内，许多学者也对于涵洞的减荷措施进行了深入的研究。顾安全教授【3 】早在 1 9 5 9 1 9 6 3 年就通过室内模型试验，分别对：( 一) 刚性涵洞、刚性基础、刚性地基情 况下的土压力；( - - ) 刚性涵洞、刚性基础、柔性地基( 锯木屑填料) 情况下的土压力； ( - - ) 刚性涵洞、柔性基础( 谷壳填料) 、刚性地基情况下的土压力；( 四) v 型沟谷对 土压力影响；( 五) 降管( 探讨万与卸荷拱的关系) ；( 六) 卸荷措施( 该试验是在刚性 涵洞、刚性基础、刚性地基条件下涵顶铺设谷壳作为柔性材料进行的) 。试验结果表明， 在涵顶铺设柔性填料效果最好，并且由土的极限平衡条件和弹性理论分别推得了采取卸 荷措施和不采取卸荷措施两种情况下的涵洞垂直土压力计算公式。在1 9 6 9 - - 一1 9 9 2 年间 又先后三次在国内高尾矿坝排洪涵洞上，采用改变涵洞断面形状、在涵洞两侧回填不同 粒径的填料、采用平埋式和半沟埋式、在涵洞上铺设稻草层等方法进行减荷措施效果研 究，经过十多年的观测数据表明，在涵洞上铺设柔性填料层具有显著的减压效果。 在1 9 8 7 年，王晓谋教授【3 1 3 2 1 以相似理论为基础，用海绵替代铺设在涵顶上的聚苯 乙烯泡沫塑料，在室内进行了模型试验，其具体内容包括：( 一) 管顶海绵厚度不变， 而变形模量改变时，管项土压力随填土高度变化的试验：( 二) 管顶的海绵变形模量不 变，而厚度改变时，管项土压力随填土高度变化的试验；( 三) 填土高度不变，而管顶 填放不同变形模量的海绵时，管顶土压力随海绵厚度变化的试验；( 四) 填土高度不变， 而管道突出地面高度改变时，管顶土压力随海绵厚度变化的试验；( 五) 未采取减荷措 施与采取减荷措施两种情况下，当填土高度不变，而管道突出地面高度改变时，管顶土 压力随突出高度变化的试验；( 六) 未采取减荷措施与采取减荷措施两种情况下，管顶 土压力与士万变化关系的试验；( 七) 未采取减荷措施与采取减荷措施两种情况下，管周 7 第一章绪论 填土变化的试验。通过这七个方面的试验分析，探讨了垂直土压力与减荷材料的变形模 量、减荷材料的厚度、管道突出地面高度以及管顶填土高度的关系，并且推导出了采取 减荷措施的垂直土压力计算公式。 近些年来，黑木林尾矿坝排洪洞的减荷试验是第一次工程上的实际应用，在随后的 研究过程中，白冰【5 7 , 5 8 1 等人通过对减荷材料聚苯乙烯泡沫( e p s ) 基本性质的试验分析， 说明了e p s 做为涵洞减荷材料方面的可行性；在后来的研究中又进行了一些数值模拟计 算，为工程设计提供了一些参考依据。 在2 0 0 2 年，顾安全教授【1 2 】又以广东省惠河高速公路中的涵洞为试验工点进行了实 际工程的涵洞垂直土压力减荷措施研究，将试验涵洞分成了采取减荷措施和不采取减荷 措施两类八种情况，通过工程实际测试数据说明了减荷措施的显著效果。 在2 0 0 6 - - - 2 0 0 7 年间，顾安全教授【1 4 , 1 5 】又在陕西吴堡至子洲高速公路和山西离石至 军渡高速公路的高填方涵洞进行了现场试验，通过对涵顶采取全铺、净跨内铺和不铺三 种情况，以及涵顶和涵侧分别铺设几种不同厚度的e p s 板时的土压力进行了对比，结果 再次说明，采用这种措施不仅对减小涵项与涵侧土压力有显著效果，而且还可以同时解 决涵洞引起的路面不平和改善涵洞的纵向不均匀沉降。于此同时，还提出了涵洞减荷措 施的简明设计方法，并结合采用减荷措施对涵洞进行了结构优化设计，显示了结合减荷 措施设计涵洞的重要价值与意义。 1 4 论文主要研究内容 本篇论文主要研究e p s 的材料力学性能以及怎样在工程实际中更加合理的应用；对 不同密度的e p s 板材进行试验并绘出图表，根据实际工程需要查取应当采用多大密度和 厚度的e p s 板材，并且通过现场试验对涵洞减荷中的应用情况进行测试验证，在对e p s 材料力学性能测试中主要进行了以下几方面的研究： 1 e p s 材料的应力与应变基本关系； 2 不同密度e p s 材料的应力与应变关系比较； 3 有侧限与无侧限条件下，e p s 材料应力与应变关系比较； 4 不同围压下e p s 材料的应力与应变关系比较； 5 不同荷载下的e p s 材料蠕变性能； 6 不同密度e p s 材料形成的组合材料其应力应变关系； 7 通过三轴试验研究在不同加载速率情况下e p s 的力学特性； 长安大学硕士学位论文 8 通过现场试验验证高填方涵洞的减荷措施； 9 第二章e s p 材料性能试验研究 2 1e p s 材料简介 第二章e p s 材料性能试验研究 e p s ( e x p a n d e np o l y s t y r e n e ) l i p 我们通常所说的聚苯乙烯泡沫塑料。它在日程生活中 被广泛作为仪器设备的包装，新鲜食品的运输箱来使用。e p s 是一种轻型高分子聚合材 料，采用聚苯乙烯树脂颗粒加入发泡剂，在加热的条件下颗粒内部产生膨胀，形成许多 的气室，根据不同的成型需要将这些颗粒放入特定的模具中，加热膨胀粘结最终制成特 定形状的产品。 由于e p s 材料特殊的加工原料及加工方法，形成了特殊的材料结构，所以它具有一 些独特的物理性质和工程特性，这些特性通过我们的研究可以应用到我们实际的工程中 去，比如： 1 质量轻：泡沫聚苯乙烯的密度很小，一般为8 - - 一4 0 k g m 3 ，仅是普通砂土质量的1 3 ，所以如果将它作为工程材料应用到路堤等地方时可以大大减小作用于基础上的荷 载，从而降低结构物的沉降。 2 侧向变形小：即该材料的泊松比很小，因此在给它施加竖向荷载时，其侧向变形 很小。 3 抗水性：由于材料的特殊结构和组成原料，遇水时只能在其表面有微量吸收，而 内部不会进水或与水发生反应，这就使得其在工程应用中不会因与水接触而影响工程性 能，并且可以利用其隔水性对工程进行防水保护施工。 4 热稳定性：该材料可以承受7 5 - - - 8 0 度的高温环境，但是当温度再上升时材料会 软化、变形；长时间被阳光直接照射后，表面会形成一层氧化膜并且变黄发脆，使其性 能受到影响。 5 抗酸碱性：该材料对酸、碱、盐等具有很好的抗腐蚀性，但是对于汽油、煤油等 耐化学药剂性能较差；这次在我们试验现场有一个工点由于施工单位的储油罐发生泄 漏，就使我们所做试验的部分材料受到很大影响。 6 易加工：由于材料的特殊组成成分和结构决定了它很容易被加工成不同的形状： 在我们这次现场试验中就是用一根耐高温的钨丝，通电后现场切割，十分方便。 2 1 1e p s 材料的微观结构 e p s 材料之所以具有一些特殊的物理和力学性质，这和该材料特殊的原料和结构组 l o 长安大学碗学位论文 成有密切的关系。e p s 的微观结构如图21 、2 2 、2 3 所示。 图2 1e p s 材料整体结构 图2 2e p s 材料颗粒结构 第= 章e s p 村抖性能试* 研究 图2 3e p s 材料颗粒间的孔径 通过e p s 材料的微观结构图可以看出它是由一个个单独的e p s 颗粒粘结而成如 图2 l 所示；其中单个的颗粒又是f f 一个个密闭的气室组成，如图22 所示；在各个颗 粒之间义由一道道的孔径相连接，如图23 中箭头所示：由于这些特殊的结构，在荷载 加载初期，材料颗粒之间的气体逐渐被排出，但是材料颗粒之间的各个密闭气室并没发 生破裂。所以材料在荷载初期的变形量很小：但是随着荷载的增大，颗粒内部的气室壁 被逐渐压破，大量的气体顺着颗粒之间的孔径溢出，从而使得在较小荷载下产生了较大 的变形量；在加载的后期，材料颗粒中的气体被逐步排除干净，仅剩材料的气壁结构， 所以随着荷载的增大材料的变形量变形不大。 材料的这个性质在工程减荷措施中得到了很好的应用。 2 2e p s 在工程中的应用 e p s 作为一种新型的工程材料已受到各国工程界的亲睬，不断的被应用于公路、市 政、建筑等工程申去，很好的解决了软基过度沉降、桥头跳车、室内保温等问题，近年 来在我国也得到了广泛的应用。 目前e p s 主要作为一种轻质、可压缩的填筑材料应用到公路施工中，起到减小路堤 自重，降低地基压力的作用。它也可作为隔热隔水防冻材料应用于路堤防护、隧道防冻 等工程：在高寒地区可以防止路堤的冻胀破坏如在青藏铁路施1 = 过程中该种材料就被 k 安大学硕十学位论立 作为隔热层保护永冻土不受温度变化的影响 上方的土压力，从而达到减小结构断面尺寸 23e p s 材料的物理力学试验 它还被用做减荷材料以减小高填方结构物 或保护结构物之目的。 2 3 1e p s 试样的制作 目前针对e p s 试样的尺i r 规格和选择不尽相同，有的选用5 0 m m x 5 0 m m 5 0 m m 的， 有选用5 2 m m x 5 2 m m 5 2 r a m 的，还有选用m 5 0 m m x 2 0 m m 的。根据试验情况，本文研究 选用的尺寸有* 6 2 m m x 2 0 m m 和0 3 9 m m x 5 0 m m ，分别在标准固结仪和静三轴仪上进行 了相关韵试验。选择的密度分别为1 2 k g m 3 、1 4 k g m 3 、1 6 k g m 3 、1 8 k g m 3 、2 0 k g m 3 、 2 2 k g m 3 、2 4 k g m 3 、2 6 k g m 3 、2 8 k g m 3 和3 0 k g m 3 十种。 试样的制作分为以下几个步骤： 第一步，根据试验需要选择其中一种密度的材料，先用小锯条进行初步的分割，切 割成1 0 e m x l o c m x 3 e m 的长方体。 第二步，对切割好的长方体进行初步的修整，即用工具刀将其切割成一个大致的圆 柱体，并用锯条对柱体的上下底面进行粗磨，使其平整。 第三步，对切割好的柱体试样进行初步的打磨。即先用比较粗的砂纸将试样的上下 底面打平，在打平的过程中要不断的用尺子进行测量，以保持其厚度均匀；在打磨到高 度为25 c m 的时候换下一个试样，打磨好三个试样之后将其分为一组，将该组试样重叠 在一起，再进行周边的打磨，使其成为圆柱形；在打磨过程中要不断用环刀进行比对， 当最终符合环刀直径时为合适。 第四步，对圆截面大小符合环刀的试样进行厚度打磨。即用较细的砂纸打磨上下底 面，使其高度和环刀高度一样时为合适，最后再对试样做微小的修整即可。做好的试样 如图2 4 所示：对于不同厚度的e p s 试样可以采用类似的方法来制作，如图25 所示。 圈2 4e p s 材料的试样 1 3 角章e s p 村料性能试验研宄 图2 5 不同厚度e p s 材料的试样 2 32 e p s 的应力应变关系 单轴压缩固结试验结果表明，e p s 具有典型的应力一应变关系，如图2 6 所示。 o1 0 2 03 。 喘变毋 6 0 7 08 09 0 图2 6 密度为2 4 k g m 3 的e p s 材料在无侧限压缩下的应力一瘟变关系曲线 该曲线显示： ( i ) e p s 材料受压变形时，其应力应变曲线可分为三个阶段：线弹性阶段、塑性阶 段( 屈服阶段) 和硬化阶段，之所以出现这种变形过程，是和该材料所具有的特殊结构密 切相关。e p s 材料由一个个封闭的气室组成，在荷载加载初期，材料内部封闭气体只产 生微小的压缩变形，而材料本身起封闭气体作用的空腔结构并没有遭到破坏，所以出现 的只是线弹性变形，如图形中的o a 阶段；当应力达到一定值后，材料颗粒中的空腔结 构开始破裂，导致气体溢出，从而使变形急剧增大，即材料在很小的应力增量范围内就 会产生很大的应变，这个阶段就是材料的塑性变形阶段，如图形中a b 阶段：当应力再 l；m酞蟊m。 线，嚣罢黑黧黧翼鳓瓤概嘲珈下嗡曲 兰茎罢篡妄名：纛竺兰兰! ! 曼看出，有侧磊i 茹：黧善荔箍雯茎罢 言冀麓急耋君篆同! 妻竺竺? ，无；盂萎焉嚣：麓 裟嚣嚣黧黧竺猫孟嚣需鬻篇篡 ：淼萎黧竺黧竺蛹磊篙9 竺黧麓 姜篆翟裟黧篓戮嘉篡恐淼 候，它会在定程度上起到提高材料强度的作用。 “一“仅列垤到傲环其强度的时 图2 7 戤为1 6 蜘3 的e p s 材料在有、无侧限压缩下的应力吨变关系曲线 1 5 2 a 4 不嚣：三：= ：鹏材料硫无侧限压缩下的应力、应变关系曲线 2 3 4 不同密度e p s 材料的应力吨变关系对比 “城刀咂燹关系曲线 所示? 甜锻帅s 栅锄蝴糊应力吨躲蛾 所水。 叫 赳脞刀垭变关系曲缝由n 图，、 1 6 长安大学硕士学位论文 的强度要求来选择相应的e p s 板密度。 针对该组e p s 材料在5 、1 0 、6 0 三种不同应变时所对应的应力一密度进行拟 合，可得到如图2 1 0 、2 1 1 、2 1 2 所示的关系曲线。 1 4 0 1 2 0 1 0 0 g , 8 0 厶 告6 0 r 毯4 0 2 0 o 1 4 0 1 2 0 1 0 0 姜8 0 b 巷6 0 4 0 2 0 o 。2 4 r 2 3 竺6 0 ：9 9 5 1 2 6 1 7 3 ，一 = 么 o 1 52 0 2 53 0 密度p ( k 耐) 图2 1 05 应变时e p s 材料所对应的应力密度拟合曲线 3 5 。2 4 r 乒竺6 0 ：9 9 2 1 1 3 。7 3 ，多7 ，； 2= 01 52 02 53 03 5 密度p ( k 耐) 图2 1 11 0 应变时e p s 材料所对应的应力密度拟合曲线 1 7 第二章e s p 材料性能试验研究 含 山 邑 b r 遐 一!一三_!r-2j坚90。9_841154。9 = 7 z o51 01 52 02 53 0 密度p ( 1 ( 酊) 图2 12 砷应变时e p s 材料所对应的应力密度拟合曲线 3 5 由以上三种不同应变时所对应的应力一密度拟合曲线，分别把在不同应变下不同密 度材料所对应的应力值列于如下表格中，以便查用。 表2 15 应变时不同密度的e p s 材料所对应的应力值 密度 1 21 41 61 82 02 22 4 2 62 83 0 p ( k g m 3 ) 应力 3 5 5 54 4 1 8 5 2 8 0 6 1 4 27 0 0 47 8 6 68 7 2 8 9 5 9 01 0 4 5 2 1 1 3 1 5 a ( k p a ) 表2 21 0 应变时不同密度的e p