高速黄土路基涵洞土压力分布特征研究

为探究高速黄土路基涵洞土压力分布特征,改进高填方涵洞结构设计,以山西省某拱涵为例,采用CANDE-2007有限元软件建立高填方涵洞数值分析模型,以涵洞设涵方式和填土高度为主要影响因素,揭示涵洞垂直土压力及沉降分布特征,分析不同填土高度下涵顶土压力系数变化,比较上埋式和沟埋式两种设涵方式涵洞涵顶土压力随填土高度变化特征,讨论设涵方式及土拱效应对涵洞应力的影响。在拱涵结构上部土体中布置土压力计,记录土体的实测土压力数据,并将数值模拟结果与实测数据结果相互验证。结果表明:涵洞中心与两侧土体的沉降明显不同,导致土拱效应的产生,是影响涵洞顶部垂直土应力变化的重要因素; 2种设涵方式涵洞涵顶土压力随填土高度变化均呈线性增长趋势;填土高度大于5 m后,随填土高度增加,上埋式涵洞土压力系数呈现先急剧增加再缓慢降低的变化趋势,涵顶伴随应力集中;而沟埋式涵洞土压力系数随高度增加逐渐降低后趋于稳定,其涵顶所受垂直土压力减小;沟埋式涵洞中心沉降值总是大于同等高度下上埋式涵洞的中心沉降;现场监测与数值模拟对比,实测土压力大于数值模拟结果,工程中涵顶应力集中现象更明显。     

涵顶形状对土压力的影响

采用有限元方法及模型试验对刚性地基上的上埋式涵洞进行施工模拟,分析方形涵洞和半圆形拱涵施工过程中填土沉降、等沉面及涵顶土压力的变化规律.结果表明:等沉面高度随填土高度的增大而减小,而且涵顶形状影响等沉面高度;涵顶形状不同,涵顶土压力分布和土压力系数变化很大.涵顶填土高度大于10倍涵洞高度时,方涵和半圆拱涵的等沉面高度分别趋近于3.1倍、2.7倍涵洞高度,涵顶土压力系数则分别为1.56、1.26.     

软基上埋式箱涵土压力的离心模型试验研究

为考察软基上埋式箱涵受力特性,通过离心模型试验,研究了其竖向和侧向土压力、土压力系数随填土高度变化的规律及周围填土位移场的变化情况.试验结果表明,使用桩基的箱涵与两侧路堤产生了显著的差异沉降,并在涵洞处形成了驼峰;内外土柱差异沉降在路堤中形成了拱脚位于涵顶两侧的上凸压力拱,并使拱脚处竖向土压力集中,且竖向土压力系数随路堤填筑呈开口向下的抛物线分布,在某一涵顶路堤高度下达最大值;同时,随涵顶路堤填筑,涵洞侧向土压力和侧向土压力系数增加,由于涵侧路堤以沉降为主的位移模式与挡土墙后填土不同,涵洞侧向土压力小于现行规范值.软基上路堤、涵洞和地基的协同作用分析表明,传统的强涵基、弱地基的设计理念将使涵顶竖向土压力集中,并导致结构失效.为降低涵洞结构破坏风险,建议采用轻质填料填筑涵顶、涵洞反开挖施工和结构设计考虑涵顶竖向土压力集中等措施.     

涵周土特性对高填方涵洞涵顶垂直土压力及变形特性影响的数值分析

为探明涵周土特性对高填方涵洞涵顶土压力及沉降特性的影响,基于数值仿真模拟,分析了不同涵顶填土模量、涵侧填土模量、地基土模量等因素对高填方不同结构型式涵洞涵顶土压力及其变形特性的影响,并结合计算结果提出相关的工程技术建议。研究结果表明:(1)随着涵填土模量E与涵侧填土模量Et的增大,涵顶垂直土压力σz、涵顶垂直土压力集中系数Ks及涵顶内外土体沉降差δ均呈现逐渐减小趋势,且涵侧填土模量Et较涵顶填土模量E影响更大;当涵侧填土模量大于涵顶填土模量的2倍时,Ks值可比二者相等时平均降低15%左右;(2)σz和Ks值随着地基土模量Ed的增大而增大,说明并非地基强度越大对高填方涵洞结构受力越有利,因此,当地基土质较差不能满足地基承载力要求而需采用地基处理时,应注意增大地基土模量对涵洞结构带来的不利影响;(3)涵洞结构断面不同,涵顶填土的沉降变形及垂直土压力σz变化规律也不同,在高填方涵洞设计中,应掌握不同断面型式涵洞各位置处的受力变形情况以及最不利点位置,合理选择涵洞断面结构型式。     

高填路堤涵洞受力及变形特性有限元分析

为研究高填路堤涵洞的受力及变形特性,建立了有限元计算模型。计算结果与工程实测吻合较好,并研究了涵顶土压力和沉降值的影响因素,得出了涵洞结构、尺寸、涵洞周围填土密实程度、EPS的厚度和宽度对涵顶土压力和沉降值影响的规律。     

预制盖板涵结构受力特性的数值模拟分析

通过数值模拟详细讨论了预制盖板涵的涵顶、台背和基底土压力分布情况。对盖板、侧墙和基础预制构件内力进行了分析。结果表明:涵周土压力呈非线性,盖板上垂直土压力中间小,两侧支撑点处大。侧墙土压力呈抛物线形,最大土压力位于距底端1/2～2/3处。基底最大压力约等于结构和上覆土体自重压力。涵洞与两侧边坡的距离差异引起涵周土压力与结构内力的差异,距离边坡较近,涵周压力和构件内力较小。在对涵洞预制构件进行设计计算时,除跨中弯矩抗弯能力外,应当重点考虑搭接位置处的抗剪强度。侧墙与基础底板搭接处的强度要求可根据侧墙底端剪力和基础轴力确定。     

湿陷性黄土地区公路钢波纹管涵洞的受力特征

为了推广钢波纹管涵洞在湿陷性黄土地区的应用,解决现有涵洞不均匀沉降问题,对钢波纹管涵洞施工过程中管周的受力特征进行研究。结果表明:钢波纹管内波峰、波谷、波侧填土初期应变值存在重新分布的现象;填土高度在管顶1.0~1.5 m时,管涵受力较为复杂,施工时应重点观测;波峰整体下半圆受拉,上半圆受压,而波侧与其相反;管外土压力随着填土高度增加而增加,且填土管顶增加1.5 m以内增长速度较快,后趋于平缓。     

高填方盖板涵垂直土压力分布特性及计算理论

为研究高填方盖板涵涵顶垂直土压力的分布特性,改进盖板涵土压力计算方法,采用离心模型试验与有限元软件分析不同填高下盖板涵涵顶垂直土压力分布形式与填土变形规律,揭示盖板涵涵顶垂直土压力分布特性的成因,通过正交试验研究涵顶土压力不均匀系数与填土高度、弹性模量、泊松比、容重以及内摩擦角的关系,建立考虑涵顶土压力分布特性的高填方盖板涵垂直土压力分析模型,得出盖板涵涵顶垂直土压力计算公式。结果表明:盖板涵涵顶垂直土压力沿跨径呈"马鞍形"分布,涵顶两端垂直土压力总体可达涵顶中心垂直土压力的2倍左右,涵顶两侧土压力应力集中程度明显高于涵顶中心附近;涵顶边缘附近受附加土压力的影响大于涵顶中心附近,此为涵顶垂直土压力为不均匀分布的成因;随着填土高度与容重的增加,涵顶土压力不均匀系数先增加后减小;涵顶土压力不均匀系数与填土的内摩擦角、泊松比呈负相关,与填土的弹性模量呈正相关;对涵顶土压力不均匀系数敏感程度的大小顺序为:内摩擦角填土高度弹性模量泊松比容重;文中公式计算得出的涵顶垂直土压力变化规律与数值模拟及模型试验成果较为吻合。     

上埋式拱涵应变分布特性及有限元分析

为研究高填路堤下涵洞的病害机理,对上埋式拱涵的应变分布特性进行了研究。通过对现场某实际拱涵应变的观测和有限元分析,在计算结果与工程实测吻合较好的条件下,得到了拱涵的应变分布特性。结果表明,在拱涵涵顶下部的拉应变最大,侧墙上部的应变较大,上拱45°位置的应变较小;填土荷载产生的混凝土裂缝最易在涵洞顶端下部出现,需补强。埋入EPS不仅能减小涵顶的最大竖向土压力,而且能全面改善涵拱结构的应变分布状况,从而改善涵洞断面混凝土的受力,能大幅降低涵洞混凝土的应变状态。     

基于填土-涵洞-地基共同作用机制的涵洞减载数值模拟研究

涵洞与填土、地基共同作用机理复杂,由涵洞结构、上覆填土与地基土刚度差异引起的涵顶应力集中往往使涵洞产生各种病害。文中基于填土-涵洞-地基共同作用机制,采用数值仿真软件,通过分析铺设EPS板、地基处理、复合处理(EPS板+地基处理)对涵顶垂直土压力及集中系数的影响,确定不同填高的合理减载方式;通过正交试验设计与分析,得到不同影响因素对涵顶垂直土压力的敏感程度;最后,根据研究结果提出合理的工程建议。研究结果表明:当填土高度H≤12m时,铺设的EPS板厚度h宜小于20cm,反之铺设的EPS板厚度h宜取20~40cm;涵洞地基处理时,当填土高度H≤9m、地基处理宽度L=2~3B(B为涵洞基础宽度),或H12m、L=B时,涵洞地基的刚度可适当增强,反之宜进行柔性地基处理;当填土高度H≤12m时,可通过地基处理或铺设EPS板减弱涵顶应力集中现象,反之宜采用EPS板、复合处理措施,复合处理措施的减载效果最佳;根据正交试验结果分析,不同影响因素对涵顶垂直土压力的敏感程度的大小顺序为EPS板厚度填土高度地基压缩模量地基处理宽度。     

高填方段大孔径波纹管涵结构受力性能试验研究

基于原位观测试验,通过对不同填土高度的管涵荷载及变形、管涵及涵周土体应力分布的全程量测,对不同填土高度下大孔径波纹管涵的力学性能进行了深入分析。结果表明,管顶始终处于压应力状态,从管顶向下至90度范围截面承载逐渐转为拉应力,而从90度截面至管底,波谷截面主要承受拉力,并至管底达到最大值,而波峰截面则由拉应力向压应力转变,至管底为压应力状态。波纹管涵应力及变形均随着填土高度逐渐增长,但其增速逐渐变缓,并最终趋于稳定,其大小均满足波纹管涵的使用要求。而涵顶与涵底土压力测试数据表明,波纹管涵土压力值与规范方法计算值存在较大差异,且差异随填土高度的增加进一步加大,表明高填方段的管涵土压力计算应进行适当折减。     

高填方波纹钢涵洞受力特性及地震动力响应研究

为研究高填方波纹钢涵洞在静力条件下的受力性能及其地震动力响应规律，以保泸高速公路芒宽连接线高填方大跨波纹钢涵洞工程为依托，开展了数值模拟计算。研究了不同填方高度下波纹钢涵洞的受力情况及地震作用下波纹钢涵洞不同部位的动力响应。结果表明:①波纹钢涵洞管顶及管底的竖向位移最大，左、右管侧横向位移最大。②波纹钢涵洞最大主应力主要出现在波纹钢波峰位置。最小主应力则主要集中出现在波纹钢波谷位置。③在地震作用下，波纹钢涵波峰断面Mises应力值远大于波谷断面，左右管腰附近破坏风险最大，波谷断面管顶处加速度有明显放大。     

高速公路高填方涵洞加筋减载设计方法介绍

以高填方涵洞实际工程加筋减载计算为例,阐述一套完整的高填方涵洞加筋减载设计方法。该方法具有以下特点：加筋减载原理科学,减载孔中松散填料与筋材相互作用产生“提兜效应”,可有效分散涵顶上方土压力;加筋可减小涵顶土压力,施工中可避免重型压实机械对涵洞的直接损伤,使得高填方涵洞安全性得到有效保障;涵顶土压力减小可使涵洞设计尺寸减小,节约工程造价。该方法思路新颖,对类似工程设计具有一定参考价值。     

减荷拱涵周围土体位移变化的离心模型试验

通过土工离心模型试验,利用拱涵模型模拟了实际路堤的回填材料、沟坡地形、减荷材料、地基形式及施工工艺,并使用图片测量软件分析了拱涵周围土体在未减荷与EPS板减荷工况下的变形运动性状和全局位移场的差异。根据试验结果再现了两种试验工况下,拱涵周围土体随填土高度增加的运动变化过程;模拟了EPS板变形作用下涵顶土拱的形成和基本形态;分析了拱效应影响下的拱涵基底土体的运动情况,发现通过卸荷拱转嫁到拱涵两侧土体的荷载促使基底两侧土体向基底中心运动,从而对基底产生了向上的反力,减小或阻止了拱涵自身的沉降。结果表明:合理模量和厚度的EPS板既可以减荷,也可以起到稳定结构纵向不均匀沉降的作用。     

圆弧形大跨径波纹钢板桥涵的静力分析

以平面应变理论为基础，对一跨径为12 m的圆弧形波纹钢板桥涵建立三维有限元模型，施加土体自重和汽车荷载进行静力分析，得出了等效应力分布规律。并与国外两种计算方法进行对比分析计算结果的差异，同时说明了差异出现的原因。结果表明:结构在恒载和活载的共同作用下变形很小，满足中国的规范要求；最大等效应力位于拱肩处，最小等效应力位于拱脚处；ANSYS法计算的极限压应力与CHBDC法计算出的极限压应力非常接近，且均小于国外两种方法计算出的抗压强度。     

基础形式对深埋双孔钢波纹管涵承载特性的影响

依托某高填方路基斜跨深切冲沟工程实例,针对不同基础形式的高填土双孔钢波纹管涵的承载特性,通过有限元数值模拟,选取基础圆心角及刚度进行正交对比,分析管涵的应力分布及变形规律。结果表明:双孔钢波纹管涵相互作用、彼此制约,延管涵竖向轴线两侧受力非对称,在靠近相邻管涵一侧应力及变形均小于另一侧。当基础刚度一定,随圆心角θ增大,基础包裹管涵的区域增大,约束作用增强,管涵变形随之减小,应力呈减小趋势且分布更为均匀,有利于管涵承载。当基础圆心角θ一定,刚度改变时,填土约束作用最小,管涵应力整体较大,变形最大,混凝土基础的约束作用最强,管涵变形最小,但易引起局部应力集中,约束作用居中的灰土基础,具有较好的变形协调作用,应力较小且集中现象不明显,管涵变形可控、可知,圆心角θ=180°的灰土基础是较为理想的基础选型。     

双级加筋土挡墙动力特性振动台试验（双语出版）

针对目前多级加筋土挡墙动力试验研究不足的状况,通过大型振动台模型试验对地震荷载作用下双级土工格栅加筋土挡墙的动力特性进行研究。运用Bockingham π定理对双级土工格栅加筋土挡墙模型进行相似设计,采用标准砂作为回填砂、混凝土砌块作为挡墙和土工格栅作为筋材构成试验模型,并测试墙体和回填土的反应特性,得到土压力、墙面位移和土体加速度。试验结果表明：地震作用下挡墙立面墙体呈现倾斜并带有屈曲外鼓变形模式;挡墙水平位移、顶部沉降及分层沉降均随着地震峰值加速度增大而增大,最大值发生在挡墙顶部;随着输入地震荷载增大,砌块式挡墙缝隙中先出现淌砂,最后顶部模型砖掉落,挡墙破坏;加速度沿墙高存在放大效应,地震峰值加速度放大系数随着峰值加速度的增大而减小;下级挡墙峰值动土压力均呈现“中间大两端小”分布规律;上级挡墙峰值动土压力在小震时呈现“中间大两端小”,强震时呈现“中间小两端大”分布规律;台阶处下级挡墙顶部动土压力和水平位移均大于上级挡墙底部相应值。研究成果可为双级土工格栅加筋土挡墙的抗震设计提供理论支持。     

不同土性下L型挡土墙土压力研究

运用有限元法对L型挡土墙在不同土性的填土情况下分层逐级填筑进行了模拟,重点分析了填料强度对土压力的影响、挡墙基底应力分布情况和材料刚度对墙体受力的影响规律,结果表明:当砂性填土φ＞30°,墙背水平侧压力将趋于相等; 粘性填土c＞20 kPa时,墙背水平侧压力不再受φ值影响而趋于相等;无论是砂土还是粘土,当填土材料强度达到一定程度时,其挡墙外部检算安全系数将在一个稳定值附近波动,墙背土体未达到极限平衡状态;挡墙基底应力分布呈“马鞍形”,基底平均应力［σ］＜140 kPa;地基刚度对土压力影响比填料小。     

UHPC-NSC组合式盖板涵设计与优化

UHPC-NSC组合式盖板涵能够在不明显增加结构造价的情况下,提高结构抗裂性能,并适应更大的跨度和填土高度;给出了考虑收缩徐变影响的组合式盖板涵设计方法,针对不同填土高度对盖板涵截面形式进行优化,考虑了土拱效应出现的条件,给出了填土高度2~10 m时的盖板涵标准化设计。