（岩土工程专业论文）高填路堤涵洞基于沉降控制的调荷技术研究.pdf

摘要 随着高等级公路的迅猛发展，高填方路堤下设置涵洞工程的情况越来越多，但其病 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。因此， 寻求合理方法控制涵洞结构破坏的研究显得非常必要。本文主要针对高填路堤涵洞常出 现的横向破坏问题，基于e p s 调荷机理，通过m a r c 有限元分析，结合离心模型试验， 研究了在涵顶一定范围内铺设不同厚度的e p s 板以使涵底沉降趋于均匀的方法之可行性 和有效性，并通过数值仿真，分析了相关因素对不同高度之路堤调荷效果的影响。给出 了不同填土高度应选取的e p s 材料特性及布设范围，并提出可结合涵底的地基处理进一 步优化调荷效果。最后，初步建立了高填路堤涵洞基于沉降控制的调荷技术设计计算方 法。 关键词：高填涵洞，数值仿真，离心试验，e p s 材料，调荷优化 a b s t r ac t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e mo fh i g h w a mm o r ea n dm o r ec u l v e nu n d e rh i g he m b a n k m e ma r e d e s i 印e d ， b u tt h ed i s e a s e sa r ec a u s e dc o i l s t 锄l y ，w h i c hs e r i o u s l ya 仟e c tn o r m a lo p e r a t i o no f e x p r e s s w a y 锄dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fh i 鲈伊a d e1 1 i 曲w a y a sar e s u i t ，i ti si m p o r t a mt of i n da r e a s o n a b l e 、v a yt oc o n t r 0 1 t h es t r u c t u r a ld a m a g eo f 址曲f i l l e dc u l v e n t h ep a p e rf o c u s e so nt h e u s u a lp r o b l e r n sf o rt h eh o r i z o m a ls t m c t u r a ld a m a g eo fk g hf i l l e dc u l v e r t ，b a s e do n l o a d - a d j u s t i i 玛m e c h d s mo fe p s ，w i t hf m i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm a r c ，c o m b i i l i i l gw i t h c e n t r 曲g a lm o d e lt e s t ，h a v er e s e a r c ho nt h ep o s s i b i l i t ya n de 伍c i e n c yo ft h en l e t h o dw h i c hs e t d i 位r e me p sb o a r d so fd i 舵r e n tt 王1 i c k n e s so nc e n a 访a r e aa b o v et h et o po ft h ec u l v e r tt o m a k et h es e t t k m e n to ft h es o i lu n d e rt h ec u l v e nt ob ee v e l l ，觚db y 叫m e r i c a ls i l n u l a t i o 玛 a n a l y z es o m er e l a t i v ef a c t o r sw 1 1 i c ha c to nt h ee 髓c t so fl o a da d j u s t 吨w i t hd i 施r e n th e i g h t s f i u i l l gs o i l ，t h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fe p s a i l dt h ea r e ao fd i s t r i b u t i o nw i t hd i f r e r e mh e i g h t s f i l l i l l g s oi li s g i v e 玛a n dt l l r o u 曲胁h e rd e a l i l l gw 讹t h eg r o u n dt oo p t i t n i z et h ee 肫c to f l o a d a d j u s t i n g ，p r o p o s et h ed e s i g n i n gp r i o l j e c tw i t hl o a d a d j u s t i n go fh i g h - f i n e dc u l v e r t k e y w o r d s ：m g h - f i l l e dc u l v e r t ，n u m e r i c a ls i i n u l a t i o 玛c e n t r i m g a lm o d e lt e s t ，e x p a n d e d p o l y s t ) ，r e n e ( e p s ) ，o p t i r n 也a t i o nf o ra d j u s t 血gl o a d 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： 乔拟海 论文知识产权权属声明 一辟厂月7 日 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) 敝作者签名：诤揪祷， 导师签名 乃格年厂月夕日 洳孑 月7 日 长安大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究对象及背景 1 1 1 研究对象 随着我国高等级公路的迅猛发展，尤其是在西北和西南地区地势起伏大，由于高等 级公路线形标准的要求和地形条件限制，使得山区高等级公路的高填方路基及相应的高 填方涵洞越来越多。因其功能与小桥类似，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。 为了确保涵洞结构物的安全使用，涵洞结构物合理设计的关键，一方面是要准确的 确定作用于涵洞上的土压力，另一方面则是对涵洞结构物地基采取合理的处置措施。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。 本文主要研究的对象是土与地下结构物涵洞。涵洞主要为宣泄地面水流而设置 的横穿路基的小型排水构造物。按公路工程技术标准( j t j 0 1 8 8 ) 规定：单孔标准 跨径l 。 5 m 或多孔跨径总长l 泣5 ， 丁掣、 2 d 址陌一 瑚胖 m 书卜鬻鬻 彳+ 型 旧刊堕型 另外，如果将流动准则 矗，) = 钡 害) 代入式( 2 4 ) ，可得到钡的另一个表达形式： 钡：摧：筚 f 耕 掣) 彳 将其代入流动准则公式= 钡偿) 得到： 1 0 长安大学硕士学位论文 蜘鼢掣如， 眨6 ， 7 【c ，】：卫型攀 式中，l c ，j 称为塑性变形柔度矩阵。 【c 印 ： c + c p ：p 】一。+ ! 兰墨掣 相比 d 印 ，由于【c 印】形式及推导过程都较简单，在有限元计算中往往以 c 印 求逆 的方法来形成【d 。】。 热彳 i ； j 够呈， ( dz + 口力2 i 、。 r 一 一 一i 图2 2 抛物线m o l l r c o u l o m b 材料在平面应变条件下的屈服面 线性d r u c k e 卜p r a g e r 的屈服函数为： ，叫+ 历一芳2 o 其中：应力张量第一不变量，= 吒；以应力偏量第二不变量，：= 三仃。仃，；a 、仃 值由土性材料参数来确定。可据以下关系式求出： 。而舞洲2 南 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 在m a r c 有限元计算中采用： 拈而赢 s i n 西 式中，c 为土的粘聚力；西为土的内摩擦角。 一9 cc o s 西 仃= _ ；= = = = = = = 兰2 、9 + 3 s m 二 线性d m c k e 卜p r a g e r 屈服函数与线性m o i l r c o u l o m b 屈服函数类似，对主应力 盯， 仃， 仃，后一个函数可写成 ，= 去p 3 一仃1 ) + 去p 3 + 仃1 ) s i n 一c o s 砂= o 二 二 d 1 1 l c k e 卜p r a g e r 屈服准则考虑了中主应力和静水压力对屈服与破坏的影响，且其屈 服曲面光滑无棱角，有利于塑性应变增量方向的确定和数值计算。且材料参数少，易于 试验测定或由m o h r c o u l o m b 准则材料常数换算。 m a r c 软件采用相关联流动准则，硬化准则包括各向同性硬化、运动硬化和混合硬 化三种，可通过定义应力和塑性应变的关系曲线来指定硬化曲线。本文分析采用基于线 性d m c k e r - p r a g e r 屈服准则的理想弹塑性模型。 2 2 3 计算模型确定 1 几何模型 对于高填路堤，可看作无限长弹性体，沿实体纵向垂直取单位长度的一段，作为平 面应变问题处理。并且由于几何实体具有对称性，选取几何实体的一半进行建模。填土 高度为4 0 米，涵洞型式为箱涵。 在用有限单元法进行分析计算时，可根据实际情况采用不同类型的单元。选择何种 类型的单元，主要与问题的性质、计算精度的要求以及计算工具的条件等因素有关。 本文所研究的高填路堤涵洞，采用适应能力强的等参单元，它既极易贴合工程结构 复杂的几何外形，又可根据变化不均的材料性质和应力梯度布置疏密相间的网格，且具 有较高的计算精度。因此，在本文有限单元计算中，涵洞、地基填土、e p s 材料均采用 四边形八节点等参单元。 计算选取的几何范围过小，会造成计算结果不精确，不能真实反映实际结构体的应 力应变情况；若几何模型的范围选取过大，则会给网格划分造成一定困难，并浪费计算 资源。计算是通过对一模型几何范围的讨论，确定了较佳的计算几何范围。 计算模型中需要确定的几何尺寸主要是地基厚度h 和计算宽度d 。地基厚度h 选 取4 0 米，计算宽度d 的确定是通过对比计算确定的，计算中选取a 和b 两个指标( a ： 1 4 长安大学硕十学位论文 路堤中心涵项垂直土压力；b ：路堤中心涵底沉降值) ，具体结果见表2 1 。 表2 1 计算宽度d 的确定 d ( m ) 1 0 01 2 01 5 0 计算指标a ( 1 ( p a ) 7 5 8 2 37 5 8 1 3 57 5 7 9 4 2 计算指标b ( m ) 0 5 5 7 5 70 5 5 8 9 50 5 5 9 2 涵洞体周围回填土视为外荷载，一次置放于涵洞及地基上，即不考虑分层加载带来 的影响。 采用位移边界条件：底部铰支固定，两侧链杆支撑，填土体的自由表面( 地面及路 堤顶面) 及涵洞的内周边均属自由边界。 2 材料计算参数确定 文中各材料计算参数的具体取值如表2 2 所示。 表2 2 材料计算参数 变形模量弹性模量 容重y 粘聚力c内摩擦角 泊松比u e o ( k p a ) e d ( 1 a ) ( 1 洲m ) ( 1 ( p a )巾( 。) 填土 1 9 1 0 42 1 0 41 63 02 lo 3 5 地基士 2 6 1 0 43 8 1 0 41 62 12 00 2 e p s1 2 5 00 1 20 1 涵洞3 1 0 72 53 4 3 05 40 1 5 3 仿真计算内容 本文通过m a r c 有限元软件对高填路堤下涵洞结构的受力性状进行仿真分析，计 算内容包括以下几个方面： ( 1 ) 特定填土高度下箱涵随填土及地基土参数变化的应力及沉降规律。 ( 2 ) 特定填土高度下箱涵随涵顶铺设减荷材料厚度及参数变化时的应力及沉降规 律。 ( 3 ) 特定填土高度下箱涵随涵项减荷材料铺设范围变化时的应力及沉降规律。 2 3 聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) 的基本性质概述 随着公路交通的发展，土工合成材料( g e o t e ) ( c i l e ) 的应用日益普遍，其中聚苯乙烯 泡沫塑料( e x p a n d e dp 0 1 y s t ) t e n e ，简称e p s ) 是令人注目的品种之一，它的出现使土工中 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 原来难以解决的问题获得了令人满意的处理效果。 e p s 得到广泛应用的原因有：( 1 ) 相对比较便宜；( 2 ) 是唯一的聚合物泡沫，未使 用氟利昂或类似气体作为发泡剂，不消耗地球上空的臭氧层；( 3 ) 不挥发甲醛( 一种有 毒气体，一些聚合物泡沫制成后持续挥发数年) 【3 4 1 。 泡沫塑料为工业塑料中的一类产品，也是土工合成材料中具有特殊性质的一类品 种。根据其软硬程度不同可以分为轻质泡沫塑料和硬质泡沫塑料两种；根据基材树脂的 原料不同可以分为聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等；其中聚苯乙烯泡沫塑料即 可以满足工程上的要求，而且价格又较为便宜。 2 - 3 1e p s 泡沫塑料的制造工艺 e p s 是由苯乙烯单分子物体经过叠合而成。苯乙烯单分子的合成法最早是德国在 1 8 6 6 年发现，1 9 2 9 年开发了聚苯乙烯的叠合技术，1 9 4 3 年美国开始提出挤压发泡工艺， 1 9 5 2 年德国开发了发泡性的聚苯乙烯球珠。e p s 的模塑发泡工艺就此开始。泡沫塑料2 的体积为树脂，其余9 8 为空气充填的树脂发泡体，因此其重量是超轻性的，具有良 好的缓冲性、隔热性等特点，广泛应用于包装材料、食品容器和建筑用隔热材料等。 由于制造工艺的不同，分为模塑发泡聚苯乙烯e p s 和挤压发泡聚苯乙烯x p s 。所 谓的挤压发泡聚苯乙烯，是利用挤压机内加热熔化的聚苯乙烯，混合碳氢化合物等易挥 发的液态气体使成为流动性的胶滞体，再从挤压机前端的喷嘴将其注入成型装置内，在 低压下进行发泡而成。所谓模塑发泡聚苯乙烯，是将发泡剂投入聚苯乙烯内，成为发泡 性的聚苯乙烯珠子，根据所定的发泡倍率预备发泡，再在筒仓内干燥、熟成后，充填在 成型装置内，一直加热到预备发泡粒软化后，再冷却成为制造的形体。 2 3 2e p s 的物理性质 在岩土工程中使用泡沫塑料主要是利用它所具有的一些特性：1 ) 重量特别轻；2 ) 独 特的变形特性；3 ) 有一定的结构强度，具有好的自立性；4 ) 施工方便且速度快；5 ) 缓 冲性能很好；6 ) 隔热性能良好。 e p s 为一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。它的吸水性小，介电性能优良，质量轻，且 具有较高的机械强度。其外观上颜色为白色，外形应基本平整，无明显的膨胀和收缩变 形，泡沫之间熔结良好，无明显的掉粒现象，同时也无明显的油渍和杂质。泡沫塑料材 料气泡的大小对其性能有一定的影响。当气泡大时，其壁厚也变大，故其刚度也大一些， 导热性也好一些，压缩时屈服特征明显。相反，气泡小的泡沫塑料具有更高的强度和更 大的破坏应变。这是由于此时它具有更多的泡壁，压缩时为一逐渐破坏的过程。具体说 1 6 长安大学硕十学位论文 明如下： 1 密度 e p s 显著的优越性在于其计算重度只有其他轻质填料的1 1 0 ，一般土工结构填料的 1 6 0 。事实上，所谓的计算重度( 设计重度d e n s i t yf o rc a l c u l a t i o n ) 则是考虑了最不利的 情况，e p s 其初始密度大约仅为2 0 k g m j ，是常规填土密度的1 1 0 0 。此外，e p s 的密度 取决于材料制造时的发泡率，发泡率越大密度越小。道路工程常用e p s 密度一般为2 0 k g m3 3 0k g m3 ，大约是土的1 5 0 1 1 0 0 【3 5 】。 e p s 的机械和力学性能与它的结构有密切的关系。其中密度是其影响的主要因素， 表3 1 给出了e p s 的密度与强度的密切关系。一般而言，泡沫塑料的密度与强度之间有 良好的幂函数关系，泡沫塑料的透水、透气和吸水等性能也与它的密度有关。密度是 e p s 的一个重要指标，其各项力学性能几乎与其的密度成正比关系。 表2 3e p s 的密度与强度的关系 容重( k n m 3 ) o 2 0 6o - 3 0 40 3 9 20 4 9 1 抗压强度( k p a ) ( 应变2 5 ) 1 4 42 1 62 9 63 5 8 抗弯强度( 1 ( p a ) 3 0 23 8 05 1 75 2 7 抗冲强度( k p a ) 4 6 34 9 o5 6 o8 1 6 因为e p s 的密度取决于材料制造时的发泡率，因此e p s 的密度可以随着发泡率的 调整而又很大的变动空间。而泡沫塑料的密度与强度、透水、透气和吸水等性能都密切 相关，则e p s 的物理力学性能可以根据制造工艺不同进行调整。 2 吸水特性 e p s 材料的吸水性与材料的密度、水头高度及制造工艺有关，型内发泡法生产的 e p s 吸水量大于挤压发泡法生产的e p s 吸水量，而且型内发泡法生产的e p s 内部分布 的气泡是相气独立的，不与外界贯通，仅仅是表面层部分吸水。所以挪威国立公路研究 所得出以下结论：在地下水位以下埋置9 h 的e p s ，最大吸水率仅为体积的1 0 ，而在 发生周期性干湿变化的状态，e p s 最大吸水量仅为体积的4 。事实上，吸水率的考虑 是为了计算浸水后的e p s 块体对下卧层产生的静载，而对e p s 材料的力学特性并无显 著影响。 3 摩擦特性 长沙交通学院通过大直剪仪对e p s 与e p s 、砂土、粘土和水泥混凝土进行结合面剪 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 切试验，试验发现：e p s 与e p s 之间摩擦系数为0 5 ；e p s 与砂土之间摩擦系数为0 8 ； e p s 与粘土之间摩擦角为4 5 0 ：e p s 与混凝土之间摩擦系数为0 7 。江苏宁沪高速公路股 份有限公司通过对尺寸为1 5 c m 1 5 c m 1 5 c m ，密度为4 1 2k g m 3 的e p s 块体进行了摩擦 试验，试验结果表明，e p s 与e p s 之间摩擦系数为o 5 ；e p s 与钢筋混凝土板之间摩擦 系数为o 7 ；e p s 与干松砂间的摩擦系数为0 4 ，与湿松砂间的摩擦系数为0 3 。e p s 与 砂垫层之间的摩擦系数较小，因而铺设于e p s 表面的砂层应进行充分碾压以增大两者间 的摩擦系数。 4 热稳定性 在7 5 8 0 下使用e p s 一般没有问题，但当温度接近1 5 0 时，聚苯乙烯将熔化， 如果附近有火源，e p s 也可燃烧。日本曾将e p s 块体浅埋于地表进行火灾试验，试验结 果表明：在覆盖一定厚度的土后，地面火灾对地下e p s 块体几乎没有影响。但由含有阻 燃剂的聚苯乙烯颗粒发泡成型的e p s 燃烧后，3 s 内可自熄，且阻燃剂对e p s 的性能没 有不利的影响。d u s k ov m 研究指出，e p s 体积吸水率小于1 时，其热传导系数可增大 5 ；体积吸水率达到3 5 时，热传导系数则可增大1 5 2 5 。 5 耐久性 e p s 受到长时间的紫外线照射后，表面会发黄，但材料本身的物理性质不会有太多 的降低。多数国家对此还是建议采取保护措施，比如在日照较强的夏天施工时应尽可能 地缩短施工时间并且注意覆盖保护表面，在存储e p s 时应放在避光的库房内。 e p s 在水中和土壤中的化学性质比较稳定，不能被微生物分解，也不能释放出对微 生物有利的营养物质；但有研究资料显示，在特殊条件下白蚁科对e p s 能造成破坏。 e p s 的空腔结构也使水的渗入极其缓慢；此外，在大多数溶剂中e p s 性质稳定，但它可 以在汽油或煤油中溶解。由于e p s 泡孔中的气体不容易产生对流作用，而气体又是热的 不良导体，因而使得e p s 具有优良的隔热性能，常用在道路工程中的隔温层，以满足严寒 季节对道路防冻的要求。其次，e p s 中存在大量的微小气孔，在工业和民用建筑业中也 是一种良好的吸音和装饰材料。 6 自立性 与普通填土相比，e p s 块体作为路堤填料具有一定的整体性和自承性，自立性强， 对边坡的稳定十分有利。当e p s 重叠堆载时，侧向变形很小，用作桥台或挡墙背后填料 时，可以大大减少对构造物背面的压力，有利于构造物的稳定。瑞典桥梁设计规范规定， e p s 的主动侧压力系数和静止侧压力系数分别取0 和0 4 ，不必计算被动侧压力3 6 1 。正 1 r 长安大学硕士学位论文 是由于e p s 具有良好的自立性，e p s 还被用于修建直立挡墙，减小占地面积。 7 施工性 由于e p s 具有超轻性质，只需人工搬运或铺设就可以，无需大型机械，特别适用于 软土地基，可以达到快速施工的目的。同时，采用e p s 作为台背回填材料，相对于普通 填土具有一定的整体性，而且无需进行压实作业，避免了台背回填土压实困难，达不到 压实度的问题。此外，e p s 块体由工厂制造，在质量上可以得到保证，还可以根据现场 条件的需要，对e p s 块体进行加工或切割。 2 3 3 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 的力学性质 1 e p s 块体受压变形时其体内空腔结构从最初的均匀密闭到逐渐破坏表现为应力一 应变曲线由直到曲的逐渐变化，当空腔结构完全破坏后材料产生明显的塑性变形。e p s 块体整个受压变形过程大致分为三个阶段：线弹性阶段、弹塑性过渡阶段( 屈服阶段) 和塑性阶段【8 1 。 2 材料受压下其应力一应变曲线上不存在弹性与塑性间的明确分界点，其屈服对 应的是某一范围。这说明e p s 的抗压强度取值位于材料塑性区域，当接近或超过该值的 受压状态时材料将产生不可恢复的变形，即此时e p s 的空腔结构己遭破坏，产生明显的 塑性变形。国内外多数研究资料认为可取压缩应变为5 时对应的应力值作为抗压强度。 2 叩 1 5 0 善 o1 0 0 r 倒5 0 0 u：印q口b uh ui u u 应变 图2 31 6 o o k g m 3 无侧限条件下应力与应变关系 3 许多研究表明e p s 的模量与密度具有良好的相关性。e r i l ( s s o n 和乃石放于1 9 9 1 年得出了线弹性阶段e p s 的弹性模量腓与密度p 具有如下的关系式3 7 1 ： e e 陌= o 0 0 9 7 p2 一o 0 1 4 j d + 1 8 ( 3 7 ) m a g m n 和s e 仃a t r i c e 于1 9 8 9 年则得出了如下的关系式： 胛= 0 4 7 9 p 一2 8 7 5 ( 3 8 ) 1 9 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 在线弹性范围内，e p s 的模量值不变。当荷载超过比例极限后，e p s 的模量值迅速 下降，因为荷载超过比例极限后，e p s 的空腔结构被破坏，其抵抗变形的能力大幅下降。 因此在设计中应采用低于e 聃值的弹性模量，这样在使用过程中e p s 的弹性模量可近 似保持恒定。与抗压强度一样，吸水、低温、冻融循环对e p s 的弹性模量也没有不利的 影响。e p s 的泊松比，由测试的径向和竖向应变计算得到，在0 0 7 0 1 1 之间【3 7 】。 4 无侧限条件下，e p s 泡沫材料达到屈服阶段的应力值整体要较有侧限条件下低。 见图2 4 和图2 5 【引。 3 芒 专2 晷 2 叩 i5 0 i 5 0 0 d2 04 06 08 01 0 0 应变e l 图2 4 有侧限条件下不同密度e p s 应力与应变关系 0 芒 暑衢o r 目 扣0 1 5 0 1 0 0 6 0 0 9 3 6 k g 1 3 1 3 6 7 k g - 3 1 4 6 3 k g 3 1 6 0 0 k g - 3 2 0 z 6 k g - 3 2 3 0 0 k g - 3 u z uq u口u强j l u u 应变e 腭 图2 5 无侧限条件下不同密度e p s 应力与应变关系 5 e p s 材料的蠕变性能 由图2 6 可以看出应变随时间的变化规律如下：不同荷载作用下，s l gr 关系曲线是 不同的。在该密度情况下当巧 7 5 l ( p a 以后，s l g ，曲 线开始随时间变化；由图2 6 中还可以看到，e p s 泡沫塑料在每级荷载加载前期变形响应 2 0 长安大学硕士学位论文 延迟，即前期变形量较平缓，其应变主要发生在后期的蠕变过程中。图中时间t 的单位为 分钟。 兰引 一，一一 鬈萎k 一。一至 剽一一“一 1 ：b 莲蓬堇蛰官薹蛰璧型 0 0 5 l 1 5 2 2 53 1 n 图2 6e p s 密度2 3 o o l g m 3 蠕变性能 6 通过加荷一减荷试验，发现e p s 的回弹再压缩曲线是前段荷载作用下的压缩曲线 的延续，犹如在此期间没有经过卸载和再压的过程一样。这一点与土比较类似。 图2 7密度2 3 o o i g m 3 e p s 加一减荷曲线 7 由图2 8 可知，密度为2 3 0 0 k g m 3 的e p s 泡沫塑料在围压增大时，体变以仃，= 8 0 k p a 为界线分为两个阶段，且两个阶段的体变与仃，基本呈线性变化；当仃，5 8 0 k p a 时，s ，的 变化值仅为5 ，而当仃， 8 0 k p a 以后，s 。的变化幅度很大，表明围压的增大，e p s 会产 生不可恢复的体积应变，这也解释了单轴压缩试验中在有侧限时，加载前期e p s 结构较 无侧限情况下容易破坏的现象。 u口山挪 钟爱v 图2 8e p s ( o l 一嘞) v 关系曲线 2 3 4 聚苯乙烯泡沫( e p s ) 的适用范围 迄今为止，e p s 在岩土工程中的应用概括起来有以下几个方面：防止软基上填土的 沉降，防止桥台和道路垂直错位，修建直立挡墙，地基的置换，作为一种减压、防冻、 防渗材料。其适用范围为：软基上的轻型填料；防止道路和桥台垂直错位；减轻 2 l 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 结构物顶部土压；斜坡上的填料；修建直立挡墙；地基的置换填料；隔离材料； 基础底座垫层；结构物上轻型填料；软基上埋设管道。 2 4 涵顶受力性状及地基土体沉降变形分析 涵洞埋设在土中，它与周围填土、地基共同作用，构成一个变形、受力相互协调， 彼此间相互关联、相互影响的统一结构体系，称其为“涵土结构”。在这个体系中，由 于填土的工作特性比较特殊导致了涵洞受力性状的复杂。本文将对不同土性参数下涵项 土体受力进行分析讨论。 2 4 1 计算模型描述 选取某涵洞建立计算模型，分析涵洞、填土和地基共同作用特性。由于具有对称性， 取一半进行研究，涵洞为4 米方涵，总长8 2 米。涵项填土4 0 米，路堤顶面宽1 3 米， 自上而下坡度分别为l ：1 5 、1 ：1 7 5 、1 ：2 ，各坡度填土高度分别为8 米、1 2 米、2 0 米。模型断面及有限元模型单元划分如图2 9 所示。 材料计算参数的选取如表2 2 所示。计算宽度取1 2 0 米，地基厚度取4 0 米，涵顶填 土高度取4 0 米，不考虑分级加载对地基的影响。讨论研究涵底土体的变形特性及涵顶 填土受力特性。 l 显一 图2 9 计算简图( 单位：m ) 2 4 2 高填路堤下涵洞结构受力分析 箱涵属于超静定结构，具有较大的刚度和抗扭能力，因而在偏心荷载作用下，其整 体受力情况比较优越，因此在公路行业被广泛应用。 长安大学硕士学位论文 1 填土弹性模量和泊松比的影响 本文中填土的弹性模量e 分别为1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 m p a 共五种情况分析弹性模 量对涵洞结构受力的影响。如图2 1 0 所示。 图2 1 0 路堤填土弹性模量对涵项垂直土压力影响曲线 从图中可以看出，土的弹性模量对涵顶垂直土压力的影响并不大，仅在路堤中心处 有微小影响，并随着弹性模量的增大路堤中心涵顶土压力逐渐减小。 土的另一个重要的参数是洎松比。本文中填土的泊松比肚分别为0 2 、0 2 5 、0 3 、 0 3 5 共四种情况分析泊松比对涵洞结构受力的影响。有限元计算表明，泊松比对涵洞的 受力影响也不大。如图2 1 1 所示。 图2 1 l 路堤填土泊松比对涵顶垂直土压力影响曲线 2 3 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 从图中可以看出，土的泊松比对涵顶垂直土压力的影响也不大，也是在路堤中心处 有微小影响，并随着泊松比的增大路堤中心涵顶土压力逐渐增大。 2 地基土弹性模量和泊松比的影响 本文中地基土的弹性模量e 分别为1 3 、2 2 、2 3 、2 5 、3 8 m p a 五种情况分析弹性模 量对涵洞结构受力的影响。如图2 1 2 所示。 从图中可以看出，地基土弹性模量为1 3 m p a 时沉降曲线有明显拐点，大于此值时 曲线便呈均匀增大形式。对于不同的地基土弹性模量，涵顶垂直土压力只在路堤中心处 有微小变化，并随着地基土弹性模量的增大路堤中心涵顶土压力逐渐减小。这与填土对 土压力影响规律一致。 图2 1 2 地基土弹性模量对涵项垂直土压力影响曲线 地基土的泊松比p 分别为0 2 、0 2 2 、o 3 三种情况分析地基土泊松比对涵洞结构受 力的影响。其影响曲线如图2 1 3 所示。由图中可以看出，三个泊松比下的曲线几乎重合， 可见，泊松比对涵洞的受力几乎没有影响。 2 4 长安大学硕士学位论文 图2 1 3 地基土泊松比对涵顶垂直土压力影响曲线 2 4 3 高填路堤下涵底土体沉降分析 由于涵洞与周围填土及地基共同作用构成“涵土结构”，因此研究涵底土体的沉降 规律对于减少涵洞破坏是很有意义的。本文通过几个参数对涵底土体沉降的影响来分析 其规律。 1 填土弹性模量和泊松比的影响 各参数仍选取与上节同样的数值。填土弹性模量及泊松比对涵底土体沉降的影响如 图2 1 4 、2 1 5 所示。 图2 1 4 填土弹性模量对涵底土体沉降影响曲线 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 图2 1 5 填土泊松比对涵底土体沉降影响曲线 从图中可以看出，填土弹性模量、泊松比取各种不同值时，几条曲线几乎重合，可 见填土弹性模量和填土泊松比这两个参数的变化对涵底土体沉降没有明显影响。 2 地基土弹性模量和泊松比的影响 各参数仍选取与上节同样的数值。地基土弹性模量及泊松比对涵底土体沉降的影响 如图2 1 6 、2 1 7 所示。 图2 1 6 地基土弹性模量对涵底土体沉降影响曲线 长安大学硕士学位论文 由上图看出，地基土弹性模量对涵底土体沉降有较明显影响，随着地基土弹性模量 的增加涵底土体沉降减小。尤其是在路堤中心处，且随弹性模量增大，路堤中心到计算 模型的地基边缘处沉降差逐渐减小。弹性模量为3 8 m p a 时，沉降差仅为5 5 c m ，而弹性 模量为1 3 m p a 时，沉降差高达1 5 5 c m 。因此地基土的模量取值太小时，会造成很大的 涵底土体沉降而导致涵洞与土体之间的接触不连续，临空部分的涵洞将独自承担上面传 递下来的荷载，不利于涵洞结构体的均匀受力。 图2 1 7 地基土泊松比对涵底土体沉降影响曲线 由上图看出，地基土泊松比对涵底土体沉降也是在路堤中心处差别较大，且随泊松 比增大，沉降差逐渐减小。泊松比为0 2 和0 3 时，路堤中心的沉降相差有7 c m 左右。 2 5 调荷措施有限元计算 前面提到已有不少学者做过涵洞减荷方面的研究，本文仍然用减荷的基本原理，通 过在涵项铺设减荷材料，改变填土土体沉降变形特性，使得未减荷段土柱( 外土柱) 作 用于减荷段土柱( 内土柱) 的摩擦力减小，降低作用在减荷段上的附加力，从而改善其 受力状况，甚至完全改变填土土体受力变形特性，使减荷范围内填土土层沉降量大于未 减荷范围内土层沉降量，外土柱产生相对于内土柱向上的滑动趋势，即给其一个向上的 摩擦力。调荷思路就是通过在涵顶铺设不同厚度的减荷材料，利用以往关于高填土路堤 涵洞研究成果，通过土压力集中系数对填土荷载进行折减，从而将涵洞横断面的减荷效 果体现于涵洞纵断面上，从而涵底土体的沉降也趋于均匀，达到减缓涵洞横向结构破坏 的目的。 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 2 5 1 计算模型确定 选取与上节相同的模型，计算讨论采取减荷措施情况下，涵顶垂直土压力及涵底土 体变形特性，以及减荷材料规格、长度、厚度对减荷效果的影响。 以箱涵为例，建立起计算模型，填土高度及地基土厚度均为4 0 米，柔性填料铺设 在距涵顶0 6 米处，厚度取2 0 8 0 c m 以聚苯乙烯泡沫塑料( e p s ) 作为柔性填料层。 e p s 材料的本构模型选用v o nm i s e s 准则，在偏应力张量的三个不变量中， j l = s i i - s x x + s w + s ：z _ 0 ，忽略j 3 对屈服函数的影响，则标准的v o nm i s e s 准则为： 删1 ：竿1 ：o 其中：仃y 为单轴均匀应力状态下的屈服应力；毛= 仃，一 仃址6 ，。 材料各项同向硬化，并用多条折线近似模拟室内试验得到的应力与塑性应变曲线。 e p s 材料的本构模型中材料参数的选取由本章第三节相关公式确定。 2 5 2 高填路堤下涵洞结构受力分析 由以往的计算经验，在涵项0 6 m 处铺设e p s 效果最好，本文采用此铺设方法。 1 e p s 模量和泊松比的影响 e p s 的弹性模量e 分别为0 5 、o 8 、1 2 5 、2 5 、5 a 五种情况分析弹性模量对涵 洞结构受力的影响。如图2 1 8 所示。 图2 1 8e p s 弹性模量对涵顶垂直土压力的影响曲线 图中显示，e p s 弹性模量小的在靠近路堤中心处减荷效果好些，而越远离路堤中心， 弹性模量大的效果反而好。在涵顶e p s 厚度发生变化处，垂直土压力发生突变。 2 8 长安大学硕十学位论文 e p s 的泊松比“分别为0 1 、o 1 5 、0 2 、0 2 5 、o 3 五种情况分析泊松比对涵洞结构 受力的影响。如图2 1 9 所示。 图2 1 9e p s 泊松比对涵顶垂直土压力的影响曲线 从图中可以看出，e p s 泊松比对于涵顶垂直压力的影响并不明显。e p s 的泊松比为 0 1 时在路堤中心处略显出减荷的优势。相较于未减荷情况，加入减荷材料后，路堤中心处 的荷载减少了一半，说明减荷效果明显。并且在e p s 厚度变化处，荷载发生了突变。 2 e p s 铺设长度的影响 分别选取几种e p s 铺设长度组合进行数值模拟，研究铺设长度对涵顶垂直土压力的 影响，得出如图2 2 0 所示曲线。 图2 2 0e p s 铺设长度对涵项垂直土压力的影响曲线 2 9 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 从图2 2 0 可以看出，当靠近路堤中心处的厚度为8 0 c m 的e p s 铺设长度不变而只改 变与其相邻的厚度为2 0 c m 的e p s 板铺设长度时，路堤中心处垂直土压力变化微小。当 前者铺设长度增大时，路堤中心处垂直土压力增大。当铺设长度随厚度变化次数较多时， 调荷效果最差。且每一种情况下，铺设厚度变化处垂直土压力都会发生突变。但是同未 铺设e p s 板相比，涵顶垂直土压力有了明显的减小，且更趋于均匀。 3 e p s 厚度的影响 由路堤中心向外铺设的e p s 厚度分别为h l 、h 2 、h 3 ，长度为固定值，h 3 = o 时，分别 为2 2 5 m 、4 5 m ；h 3 0 时，厚度均为2 2 5 m 。 图2 2 1e p s 厚度对涵顶垂直土压力的影响曲线 由图2 2 1 中可以看出，e p s 的厚度相差较小时，路堤中心处的减荷效果越好，但 是在厚度变换处土压力突变现象较为严重。与未加入减荷材料相比，减荷效果相当明显。 2 5 3 高填路堤下涵底土体沉降分析 1 e p s 模量和泊松比的影响 e p s 模量和泊松比取值同上，影响曲线如图2 2 2 、2 2 3 所示。 3 0 长安大学硕七学位论文 图2 2 2e p s 弹性模量对涵底土体沉降的影响曲线 图2 2 3e p s 泊松比对涵底土体沉降的影响曲线 由图2 2 2 、2 2 3 看出，未减荷时，涵底路基在路堤中心处与边缘处的沉降差近似为 5 5 c m ；加入减荷材料处理后，差值不到3 0 c m 。证明加入减荷材料后，的确起到了调荷 的效果。 2 e p s 铺设长度的影响 分别选取几种e p s 铺设长度组合进行数值模拟，研究铺设长度对涵底土体沉降的影 响，得出如图2 2 4 所示曲线。 第二章基于沉降控制的涵洞纵向调荷有限元分析 图2 2 4e p s 铺设长度对涵底土体沉降的影响曲线 由上图看出，铺设长度的改变对于涵底土体沉降的影响不是很大。但是与未铺设 e p s 板相比，沉降有明显减小，沉降差减小近一半。 3 e p s 厚度的影响 参数数值以上章节已经说明。e p s 厚度对涵底土沉降的影响曲线如图2 2 5 所示。 图2 2 5e p s 厚度对涵底土体沉降的影响曲线 由图2 2 5 可以看出，加入e p s 后，涵底土体在路堤中心处与坡脚处的沉降差有了 明显的减小。 3 2 长安大学硕十学位论文 2 6 小结 本章论述了高填路堤下涵洞结构有限元分析的原理、方法和步骤，给出了有限元分 析的主要计算公式。采用有限元方法分别对采用减荷材料和未采用减荷材料情况下高填 涵洞进行了建模计算，得出了不同土性参数下箱涵的受力性状及沉降情况。主要结论如 下： 1 在未铺设e p s 时，路堤填土及地基土的