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。     

基于土拱效应的高填方涵洞EPS减荷技术研究

通过大型高填方涵洞原位减荷试验,对采用EPS减荷材料下的土压力和位移进行了监测,借助土拱效应机理将未减荷情况与不同厚度EPS减荷情况下的结果进行了对比分析,研究了EPS材料的减荷特性及减荷后涵洞受力性状的变化规律。结果表明:EPS减荷效果显著,减荷后涵洞结构受力有所改善。     

山区地形条件对高填方涵洞涵顶土压力及沉降特性影响的数值分析

为探明山区地形条件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,分析不同涵洞结构断面型式、沟谷宽度、沟谷坡度条件下高填方涵洞涵顶土压力及其涵顶土体沉降变形规律,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)沟谷宽度B与涵顶垂直土压力σz及土压力集中系数Ks呈正相关,沟谷坡度α与涵顶垂直土压力σz及土压力集中系数Ks呈负相关;(2)沟谷宽度小于5D、沟谷坡度大于45°时,涵顶土压力集中系数Ks较小,涵洞结构受力最有利,高填方涵洞施工应充分利用原有地形地貌,尽可能保留边坡;(3)不同涵型涵顶土压力及沉降变形特性差异较大,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,综合考虑进行涵洞断面结构型式的合理选型。     

基于EPS减荷措施的高填涵洞试验研究

通过大型高填方涵洞原位减荷试验，对采用EPS减荷材料下的土压力和位移进行了监测，将来减荷情况与不同厚度EPS减荷情况下的结果进行了对比分析，并采用Marc有限元分析软件对其进行了数值仿真，研究了EPS材料的减荷特性及减荷后涵洞结构相关性状的变化规律。结果表明：EPS减荷效果显著，减荷后涵洞结构受力有所改善．为工程设计与施工提供了有效的指导和参考依据。     

EPS板减荷材料在高填路堤涵洞中的应用

介绍了EPS板的特性,在论述其对高填方涵洞的减荷原理的基础上,将其应用于广元至巴中高速公路K45+015涵洞,在高填方涵洞顶面和侧面铺设一定厚度的EPS板高压缩柔性材料,结果表明,EPS板材料具有显著的减荷作用,为EPS材料在高填路堤结构物中的应用进行了有益探索。     

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。     

高填方涵洞减荷措施有限元计算分析

对采用减荷措施的高填方涵洞进行有限元计算,分析其在此条件下的垂直土压力、侧向土压力及基底土压力,以此证明采取减荷措施进行涵洞设计的意义与经济价值。     

高填涵洞垂直土压力分布规律的数值模拟分析

结合前人所做的工作，采用数值模拟方法研究了涵洞顶垂直土压力分布规律，发现若在涵顶一定范围的填土中形成土拱效应，即能实现涵项垂直土压力的减载。不论涵顶填土是否形成土拱效应，其垂直土压力都不是均匀分布的，可供设计、施工参考。     

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。     

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。     

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。     

桩承式加筋减载涵洞受力特性研究

高填方涵洞广泛应用于山区高速公路建设中,高填方涵洞上覆填土荷载较大,且其受力特性复杂,严重影响了涵洞的使用性能。本文针对桩承式加筋减载涵洞新技术,建立了桩承式加筋减载涵洞数值模型,分析了该技术的作用效果。最后,对该技术的主要影响因素进行了参数分析。研究结果表明该技术通过土拱效应和张拉膜效应,可使大部分路堤荷载传递至桩顶,并沿桩身传递至下卧持力层。涵顶加筋减载效果显著提高,涵顶土压力减小。同时,涵洞侧墙弯矩和剪力减小,涵底沉降有所减小。     

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。     

地基处理深度对高填方涵洞地基承载力和沉降量的影响

为了研究地基处理深度对高填方涵洞地基承载力和沉降量的影响,根据规范采取一定措施消除了黄土的湿陷变形,通过Midas GTS数值模拟的手段,研究了地基处理深度对高填方涵洞地基承载力和沉降量的影响以及涵顶土压力的变化规律,得出了能指导此类涵洞设计的实用结论。     

高填方段波纹管涵垂直土压力试验及计算

基于原位观测试验与理论研究,对高填方段波纹管涵的涵顶垂直土压力的分布特征与变化规律进行了探讨.首先,开展了高填方段波纹管涵垂直土压力现场观测试验.试验结果表明,高填方段管涵顶部存在土拱效应,规范的土柱法计算土压力值误差较大,偏于保守,而管涵顶部平面的土压力值并非均匀分布,存在明显的应力集中区域.在此基础上,结合试验规律及马斯顿理论,考虑由于土拱效应造成的应力集中现象,建立了高填方段波纹管涵垂直土压力计算模型,并进行了理论求解,从而提出了高填方段波纹管涵垂直土压力计算方法.最后,依据此模型对涵顶填土重度、土体内摩擦角、黏聚力、管径大小等主要影响因素进行了参数分析.结果表明,土体重度对管涵垂直土压力数值影响较大,而内摩擦角及黏聚力的影响较小.     

基顶支撑不均匀度对道面板厚度影响分析

为研究土基基顶反应模量不均匀性对机场跑道结构力学性能的影响规律,针对基顶反应模量分布不均匀度及交通荷载耦合作用对混凝土道面板的受力进行有限元分析,分析相同轮载下为保证刚性道面板受力安全时基顶支撑不均匀度对混凝土道面板厚度的影响,探讨不同机型轮载对应不同道面板厚度情况下的基顶支撑不均匀度控制的临界参数。分析结果表明:混凝土板弯拉应力随着基顶支撑不均匀度的增加而增大,其影响随飞机轮载不同而存在差异,为避免道面产生严重损伤,需要增大道面板厚度。对于需要运行A320飞机的跑道,当道面铺设厚度为0.36、0.38和0.40 m时,基顶支撑不均匀度最大值分别不宜超过38%、57.5%和70%。对于拟运行B737-800飞机的跑道,当板厚为0.36 m时板的弯拉应力超过限值而发生弯拉破坏;道面铺设厚度分别为0.38、0.40 m时,为保证道面板受力安全的基顶支撑不均匀度最大值分别不宜超过33%和62%。     

基顶支撑不均匀度对道面板厚度影响分析

为研究土基基顶反应模量不均匀性对机场跑道结构力学性能的影响规律,针对基顶反应模量分布不均匀度及交通荷载耦合作用对混凝土道面板的受力进行有限元分析,分析相同轮载下为保证刚性道面板受力安全时基顶支撑不均匀度对混凝土道面板厚度的影响,探讨不同机型轮载对应不同道面板厚度情况下的基顶支撑不均匀度控制的临界参数。分析结果表明:混凝土板弯拉应力随着基顶支撑不均匀度的增加而增大,其影响随飞机轮载不同而存在差异,为避免道面产生严重损伤,需要增大道面板厚度。对于需要运行A320飞机的跑道,当道面铺设厚度为0.36、0.38和0.40 m时,基顶支撑不均匀度最大值分别不宜超过38%、57.5%和70%。对于拟运行B737-800飞机的跑道,当板厚为0.36 m时板的弯拉应力超过限值而发生弯拉破坏;道面铺设厚度分别为0.38、0.40 m时,为保证道面板受力安全的基顶支撑不均匀度最大值分别不宜超过33%和62%。     

山区高速公路高填方盖板涵填筑期土压力变化规律研究

以包茂高速公路工程为依托,通过现场测试高填方路基下涵洞外界面受力,研究了涵洞受力规律和内在机制。结果表明:涵顶土压力随填土高度增大非线性增加,其中侧墙顶土压力大于填土自重且其增长率随填土增加逐渐减小,涵顶中心土压力在填土达到一定高度后大于填土自重,且其增长率保持稳定;填土完成后,两侧墙顶土压力约为填土自重的2.1~3.0倍,涵顶中部土压力约为填土自重的1.4~1.8倍;侧墙土压力小于静止土压力,实测水平土压力与静止土压力的比值为0.03~0.61;涵洞基底土压力呈不均匀分布,实测基底土压力与涵顶土压力平均     

大跨高填方钢波纹管涵质量控制措施分析

钢波纹管涵的最终受力状态不仅与管涵结构设计参数及回填土特性有关,施工措施对结构受力影响较大,为进一步确保结构安全性,采用有限元方法探讨了管内对拉钢索、管顶铺设EPS板对钢波纹管涵施工质量的控制效果。结果表明,管内对拉钢索能有效控制管涵变形,铺设EPS板后管顶土压力仅为管顶上方土体重量的46.85%,质量控制措施效果显著。