（道路与铁道工程专业论文）高速公路涵洞结构受力模式及实用减荷技术研究.pdf

原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 毖 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 摘要 近年来 随着交通基础建设的快速发展 我国的高速公路从人口 密集的平原区向人口稀少的山区延伸 这使得修建的高填方涵洞越来 越多 为确保涵洞的安全使用 需要正确的分析 计算涵洞结构 而 其中的关键就是如何正确的计算涵项垂直土压力 另外 如何采取合 适的涵顶减荷措施 保证涵洞结构的安全与经济 这都具有重要的研 究意义 本文结合厦门至成都高速公路湖南段中的高填方涵洞工程 进行 现场试验 以土工格栅作为填土加筋材料 测试分析涵顶填土在有 无加筋的情况下的涵项垂直土压力 再建立相应的数值模型进行分 析 取得的主要研究成果如下 1 在涵项填土未加筋情况下 现场测试和数值模拟计算的结果 都表明 当填土高度达到一定值后 涵顶垂直土压力明显大于理论值 仃 脚 对于高填方涵洞仍采用理论值计算是偏于不安全的 2 通过数值模拟分析涵项垂直土压力的影响因素 结果表明 沟谷边坡坡度越陡 涵顶垂直土压力越小 基础开挖宽度越小 涵项 垂直土压力越小 填土的重度7 越小 涵顶垂直土压力系数越小 填 土的弹性模量e 越大 涵顶垂直土压力系数越小 3 在涵项填土加筋情况下 现场测试和数值模拟计算的结果都 表明 当填土高度达到一定值后 涵顶垂直土压力明显小于理论值 盯 涵顶填土中铺设土工格栅起到了很好的减荷作用 4 通过数值模拟分析加筋减载的影响因素 结果表明 铺设土 工格栅的层数越多 涵项垂直土压力越小 铺设土工格栅的间距越小 涵项垂直土压力越小 关键词 高填方 涵洞 垂直土压力 土工格栅 减载措施 辜 j l i nr e c e n ty e a r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n s c o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y t h eh i g h w a yi se x t e n d e df r o mt h ep l a i na r e a t ot h em o u n t a i na r e a i tl e dt ob u i l tm o r ea n dm o r eh i g h b a c k f i l lc u l v e r t s i no r d e rt oe n s u r et h es a f eu s i n go fc u l v e r t s i t sn e e d e dt oa n a l y s ea n d c a l c u l a t et h ec u l v e r t ss t r u c t u r ea c c u r a t e l y a n dt h ek e y p o i n ti sh o wt o c 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 eo nt h et o po fc u l v e r t i na d d i t i o n h o w t ou s ea p p r o p r i a t em e a s u r e st or e d u c et h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r eo nt h e t o po fc u l v e r ta n dt oe n s u r et h es a f e t ya n de c o n o m i z e do fc u l v e r t s s t r u c t u r e t h er e s e a r c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ec u l v e r tu n d e rh i g h b a c k f i l lo fx i a m e nt oc h e n g d u h i g h w a yp r o j e c ti nh u n a np r o v i n c e t h r o u g hf i e l dt e s ta n du s i n gg e o g d d s a sr e i n f o r c e dm a t e r i a l si nt h ef i l l t h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r eo nt h et o po f c u l v e r ti st e s t e da n da n a l y s e di nt h ec o n d i t i o no fw i t ha n dw i t h o u t r e i n f o r c e dm a t e r i a l si nt h ef i l l a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lm o d e l s a r es e u e du pt oa n a l y s e t h em a i nr e s u l t so fr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s 1 w i t h o u tr e i n f o r c e dm a t e r i a l si nt h ef i l lo nt h et o po fc u l v e r t t h e r e s u l t so ff i e l dt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a tw h e nt h eh e i g h t o ff i l lr e a c h e dac e r t a i nv a l u e t h ev e r t i c a le a c hp r e s s u r ei ss i g n i f i c a n t l y g r e a t e rt h a nt h et h e o r e t i c a lv a l u e c r t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni s n o ts a f ef o r t h eh i g h b a c k f i l lc u l v e r t ss t r u c t u r e 2 t h ee f f e c tf a c t o r so fv e r t i c a le a r t hp r e s s u r ew e r ea n a l y s e d i t s h o w e dt h a tt h es l o p eo f g u l l yi ss t e e p e r t h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r ei sl e s s t h ew i d t ho ff o u n d a t i o ni ss m a l l e r t h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r ei sl e s s t h e d e n s i t yo ff i l li ss m a l l e r t h ec o e f f i c i e n to fv e r t i c a ie a r t hp r e s s u r ei sl e s s t h ee l a s t i cm o d u l u so ff i l li sg r e a t e r t h ec o e 伍c i e n to fv e r t i c a le a r t h p r e s s u r ei sl e s s 3 w i t hr e i n f o r c e dm a t e r i a l si nt h ef i l lo nt h et o po fc u l v e r t t h er e s u l t s o fo n t h e s p o tt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r es h o w e dt h a tw h e nt h e h e i g h to ff i l l r e a c h e dac e r t a i nv a l u e t h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r ei s s i g n i f i c a n t l yl e s st h a nt h et h e o r e t i c a lv a l u e t r t h eg e o g r i d sc o u l db e u s e dt or e d u c et h el o a do nt h et o po fc u l v e r t h 4 t h ee f f e c tf a c t o r so fr e i n f o r c e m e n tl o a dr e d u c t i o nw e r ea n a l y s e d i ts h o w e dt h a tt h eg e o g f i d sa r ep a v e dm o r e t h ev e r t i c a le a r t hp r e s s u r ei s l e s s t h es e p a r a t e d i s t a n c eo fg e o g f i d si ss m a l l e r t h ev e r t i c a l e a r t h p r e s s u r ei sl e s s k e yw o r d s h i 曲 b a c k f i l l c u l v e r t v e r t i c a le a r t hp r e s s u r e g e o g r i d s r e d u c i n g l o a dm e a s u r e m e n t 广 目录 摘要 i a b s t r a c t h 目录 第一章绪论 l 1 1 涵洞的概念 1 1 2 课题研究背景 2 1 3 研究现状 3 1 3 1 涵洞垂直土压力研究现状 3 1 3 2 涵洞减荷措施研究现状 6 1 4 涵洞顶垂直土压力计算方法 7 1 5 本文研究内容 1 2 第二章高填方涵洞工程的加筋土技术研究 1 3 2 1 引言 l3 2 2 加筋土技术研究概述 1 3 2 3 土工合成材料的分类及特性 1 4 2 4 土工合成材料的加筋原理 1 5 2 4 1 摩擦加筋原理 1 6 2 4 2 准粘聚力原理 17 2 4 3 等效围压原理 1 8 2 4 4j u r a r l 加筋理论 1 9 2 5 涵洞填土加筋减载的原理 2 l 第三章涵洞顶垂直土压力及加筋减载的现场测试 2 3 3 1 引言 2 3 3 2 依托工程概况 2 3 3 3 现场测试方案 2 4 3 4 土压力盒的检验 埋设及数据处理 2 8 3 5 土工格栅的分类 铺设施工 3 1 3 6 现场测试结果 3 4 3 6 1 未设置土工格栅的涵顶垂直土压力测试结果 3 4 3 6 2 设置土工格栅的涵项垂直土压力测试结果 3 6 3 7 现场测试结果分析 3 7 3 7 1 涵项垂直土压力与填土高度的关系 3 7 3 7 2 涵项垂直土压力系数与填土高度的关系 3 8 3 7 3 减荷效果分析 3 9 i v 3 8 小结 3 9 第四章高填方涵洞受力性状与加筋减载的数值模拟 4 0 4 1 数值模拟方法概述 4 0 4 2 有限元计算理论 4 0 4 2 1 加筋土的本构模型 4 0 4 2 2 涵顶填土加筋的单元离散 4 l 4 2 3 土体单元 4 2 4 2 4 土工格栅单元 4 6 4 2 5 土工格栅与土体的接触单元 4 7 4 3 未设置土工格栅的涵顶土压力变化规律的数值模拟 5 1 4 3 1 计算模型及材料参数的选取 5 l 4 3 2 有限元模型的建立与网格划分 5 2 4 3 3 未加筋试验的数值模拟计算结果及分析 5 3 4 3 4 涵顶垂直土压力影响因素的分析 5 7 4 4 设置土工格栅的涵顶土压力变化规律的数值模拟 6 2 4 4 1 计算模型及材料参数的选取 6 2 4 4 2 有限元模型的建立与网格划分 6 3 4 4 3 加筋试验的数值模拟计算结果及分析 6 3 4 4 4 加筋减载影响因素的分析 6 8 4 5 j 结 7 1 第五章结论与展望 7 3 5 1 结论 7 3 5 2 有待进一步研究的问题 7 3 参考文献 7 5 致谢 7 9 攻读硕士学位期间发表的论文 8 0 v 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 涵洞的概念 第一章绪论 公路上用来跨越山谷 河流 线路等障碍的建筑物称为涵洞 其功能是确保 上面行车及行人交通的正常运行 并确保涵洞下面的水流或交通流宣泄 根据 公 路桥涵设计通用规范 j t gd 6 0 2 0 0 4 的规定 当单孔跨径 5 m 和多孔跨径 印 1 2 式中 7 填土的容重 k n m 3 9 上覆土的内摩擦角 k 侧向土压力系数 介于主动土压力系数与静止土压力系数之间 马斯顿取主动土压力系数 k t a n 2 4 5 一e 2 d 埋管的直径 m 日 上覆土层厚度 m 砌 等沉面的高度 m 按下式计算 d 一一 缈 p e 钟一f n 2 k t a n 缈列f 1 7 沉降比 为实验系数 对于埋设在一般地基上的刚性管可以取 0 5 m 8 f 突出比 指埋管顶部突出原地面以上的高度与埋管外径之比 马斯顿土压力理论首次指出了涵管本身与其两侧填土刚度的不同引起了管 顶垂直土压力的变化 因此 马斯顿的功劳是不可磨灭的 在我国 铁路桥涵设 计规范和水电部门的设计规范主要就是采用此计算理论 但是由于垂卣十压力的 8 硕十学位论文 第一章绪论 影响因素较多且复杂 马斯顿土压力理论并没有全埋考虑诸多因素 而且在公式 推导中 其有关假定也存在一些问题 归纳起来有以下几个方面 1 马斯顿假定涵顶内外土柱问存在垂直滑动面 但在填土足够密实的情 况下 涵顶内土柱与两侧外土柱之间并不存在明显的滑动面 实际上由于涵管刚 度较大而引起的填土不均匀沉降发生在涵顶部填土的一定范围内 且逐步向宽度 和高度方向扩展 2 马斯顿土压力公式推导中 关于外土柱对内土柱的附加摩擦力是采用 内土柱的压力乘以主动侧压力系数和摩擦系数计算的 但进一步分析研究显示 在涵洞顶部内外土柱的不均匀沉降过程中 应该是外土柱相对于内土柱的滑动面 自上而下滑动 所以根据摩擦定理应该取外土柱的压力与主动侧压力系数和摩擦 系数的乘积比较合理 3 马斯顿土压力公式中 等沉面 高度砌填土高度日无关 但是相关 研究显示 等沉面 高度坳随着填土高度日的增加而增加 2 从变形条件出发 以弹性理论解为基础的计算方法 即弹性理论法 这种计算方法最初是以捷克的布鲁什卡为代表 该方法从填土 地基和涵管 的变形条件出发 以虎克定律为基础 把涵管顶填土假定为半无限弹性体 涵管 假定为条形基础 以附加垂直土压力的形式反作用在填土上 这样就可以采用半 无限弹性体的应力公式 运用类似于分层总和求解基础沉降的办法 计算出填土 相应变形 继而按照应力与应变的比例直线关系 反算出附加压力 最后附加压 力与涵管顶土柱压力的和即为涵管顶总的垂直土压力 这种方法是从涵管顶填土 的变形考虑 比较符合实际 避免了如马氏假定管顶土柱两侧存在垂直滑动面带 来的一系列问题 但是 由于计算引入了半无限弹性体的应力公式 用于计算低 填土时误差较大 且土体应力应变要分层求解 计算复杂 现在基本不用此方法 长安大学的顾安全教授根据此原理 并进一步简化 假定涵项填土中的应力 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 公式如下 4 垃国 b 1 p 2 g 1 3 f t 去江 耻 溉可 刮 硕士学位论文 第一章绪论 式中 j i 涵洞高度 包括基础厚度 m 日 涵洞顶填土高度 m b 涵洞宽度 m 皱 与刚性构筑物长宽比 l b 3 a 基底形状有关的系数 如表1 4 洞顶填土的侧膨胀系数 泊松比 e e 分别是涵洞填土与涵侧填土高度范围内的变形模量 或压缩模 量e e 1 一拿生 e 平均值 m p a e 与邑的取值可以 l 一 作为常量 但最好分别按p r n 2 及p r h 2 h 在室内压 缩试验所提供的e 一p 曲线上作为常量查取 穆 涵洞截面 包括基础 的外形影响系数 r l b b l b l a h 其中b l 为截面换算宽度 a 为涵洞外形截面面积 对没有襟边 的矩形 方形涵洞 显然r l 表1 4 吐值 l t t o cl t t o cl b mt o c 6 1 cl b i眈 3 o1 4 6 66 oi 8 4 69 o2 0 9 11 2 o2 2 2 81 5 o2 2 9 3 3 51 5 4 06 5 1 8 9 59 52 1 2 01 2 52 2 4 3 5 52 2 9 8 4 01 6 l o7 o1 9 4 l1 0 o2 1 4 71 3 o2 2 5 61 6 o2 3 0 2 4 51 6 7 57 51 9 8 31 0 52 1 7 l1 3 52 2 6 81 6 52 3 0 5 5 o1 7 3 68 o2 0 2 21 1 o2 1 9 21 4 02 2 7 81 7 02 3 0 7 5 51 7 9 38 52 0 5 81 1 52 2 l l1 4 52 2 8 61 7 52 3 0 8 顾安全公式不仅理论正确 而且计算方法相对简单 经多次现场试验结果证 实了其公式计算的准确性 我国一些部门制定的规范就是依据其理论 总体来说 以弹性理论为基础的涵洞土压力计算方法依据明确 但是计算公 式中涉及土体的粘聚力 内摩擦角和土体的变形模量等难以测得的土工参数 而 且由于高填方路堤的填料性质 粒径等变化较大 使得不易准确测取这些计算参 数 另外 计算理论的一些假设与实际情况区别较大 在高填方涵洞的土压力计 算中使用这种方法受到了一定限制 3 卸荷拱法 卸荷拱法是俄国学者普罗托基亚可诺夫于1 9 0 7 年提出的 他认为岩体中存 在许多纵横交错的节理裂隙 把岩体切割成尺寸不等 形状各异 整体性完全破 坏的小岩块 由于岩块问相互嵌入 可将其视为具有一定内聚力的松散体 在岩 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 体中丌挖洞室后 由于应力进行重新分布 破坏了洞室围岩 并首先使得顶部岩 体塌落 当这种顶部塌落达到一定程度后 岩体进入新的平衡状态 形成自然平 衡拱 有人把这种拱称为压力拱 依据普氏卸荷拱理论及涵项填料的性质 可以 认为当涵管埋置较深时 由沉降产生的滑动面不可能贯穿填埋土体 散粒体 的整 个高度 而是达到一定高度后彼此连接 在涵管上方也会形成一个封闭区 在封 闭区上方形成自然卸荷拱 作用于涵管上的土压力等于破坏区 卸荷拱旱的区域 的土体重量 作用在涵管上的垂直土压力小于项部土柱的重量 而等于卸荷拱下 的 移动 土体的重量 隧道 矿山坑道的支护设计和受力分析运用的就是卸荷拱理论 其基本原理 是这些地下洞室的开挖是一个卸荷过程 先有岩土后有洞室 但是对于高填方 涵洞 则是先有洞室后加载网填 与隧道的受力与空间形成过程相反 依据隧道 的卸荷拱形成原理 要在高填方涵洞上方形成土拱效应 需要使涵洞上方填土在 一定高度范围内产生向下的位移 使涵洞仅承受此向下位移的土体重量 但是对 于已压实的涵洞回填土 其下沉位移很小 难以形成拱效应 而且如果沉降位移 较大对涵洞和路面结构的安全很不利 另外 形成拱效应还与洞室上方岩土的高 度和强度有关 隧道的材料是天然岩体 而涵洞上方的材料则是人工回填的松散 土体 这增多了高填方涵洞的拱效应的形成条件和影响因素 即使在高填方涵洞 上方填土中产生卸荷拱 其稳定性也与隧道上方的卸荷拱明显不同 如果采用隧 道的卸荷拱理论进行高填方涵洞的土压力计算 可能会过低估计了涵洞上方的土 压力 使涵洞的结构不安全 4 压力集中系数法 由于上埋式土压力计算理论暂不完善 苏联学者维诺格拉多夫建议计算上埋 式涵洞垂直土压力值时采用土压力集中系数法 其公式如下 盯 k r h 1 5 式中 k 上埋式涵洞顶垂直土压力集中系数 其值是根据前苏联某些 已建成的安全使用的上埋式管道最大承载力与管项填土土柱 压力的比值确定的 填土容重 k n m 3 管顶填土高度 m 压力集中系数法的公式形式简单 设计人员容易接受 此方法在我国的市政 水利 电力等设计部r i p 泛采用 但是该方法的计算结果较实际土压力的偏离程 度不能确定 也无法计算出涵洞垂直土压力真实值的 5 假定土压力与填土厚度成比例的土柱压力法 这种方法假设土体的极限应力状念不因为涵洞的存在而改变 直接取上埋式 硕士学位论文 第一章绪论 涵洞垂直土压力值等于涵洞顶部土柱重量 其公式为 仃 1 6 式中 y 填土容重 k n m 3 日 管顶填土高度 m 目前我国 公路桥涵设计通用规范 1 3 6 l 就采用此方法 但是这种计算方法不 考虑涵洞刚度与两侧填土刚度的差别 沟槽边界条件等影响因素以及涵项土压力 应力集中现象 对于刚性涵管 其计算结果会偏小于实际土压力 6 有限元等数值分析方法 这种方法是运用有限元或边界元 对涵洞周围土体划分单元 建立刚度矩阵 从而求解位移与应力 学者最初是采用有限元程序进行分析计算 现在 随着计 算机技术的发展 有限元分析软件已广泛应用于现代工业的各个领域 例如 a n s y s 软件 m a r c 软件等 均已逐步被一些学者运用于求解上埋式管道的受 力与沉降变形中 利用有限元方法分析涵洞与填土体共同工作的特性是目前分析涵一土问题 最有力的工具 虽然该分析方法的物理概念难于的让人理解 但作为一种仿真分 析方法 可以快捷 经济的解决问题 当然 有限元法也有其固有的缺点 从应 用于岩土工程的实例来看 有限元计算结果的准确性 很大程度上取决于有限元 计算软件的优劣 计算参数的选取以及几何模型的确定 1 5 本文研究内容 本文结合厦门至成都高速公路湖南段中的高填方涵洞实体工程 拟作以下几 方面的研究工作 1 在涵顶填土未加筋状态下 进行涵项垂直土压力的现场试验测试和数 据分析 结合数值模拟计算 分析涵项垂直土压力的特性 与规范的理论值r h 进 行比较 2 在涵顶填土加筋状态下 进行涵顶垂直土压力的现场试验测试和数据 分析 结合数值模拟计算 分析研究加筋路堤下筋材一土一涵洞作用体系的相互 作用以及涵顶垂直土压力的特性 3 比较分析加筋状态与未加筋状态的涵顶受力特性 证实加筋减载的效 果 1 2 硕士学位论文第二章涵洞填七加筋减载的原理 2 1 引言 第二章高填方涵洞工程的加筋土技术研究 关于高填方涵洞土压力减荷措施的研究中 文献 3 7 3 8 都是采用在涵洞顶 铺设e p s e x p a n d e dp o l y s t y r e n e 板材 即膨胀性聚苯乙烯泡沫塑料板 其依据 的原理是通过在涵洞项填筑柔性填料 间接减小涵洞刚度 促使涵顶填土与涵侧 填土的沉降差减小 从而减小涵顶垂直土压力 但是柔性填料的沉降压缩量难以 掌握 控制不好会引起路面的沉降 这对公路工程来讲是不允许的 因此 本文 研究在涵顶填土中加筋减载的效果 2 2 加筋土技术研究概述 加筋土技术就是在土体中加入筋材 发挥筋材的抗拉性能 利用筋材与土体 之间的摩擦作用 限制其周围土体的侧向变形 使土体的整体性增强 从而提高 了土体的抗剪强度 因此在该项技术中 选择和使用哪种加筋材料的是最为关键 的 在现代社会罩 随着土工合成材料的产生和广泛应用 使得加筋土技术的飞 跃发展 土工合成材料是由高分子聚合物 聚乙烯p e 聚脂p e r 聚酞胺p a 聚丙烯p p 聚氯乙烯p v c 等 制成的用于岩土工程的材料 是对各种由聚合物 制成的土工产品的总称 土工合成材料在土体内部能够承受较大的拉力 所以可 以极大地改善土体的受拉能力 将加筋技术运用到土木工程中 国外是从5 0 年代末期开始相关方面的试验 研究 1 9 2 6 年美国南卡罗林拉州公路部门在处理路基沉降时使用在棉布上洒沥 青而制成的材料 相当于现在的土工膜 之后 为了加强游泳池的防渗效果又使 用聚氯乙烯p v c 土工膜 1 9 5 4 年荷兰在护岸防冲和港口工程中首次使用了尼龙 纤维制成有纺织物 1 9 5 7 年德国的b a u e r 公司将土层锚杆运用到深基坑中 1 9 5 8 年美国佛罗罩达州大西洋海岸防冲刷措施中利用聚氯乙烯有纺织物置于土与块 石之间 经过2 7 年后的观察 其使用状态一直保持良好 1 9 6 3 年在r 本国营土 建工程中广泛应用土工格栅 土工膜 1 9 6 8 年法国在道路工程采用针刺无纺柿 英国在道路丁程采用热粘无纺命 德国则在渠道岸边防护工程采用短纤维制成的 针刺无纺布一j 我国的加筋土技术丌始于7 0 年代术 首先是少数工程技术人员采用塑料和 化纤产品等合成材料试用于土木建筑工程中 取得了一些成果 但没有在全国范 1 3 硕士学位论文 第二章涵洞填十加筋减载的原理 围内推广 随着1 9 7 9 年在云南建立了第一座8 m 高的加筋土挡墙并取得圆满成 功后 土工加筋技术的应用和研究在我国受到了极大的重视 并在近三十多年来 得n t 极其迅猛的发展1 4 0 1 在公路 铁路 水运 水利 城建等涉及土木建筑 水利水电建设领域的各个主要方面都开始使用加筋土技术 并且我国还建立了一 系列相应的完善的加筋土工程技术规范 而土工合成材料在公路工程中的最早应 用是将土工织物用于软土地基上的路基加筋 津京塘高速公路将土工织物铺设于 路堤底部 和塑料排水板结合进行地基处理 取得了较好的效果 随着土工合成 材料近几年的发展 采用土工合成材料建造的加筋土挡墙和加筋土桥台迅速增 加 虽然土工合成材料加筋技术在公路 铁路 桥梁 房屋建筑 水利等工程中 广泛应用 但是主要研究支挡结构加固 路堤和地基加固 路面结构加筋和桥头 跳车处理等几个方面 而在涵顶加筋减载方面则研究较少 因此本文有其研究意 义 2 3 土工合成材料的分类及特性 硕士学位论文 第二章涵洞填十加筋减或的原理 0 8 1 0 因此主要用作加筋材料 土工网是合成材料条带编织或合成树脂压制成的具有较大孔眼 刚度较大的 网状合成材料 土工网的抗拉强度较低 延伸率较高 常用于坡面防护 植草 软基加固挚层 或用于制造复合排水材料 一般说来 它只有在受力水平不高的 场合 才能用于加筋 土工模袋是由上下两层土工织物制成的大面积连续袋状材料 袋内充填混凝 土或水泥砂浆 凝固后形成整体混凝土板 可用作护坡 这种袋体代管了混凝土 的浇注模板 故而得名 土工格室是由强化的高密度聚乙烯宽带 每隔一定问距以强力焊接而形成的 网状格室结构 由于格室对土的侧向位移的限制 可大大提高土体的刚度和强度 它可用于处理软弱地基 增大其承载力 沙漠地带可用于固沙 还可用于护坡等 超轻型土工合成材料是以聚苯乙烯聚合物为原料加入发泡添加剂而制成 又 称泡沫塑料 成板块状 由于其质轻 可用它代替土料 填筑桥端的引堤 解决 桥头跳车问题 其导热系数低 故在寒冷地带 可用该材料板块防止结构物冻害 例如在挡墙背面或闸底板下 放置泡沫塑料以防止冻胀等 4 复合型土工合成材料 它由土工织物 土工膜和某些特种土工合成材料中两种或两种以上的材料互 相组合而成 可将不同构成材料的性质结合起来 以满足具体工程的需要 1 复合土工膜 土工膜与土工织物组合 称为复合土工膜 复合土工膜有许多优点 例如 土工膜与有纺型土工织物复合 可以对土工膜加筋 保护膜不受运输或施土期问 的外力损坏 土工膜与无纺型织物复合 不仅对膜提供加筋和保护 还可起到排 水排气的作用 同时提高膜面的摩擦系数 复合土工膜在水利工程和交通隧洞工 程中有广泛的应用 2 复合土工排水材料 复合土工排水材料是以无纺土工织物和土工网或不同形状合成材料芯材组 成的土工应用的排水材料 常用的有塑料排水板 用于软土地基处理 可加速排 水固结 2 4 土工合成材料的加筋原理 土体一般具有一定的抗压强度 但是抗剪强度较低 假设一块自由土体其侧 面上没有约束 在其顶面施加压力 则在不大的压力作用下 土体将被压坏 如 果把同样的一块土体被放进一个刚性盒中 其侧面完全受到约束 不可能有横向 扩张 则在其顶面上加压 压力虽然达到很大值 土体也不会被压坏 这个假设 1 5 硕七学位论文第二章涵洞填十加筋减载的原理 说明了一个简单的道理 土体受压时是否破坏与土的侧向变形大小有关 土体的 侧向约束越强 能承受的压力就越大 所以 要提高土体的承载能力可以从减小 其侧向扩张这点出发 在土体中铺设水平方向的加筋材料 并将土体压实 土体与加筋材料密切结 合成复合土体 加筋土 当在复合土体的表面施加荷载时 由于加筋材料与周 围土之间有较大的摩擦力 有时还有较大的咬合力 从而限制了土的侧向变形 相当于在土体侧面上施加了约束力 为了分析土体加筋后复合土体强度提高的原 因 维达尔等人分别进行了三轴试验和现场试验 提出了各种假说来解释和阐述 筋土之间的相互作用机理 根据至今为止的研究结果 筋一土相互作用的基本理 论大致可归纳为 1 三种经典理论 摩擦加筋原理 准粘聚力原理或似粘聚力 等效围压 理论f 4 2 1 2 j u r a n 加筋理论 2 4 1 摩擦加筋原理 如图2 1 所示 为加筋土复合体中筋一土之间的基本构造 在加筋体中取出 一微元段讲 作用在筋材上的法向应力为盯 略去筋带重量和微元体土体重量 叮 t 广 中 t 暑 图2 i 摩擦加筋原理图 设 厂为拉筋与土粒之间的摩擦系数 b 为筋带宽度 打为土的水平推力在 该微元段拉筋中所引起的拉力 d t 不一瓦 设印为土粒与拉筋在该微元段上 产生的总摩擦力 则有 d f 2 0 f o d t 2 1 分析该微元体的受力可知 如果 d f d t 2 2 则筋一土之问就不会发生相互错动 即筋一土之 日j 的摩擦力克服了土的推 力 微元体能保持稳定 反之则失去稳定 1 6 硕士学位论文第二二章涵洞填十加筋减载的原理 从公式 2 1 2 2 可知 拉筋材料需要满足两点特性 是表面相糙 使筋一土之间能产生足够的摩擦力 二是具有足够的强度和弹性模量 要保证在 筋一土之间产生错动前拉筋不被拉出以及拉筋的变形与土体的变形大致相同 摩擦加筋原理的概念明确 简单 在加筋土挡墙的试验中得到了较好的验证 因此 在加筋土的实际工程中特别是加筋土挡墙中得到了较广泛的应用 但是 摩擦加筋原理不考虑筋带的受力变形 也没有考虑土是非连续介质 具有各向异性的特点 因此对高模量的加筋材料 如会属加筋材料比较适用 对 加筋材料本身模量较小 相对变形较大的合成材料 如塑料带等 其结果只能 是近似的 2 4 2 准粘聚力原理 加筋土结构是各向异性的复合材料 一般筋材的弹性模量远大于土体的弹性 模量 筋材与土体共同工作 其作用包括了土体的抗剪力 土体与筋材的摩擦力 以及筋材的抗拉力 这明显提高了加筋土的强度 若在土中设置了筋材 由于筋材和土体之间的摩擦力作用 当土体上作用垂 直应力时 在筋材中将产生一个轴向力限制着土体的侧向变形 相当于在土中增 加了侧向约束 从而提高了土体的强度 维达尔等人做过相关试验 证实加筋土 的强度与土体的抗剪强度 土体和筋材之间的摩擦系数 筋材的抗拉强度 筋材 数量等有关 加筋土在受力变形过程中可能出现筋材抗拉极限状态 筋材与土体 之间摩擦一粘着极限状态以及土体抗剪极限状态 加筋土的强度分析主要针对前 两种 第三种只有当筋材与土体的弹性模量相近时才会出现 可以用库伦理论和莫尔破坏准则来说明加筋土比无加筋土强度提高的原因 依据库伦理论 土体的极限强度为 f c r t g a c 2 3 式中 f 土的极限抗剪 盯 土体受到的正应力 c 土的粘聚力 够 土的内摩擦力 当c 0 时 为砂土 当c 0 时 为粘上 设吼 为土样破坏时的最大主应 力 仃 为土样侧面的最小主应力 由土样的莫尔圆与土样的库仑强度在土样破 坏时相切的条件 可知 盯l 仃3 t 9 2 4 5 9 2 2 c 4 5 o 2 2 4 在三轴对比试验中 如果未加筋土样在q 吼作用下达到极限平衡 见图 2 2 所示 l 为未破坏时的应力状态 2 为未加筋砂极限破坏状态 在相同应力状 1 7 硕十学位论文 第二章涵洞填十加筋减载的原理 态下 叽不变 则加筋砂未破坏 而达到极限破坏状态时是吼增至qr 如摩尔 圆3 所示 加筋前后 砂样的妒值不变 对于加筋后土体强度的提高 有一条新 的强度线来反映这些关系 比较加筋砂和未加筋砂试验的极限平衡条件可知 加筋砂中多了一项由c 引 起的强度增加 从三轴对比试验的结果来看 见图2 2 2 3 所示 加筋砂与未 加筋砂的强度线几乎平行 说明加筋前后砂样的缈值基本不变 但加筋砂的强度 曲线与纵坐标f 相截 而不通过盯一f 的坐标原点 其截距c 相当于式 2 4 中 的c 所以式 2 7 3 和式 2 4 对加筋砂土是成立的 可以认为加筋砂土力学 性能的改善是由于新的复合土体具有某种 粘聚力 的缘故 砂土本身是没有这 个 粘聚力 的 而是砂土加筋后的结果 在试验中对加筋砂样施加的侧向力为 盯 而实际上砂样受到的侧向力是1 3 a t r 而 吼正是由砂样与筋材之问的 摩擦力产生的 但在最后结果的表示中却被c 所代替 事实上 它不是粘聚力 而是加筋土的强度增量 为了方便表示 我们把这个粘聚力叫做 准粘聚力 或 似粘聚力 它反映了加筋土复合体本身的材料特性 图2 2 无筋及加筋砂强度分析图2 3 无筋及加筋砂强度曲线 将c 看作加筋土的强度增量 用该原理不但可分析加筋砂的工作机理 同样 可用来分析粘土类加筋土 2 4 3 等效围压原理 y a n g 4 3 l 首先提出将加筋土中筋材的作用看成一个附加围压来分析筋土破 坏 d o n a l d l 4 4 j 等人用等效围压的概念对三轴试验中加筋土的破坏进行了较好的分 析 等效围压就是指三轴压缩剪切试验中 试样在相同的围压作用下 加筋土样 的应力一应变曲线比不加筋土样的高 破坏主应力差大 加筋土样抗剪强度增大 的效果相当于提高了作用于试样的围压 加筋效果相当于为土体增加了一个侧向 围压a t r 假设该压力在加筋范围内平均分布 当上下两加筋层之间的距离为 a h 则计算公式为 1 8 硕l 学位论文 第二章涵洞填十加筋减载的原理 以 量 2 5 c r 35 右 式中 名 加筋材料的单宽抗拉强度 2 4 4j u r a n 加筋理论 j u 砌1 4 5 1 1 4 6 1 等人曾利用x 射线成像技术研究了加筋土试样中加筋周围土体的 位移场 研究表明 若假设筋土界面之间为理想粘结状态 即筋土问无相对位移 则加筋中拉力的增长和砂土中沿加筋方向的应变率具有良好的相关性 另外 试 验还发现 在筋一土之间力的传递机制过程中 砂土的剪胀性起显著作用 参照试验结果 j u r a n 指出加筋理论应该合理的考虑以下重要因素 砂土的力学特征 尤其是剪胀性 加筋的延展性 加筋与试样中潜在破裂面的方位关系 j u r a n 分别假设砂土 筋材的力学模型 筋一土之间相互作用模型 即力的 传递机制模型 1 砂 对于砂土的变形特性 j u r a n 用弹性力学模型来描述 认为砂土是一种均质 各向同性 应变硬化材料 服从非关联流动法则 在剪切过程中 可以忽略砂土 的弹性应变 砂土的屈服函数用m o h r c o u l o m b 屈服准则表示 f 吒 z 二 h z 0 2 5 j 式中 为应力张量 f 当 旦为偏应力 s 当 旦为平均应力 z 为 应变硬化参量 h z 为应变硬化函数 应变硬化被假定为各向同性 以剪应变来表示应变硬化参量 z 厂 f l 9 3 2 6 式中 毛 岛为最大 最小主应力 对于松砂 用双曲函数表示应变硬化函数 i i i z 七 2 7 1 9 学位论文 第二二章涵洞填士加筋减载的原理 孓于三轴试验 三 f i g a 丢 s i n 屯 a d 对于直剪试验 三 i g 吾 切n 丸 对于密实砂 用抛物线型函数表示应变硬化函数 批 2 篱 2 8 对于三轴试验 口 4 o g i s i n 2 一 1 2 6 2 鲁 s i n s i n 以 a 对于直剪试验 仃y s i n 丸分别代替 s i n 痧 式 2 7 2 8 中 文为三轴试验中初始各向同性固结应力 盯y 为直剪中 的正应力 g 为初始剪切模量 丸为临界状态砂土的 内摩擦角 j l 卜兰卑 当砂试样发生塑性流动时 假设其应力比一剪胀率关系如下 叩 三 s i n 丸一三 2 9 其应力不变量 p 口 的形式为 刁 m 一 q 2 1 0 热7 2 争g 2 吼哪p 2 华 虬 葡6 s i n g 为修正 假设塑性应变增量与主应力轴方向一致 弹性应变可以忽略 则 鱼 一譬 一拿 2 i i 一 一 一 a q d y p d 将 2 1 1 式代入 2 1 0 式并积分 得出其塑性势函数 9 e p g 吾一2 i 兰生 1 r 一 去 害 c 2 2 硕士学位论文第二章涵洞填土加筋减载的原理 式中 仇为在 p q 平面内 塑性势函数与临界状态线相割时所确定的各 向同性应力 2 筋材 用理想弹塑性材料束描述筋材 其应力 应变的关系式为 d o j i f e d 占r 且盯rsr 7 2 1 3 式中 e 为筋带的弹性模量 研为抗拉强度或抗拉拔强度 3 筋一土相互作用 在三轴试验中 试样侧向由于轴向荷载而膨胀 而这种侧向变形被筋一土之 间的摩擦力限制 所以 筋材弹性模量的大小决定试样侧向膨胀的大小 由于筋 一土之间的摩擦力 偏转了试样中的主应力 但j u r a n 的分析模型中把应力偏转 的影响忽略了 在对加筋土试样进行直接剪切时 密实砂发生剪胀 而筋一土之间的摩擦力 将限制剪胀的产生 所以 剪胀的大小取决于加筋弹性模量的大小 另外 加筋 的方向与剪切破坏面的央角也影响限制剪胀大小 为此 j u r a n 用一系列弹簧等效筋材的作用 用一弹簧系统等效加筋土 筋 土之间的联系通过应变相容 计算公式为 d 6 拧 d e 3 崧d c l 且d o r e d e 只 2 作用于加筋土样上的等效应力计算公式为 盯l 盯r 仃3 仃尹 仃3 2 1 5 式中 仃s 等 q 兰筹盯 如骨为筋材的应变增量 d e c l c 2 为 为砂土的应变增量 叮黟为试验加载应力 e 为筋带厚度 s 为加筋 的垂直f h j 距 通过以上提出的理论模型 j u r 锄进行了试验 试验结果显示 试验值与模 型预测值吻合得很好 之后 他又利用该模型进行了参数研究 得出的重要结论 为 当加筋土发生筋带的拉断破坏时 筋材的延伸性 即弹性模量e 控制着砂 土抗剪强度 矽 的发挥 2 5 涵洞填土加筋减载的原理 加筋土体中 加筋材料能改善土体的力学性能 当加筋按平行于土体内部应 2 l 第二章涵洞填十加筋减载的原理 布置时 能弥补填土抗拉能力的不足 土体抗拉性能的改善是加筋 互作用的结果 加筋土体内通过筋材与土体间的相互作用传递应 力通过填上和筋材之问的摩擦力和被动土压力传递 如图2 4 控力 f 图2 4 a 土一筋材问摩擦力的传递 摩擦阻力被动土压力 摩 图2 4 b 筋材表面所受被动阻力 图2 4 中 摩擦力在填土和筋材表面之问存在相对剪切位移和相应剪应变的 地方产生 摩擦力重要的部位 筋材应与填土一加筋相对运动的方向一致 对于 钢带 土工布和一些土工格栅之类的筋材 均存在摩擦力的作用 被动土压力发 勘 一 硕士学位论文第二章涵洞顶艰直十压力及加筋碱载的现场测试 第三章涵洞顶垂直土压力及加筋减载的现场测试 3 1 引言 为了准确反映涵顶垂直土压力的变化规律 以及准确分析涵顶垂直土压力在 填土加筋与未加筋状态下的变化规律 本文结合厦门至成都高速公路湖南段中的 高填方涵洞实体工程进行现场测试 3 2 依托工程概况 1 工程简介 宁远至道县高速公路是国家高速公路网规划 7 9 1 8 网 中的厦门至成都国 家高速公路湖南省段的重要组成部分 该公路缩短了东西部地区 中南地区和西 北地区的时问距离 有效的调整东 中 西部三大区域的网络结构 促使区域经 济由不平衡发展逐步趋向予平衡发展 路线全长9 1 k m 2 工程地质条件简介 1 地形地貌 项目区按地貌成因类型及其特征 主要划分为侵蚀堆积河谷地貌 构造剥蚀 溶蚀 丘陵地貌 构造剥蚀 溶蚀 浅切割低山丘陵地貌及溶蚀岩溶地貌四大 类 侵蚀堆积河谷地貌 主要分布于潇水 湫水河 永明河 濂溪河及其支流 一带 潇水 袱水河 永明河河流两岸宽缓平坦 有l 1 i 缴阶地分布 河流冲 洪积厚薄不均 一般5 l o m 局部厚度在l o m 以上 线路多次斜跨或垂直跨越 河流 线路经过段河床地面标高多在1 7 0 2 3 0 m 之间 构造剥蚀 溶蚀 丘陵地貌 为剥蚀丘陵 残山 垄岗和准平原地形相间 出现 地形起伏不大 地势相对低沣平坦 地面标高一般为1 9 0 2 4 0 m 局部残 山 孤峰地面标高为2 8 0 3 2 0 m 覆盖层厚度大 分布广 基岩出露少 构造剥蚀 溶蚀 浅切割低山丘陵地貌 地形起伏较大 基岩出露较多 第四系覆盖层零星分布 石英砂岩分靠的地势较高 构成低山地貌区 地面海拔 高程为4 0 0 5 0 0 m 灰岩 粉砂质泥岩 粉砂岩 页岩分布区地形起伏不大 多 形成低矮丘陵地貌区 地面海拔高程 般为2 8 0 3 6 0 m 线路主要沿沟谷 低山 坡脚及丘陵等相对平缓地段分布 溶蚀蚀岩溶地貌 零星分布于碳酸盐岩类地层分枷区 该区岩性以狄岩 硕士学位论文 第三章涵洞顶垂直土压力