高填方涵洞涵顶土压力影响因素敏感性分析.pdf

第3 2卷第2期 2 0 1 5年 6月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g in e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 3 2 NO 2 J u n 2 01 5 I l Cj 同 填方涵洞涵顶土压力影响因素敏感性分析 马 强 朱 健 肖衡林 湖北工业大学土木工程与建筑学院 湖北武汉4 3 0 0 6 8 摘要 高填方涵洞土压力受多种因素的影响 在对高填方涵洞受力影响因素归纳的基础上 筛选出埋设涵洞 的沟谷宽度 沟谷边坡角度 地基土模量 填土模量 填土黏聚力和内摩擦角这 6个主要影响因素 通过数值模 拟对涵顶土压力系数的变化规律进行了分析 确定了上述 6个因素产生有效影响的取值区间 根据正交试验 原理 建立 2 5个正交化数值模拟试验模型 针对上述 6个主要影响因素 对高填方涵洞进行了影响因素敏感性 分析 最后的极差分析结果表明 埋设涵洞的沟谷宽度和沟谷边坡角度是影响高填方涵洞涵顶土压力的最为主 要和敏感的因素 填土模量 填土内摩擦角和地基模量对涵顶土压力有较显著影响 填土的黏聚力对涵顶土压 力影响较 小 关键词 高填方涵洞 土压力系数 影响因素 敏感性分析 正交试验 中图分类 号 U 4 4 9 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 0 9 8 5 2 0 1 5 0 2 00 0 8 05 Or t h o g o na l Po la r Diffe r e n ce Ana ly s is f o r S e ns it iv it y o f t h e Fa ct o r s I n fl ue n cin g t he Ea r t h Pr e s s ur e s o n Hig h Emba n kme n t Cu lv e r t MA Q ia n g Z H U J ia n X I A O 一 f S ch o o l o f C i v i l E n g in e e rin g a n d A r ch it e ct u r e H u b e i U n iv e r s it y o f T e ch n o lo g y Wu h a n 4 3 0 0 6 8 C h in a Ab s t r a ct Th e e a r t h p r e s s u r e o f h ig h e mb a n k me n t cu lv e r t is in fl u e n ce d b y ma n y in t e r n a l a n d e x t e r n a l f a ct o r s Ba s e d o n t h e i nd u ct io n o f f a ct o r s in flu e n ce t h e e a r t h p r e s s u r e o n h ig h e mb a n k me n t cu lv e r t t h e v a lle y wid t h s lo p e a n g le s u bs t r a t e s o il mo d u lu s mo d u lu s co h e s io n a n d i nt e r na l f r ict io n a ng le o f e mb a n k me n t fi ll a r e s cr e e n e d o u t a s t h e 6 ma i n in fl u e ncin g f a ct o r s Th e v a r ia t i o n s o f co e ffi cie n t o f e a r t h p r e s s u r e o n t h e cr o wn o f cu lv e rt a r e a n a ly z e d v ia n u me r ica l s imu la t io n a n d t he r a n g e o f t h e f a ct o r s h a v e e f f e ct iv e i n fl u e n ce o n t h e e a rth pr e s s ur e a r e d e t e r min e d Acco r d in g t o t h e p r in cip l e o f o rth o g o n a l t e s t 2 5 n u me r ica l mo d e l s a r e in s t a lle d f o r t h e a n a ly s is o f t h e s e n s i t iv i t y o f i n fl u e n ce f a ct o r s o n t h e e a r t h p r e s s u r e s o n h ig h e mb a n k me n t cu l v e r t Th e r e s u lt s s h o w t h a t t h e wid t h a n d s l o p e a n g le o f t h e t r e nch a r e t h e mo s t imp o r t a n t a n d s e n s it iv e f a ct o r s for t he e a rth p r e s s ur e s o n t h e cr o wn o f t h e h ig h e mba n k me n t cu l v e r t T h e mo d u l us a nd f ri ct io n a n g le o f t h e b a ck fill a s we ll a s t h e s ub g r a d e mo d u lu s h a v e s e co n d a r y s ig n i f ica n t e ffe ct O i l t he e a r t h p r e s s u r e Ho we v e r t h e co he s io n o f t h e ba ck fi ll h a s lit t le e f f e ct o n t h e e a r t h p r e s s u r e Ke y wo r ds h ig h e mb a nk me n t cu lv e r t t h e co e ffi cie n t o f e a rth p r e s s u r e in fl u e n cin g f a ct o r s e n s i t iv i t y a n a l y s is o rtho g o n a l t e s t 山区公路建设往往会穿越 沟谷地区 这些区 域通常地形较为复杂 地层的分布也不均匀 在山区建成的高填方涵洞大多存在不 同程度的病 害 作为一种深埋构造物 高填方涵洞 的受力 受其几 何尺寸 埋设方式 所处 的地形 和地 质条 件 路堤填料性质等诸多因素的影响 在正 确认识各种因素影 响规律的基础上 开展涵洞受 力影响因素敏感性分析 对高填方涵洞 的设计和 收稿 日期 2 0 1 5 01 0 6 修回 日期 2 0 1 5 0 3 02 作者简介 马强 1 9 8 3 男 湖北丹江 口人 副教授 博士 研究方 向为岩土工程 E ma i l ma q i a n g 9 2 7 1 6 3 co i n 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 2 0 8 1 8 7 黄土地 区公路建设与养护技术交通行业重点实验室开放课题 K L T L R Y 1 2 1 1 第 2期 马强等 高填方涵洞涵顶土压力影响因素敏感性分析 9 施工具有重要的意义 目前为止 有关涵洞的研究多集 中在涵顶 土 压力计算及对涵洞减载方 面 J 对涵洞受力影 响因素的研究虽然也有不少 的研究成果 这些工 作主要是通过模型试验 或有限元计算 m 对 比分析 不 同涵 管 孔 径 J 不 同涵 洞 基 础 型 式 J 及不 同填土高度时涵洞 的受力状况 此 外 部分研究工作分析 了涵洞地基 刚度和涵洞结 构型式与尺寸等对涵洞受力 的影 响规律 然 而 这些研究工作对影响因素的分析仅考虑了单 一 变量所引起 的土压力变化情况 没有分析各影 响因素间的交互作用和土压力对各影响因素的敏 感性 在对影响涵洞受力的主要 因素归纳分析 的基 础上 本文采用有限元计算手段 选择 6个影响因 素进行正交试验 分析这些影 响因素交互作用下 对涵洞受力的影响 并进行极差分析 对土压力系 数受各因素影响的敏感性进行排序 1 正交试验原理及流 程 1 1 正交试验设计原理 单因素或两因素 的试验 所分析 的影 响因素 较少 采取全面试验时的分析规模也不算大 但 试验 因素较多时 如果采取全面试验分析 所需试 验的数量 次数较多 受限于试验 条件或时间原 因 实施的可能性不大 这 时就要从 各因素 的所 有水平组合 中挑选 有代表性 的部分组合 进行试 验 利用正交试验原理就可以解决这类问题 正交试验设计就是从全面试验点中挑选出有 代表性的部分点进行试验 正交设计在选择试验 点时可利用正交表 正交表具有均匀分散 正交可 比两大特点体现其正交性 j 1 2正交模拟设计分析流程 根据正交试验原理 文 中进行正交试验结合 有限元分析的设计流程分 四步 1 列 出确定影响因素水平表 2 选择合适 的正交表 3 正交试验方案设计及试验结果 4 对试验结果进行极差分析 2 数值模 型试验设计 2 1 计算参数与几何模型 将涵洞路段按照平 面应变 问题进行分析 采 用 P L A X I S有限元软件建立二维数值 模型 在 涵 洞 填土和边坡 等不 同材料之间的接触面上使用 接触单元来考虑摩擦作用 采用基于广义胡克定 律的理想线 弹性模 型来描述涵洞 洞身构件 和基 础 采用 Mo h r C o u lo mb理想弹塑性模 型描述地基 土 边坡和填土 主要参数见表 1 表 1 数值模拟参数 模型的几何条件如 图 1所示 采用板单元描 述涵体构件的受力与变形特性 涵洞结构高 h 8 m 基础宽度 D 1 0 m 涵体宽度 b 8 m 左右两 侧山体边坡的坡角相等 均为 涵洞左右侧墙到 对应边坡的距离均为 模型底部采用 固定端约 束水平向与竖向位移 模 型两侧采用水平位移约 束 图1 涵洞路段几何模型示意 不同填土高度时的土压力系数数值模拟结果 如图 2所示 图 2土压力 系数 随涵顶填土高度 变化规律 由图2可以看 出涵顶填土高度在 1 8 m以上 土压力系数趋 于稳定 故在后述分析 中选取涵顶 填土高度 H 1 8 m 2 2 影响因素取值 区间确定 在对文献归纳的基础上 选择影响涵洞受力 的 6个主要因素 包括沟谷宽度 涵洞所处沟谷边 坡的角度 地基土模量 路堤填料的模量 黏聚力 和内摩擦角进行分析 确定正交试验 中各影 响因 1 0 土木工程与管理学报 2 0 1 5笠 素的取值区间 上述 6个 因素对涵顶土压力系数 的影响规律如图 3 8所示 1 沟谷宽度 有限元计算时几何参数取值为 h 8 0 r n D 1 0 m b 8 0 m H 1 8 m 6 0 使 发生变 化 涵顶土压力系数变化规律如图 3所示 图3 侧墙到坡脚的距离对涵顶土压力系数的影响 由图 3可知 沟谷地形对涵洞的有效影 响宽 度约为 3 0 m 当 小于 3 0 m时 涵顶土压力 系 数随 的增加而增大 当 大于 3 0 m 以后 涵顶 土压力系数逐渐趋于稳定 因此 在正交试验设计时选取沟谷宽度取值 区间为 0 3 0 m 2 边坡角度 有限元计算几何模型中取 h 8 0 m D 1 0 m b 8 0 m H 1 8 I n L 1 0 m 沟谷边坡的坡角 分别取 1 0 3 0 5 0 7 0 和 9 0 进行数值模拟 所得涵顶土压力系数的变化规律如图4所示 4 边坡角度对涵顶土压力系数的影响 图 4表明了边坡角度从 1 O 向9 0 变化时 其 对涵顶土压力系数均具有影响 故正交试验选取 边坡角度取值范围 l0 9 O 进行分析 3 地基土模量 有限元计算几何模 型中取 h 8 0 r n D 1 0 m b 8 0 m H 1 8 m 山体边坡坡角 6 0 H 1 0 m 改变地基土的模量 得到涵顶土压力系数 如图5所示 由图5可以看 出 地基土模量 由 1 MP a增大 到 2 0 MP a 时 涵顶土压力 系数变化较大 当地基 土模量增大至4 0 M P a以后 涵顶土压力集中系数 地 基 土 模 量 MP a 图 5 地基模量对涵顶土压力系数的影响 虽然继续增大 但增速减缓 同时 考虑地基模量 常见 的可能变化范围 正交试验选取地基土模量 变化区间为 1 6 0 MP a 4 填土模量 为确定路堤填土模量 黏聚力 内摩擦角等填 料性质对涵洞受力状态的影 响规律 有限元计算 模 型中 H 1 8 m 山体边坡坡 角 6 0 L 1 0 n q 分别改变路堤填土模量 黏聚力 内摩擦角等 参数的取值进行数值模拟 所得涵洞土压力系数 的变化规律如图 6 8所示 不同路堤填土模量 时 涵顶土压力系数 的变 化规律如图6所示 当路堤填土模量从 1 MP a 增 大到 3 0 MP a 时 涵顶土压力系数变化较大 当填 土模量大于 6 0 MP a后 涵顶 土压力系数趋于稳 定 同时 考虑填土模量可能变化 的范围 正交试 验选取填土模量变化区间为 1 8 0 M P a 填 土 模 量 MP a 图6 填土模量对涵顶土压力系数的影响 5 填土黏聚力 当路堤填土黏聚力发生变化 时 涵顶土压力 系数的变化规律如 图 7所示 由图 7可以看 出 填土黏聚力从 0 增 至 4 0 时 涵顶 土压力 系数都 会发生变化 正交试验选取黏 聚力变化 区问为 0 4 0 kP a 填 土 黏 聚 力 k P a 图 7 填土黏聚力对涵顶土压力系数的影响 第 2期 马强等 高填方涵洞涵顶土压力影响因素敏感性分析 1 l 6 填土内摩擦角 路堤填土 内摩擦角变化时 涵顶土压力系数 的变化规律如图 8所示 随路堤填土 内摩擦角 的 增加 涵顶土压力系数逐渐减小 填土内摩擦角 由 1 增大到 6 0 时 涵顶土压力系数减小约 0 0 9 正 交试验选取填土内摩擦角变化区间为 1 6 0 图8 涵顶土压力与路堤填土内摩擦角关系曲线 3 正交试 验结果 与极差分析 以上述分析为基础 确定 了影 响涵顶土压力 6个 因素变化区间 根据正交试验原理 按照 5水 平确定步长 各因素在不同水平的取值列于表 2 表 2 涵顶土压力系数影响因素的水平取值 根据表 2中各 因素在不同水平 的取值 进行 6因素 5水平正交试验 正交表如表 3 其 中因素 1 6分别表示沟谷宽度 沟谷边坡角度 地基模 量 填土模量 填土黏聚力和填土 内摩擦角 各影 响因素分别按照表 3中的水平 在表 2中选取对 应水平 的取值 对表 3中 2 5种组合情况分别建 立有限元模型 计算涵顶土压力系数 计算结果列 于表 3 由影响因素所对应 的沟谷宽度 沟谷边 坡角 度 地基模量 填土模量 填土黏聚力和填土 内摩 擦角 进行正交组合后进行有限元计算 各因素在 不 同水平 时涵顶土压力系数均值 K 及各 因素在 不 同水平 时涵顶土压力系数均值 的极差 尺 如表 4所示 表3 L 5 6 涵顶土压力影响因素的水平取值 嘲因素 2因素 3因素 4 NN 5因素 6 表 4 涵顶土压力影响因素在各水平的 值 及极差 R 根据极差分析原理 极差越大说明因素对涵 顶土压力系数的影响越大 由表 4可 以看 出 沟谷 宽度对应 的极差 为 0 6 2 沟谷边坡 角度极 差为 0 4 填土模量极差 0 3 填土内摩擦角极差 0 2 8 地基土模量极差为 0 2 1 填土黏聚力极差 0 1 4 按照极差的大小判 断因素 的主次顺序 影 响因素 的主次顺序为 沟谷宽度 沟谷边坡角度 填土模量 填土 内摩擦角 地基模量 填土黏聚力 即沟谷宽度及沟谷边坡角度对涵顶土压力的 影响最大 故在涵洞埋设时必须注意所埋设沟谷 1 2 土木工程与管理学报 2 0 1 5丘 地形的影响 特别是在 涵洞左右两侧地形或到沟 谷距离有明显差异 时 尤其要注意地形条件所 引 起的涵洞结构受力的非对称性 其次是路堤填土 模量和填料内摩擦 角对涵顶土压力 的影响 可以 采用具有较高模量的填筑材料 或具有较大 内摩 擦角的材料作为路堤填料 以利于减小涵顶的土 压力值 地基模量对 涵顶土压力具有一定 的影 响 该因素的影响规律与其他因素相反 地基模量 大时 涵顶土压力也会增大 由于地基土的压缩 性也反映地基承载力 的高低 工程 中不宜人为减 小地基模量 以避免承载力不足或过大 的沉降 4 结 论 本文通过根据正交试验原理 利用数值模 拟 对涵洞受力 的6个主要影响因素进行的敏感性分 析 得到如下主要结论 1 沟谷宽度对涵顶土压力有效影 响宽度 为 3 0 in 沟谷边坡 角度变化时 土压力系数发生 波 动 坡角在 3 0 和 7 0 左右时 土压力系数较小 地 基土模量在 0 2 0 MP a时 对涵顶土压力系数影 响明显 填料模量 由 1 MP a增大到 3 0 MP a 涵顶 土压力系数变化显著 2 各因素对涵顶土压力影响大小依次为沟 谷宽度 沟谷边坡角度 填土模量 填土 内摩擦角 地基模量 填土黏聚力 根据上述结论不仅可判断出各影响因素的主 次 而且在判 明影 响因素对土压力系数影响趋势 的基础上 预计出各影响因素取值将产生的土压 力系数系统响应 可为涵洞的设计和施工以及涵 洞减载方法确定提供指导和参考 2 3 参考文献 郑俊杰 马强 陈保国 高填方涵洞地基承载力 分析 J 华 中科技 大学 学报 自然 科学 版 2 0 0 9 3 7 4 1 1 5 一 ll8 顾 安 全 上埋 式 管 道 及 洞 室垂 直 土 压 力 的研 究 J 岩土工程学报 1 9 8 1 3 1 3 1 5 马强 郑俊杰 张军 山区涵洞受力影响因素 的数值模拟分析 J 合肥工业大学 自然科学版 2 0 0 9 3 2 1 0 l5 1 4 1 5 1 7 4 C h e n B a o g u o Z h e n g J u n j ie H a n J i e E x p e r im e n t a l s t ud y a n d n ume r ica l s imu la t io n o n co ncr e t e bo x cu l v e r t s in t r e n ch e s J J o u r n a l o f P e r f o r ma n ce o f C o n s t r u ct e d F a ci li t i e s 2 0 1 0 2 4 3 2 2 3 2 3 4 5 郑俊杰 马强 张军 加筋减载涵洞的涵顶土 压力计算 J 岩土工程学报 2 0 1 1 3 3 7 1 1 3 5 1 1 41 6 Z h e n g J u n j i e L u o D e p i M a Q i a n