高填方涵洞頂垂直土壓力影響因素分析

蔡天佑,魏紅衛,張劉剛

(中南大學土木建筑學院)

0 引 言

近年來,隨著交通基礎建設的快速發展,我國的公路從人口密集的平原向人口稀少的山區延伸,這使得山區高等級公路越來越多,為滿足山區高等級公路的線形標準要求,高填深挖路基不斷增加,而高填方地區一般為地勢低洼的地帶,為滿足排水的要求,在這些高填方路段必須修建高填方涵洞,為確保涵洞的安全使用,如何合理正確地分析、計算涵洞結構就成為一個亟待解決的重要課題,而其中涵頂垂直土壓力大小的確定更是關鍵。

在研究高填方涵洞的工作機理時,涵洞周圍土體既是作用在涵洞上的荷載,又是參與變形的一種介質,因此,必須把涵洞周圍一定范圍內的填土體作為結構的一部分加以考慮,另外,涵洞的應力與涵洞的尺寸、填土厚度、施工方法、原始邊界條件等因素有關,很難簡單的用公式來概括這些因素,避開探求復雜的計算公式而采用數值分析方法是比較好的解決途徑之一,近些年來,隨著計算機的普及和有限元法的廣泛應用,已有學者將有限元法應用于涵洞土壓力的計算,并取得了一些有益的成果。

本文在已有研究的基礎上,采用數值模擬方法,建立涵洞數值模型,根據現場實測資料驗證模型的合理性,在此基礎上提出一些合理的建議。

1 工程概況

廣州市北二環高速公路K 29+610處高填方鋼筋混凝土蓋板涵,涵板采用 30#混凝土,涵墻采用 25#混凝土,基礎采用 20#混凝土含 25%的片石混凝土,涵頂最大填土高16.9m。

2 有限元模型

2.1 單元類型及材料參數

對于高填方涵洞,可看作置于彈塑性介質中的一無限長彈性體,沿實體縱向垂直取單位長度的一段,作平面應變問題處理,因此,計算中選擇簡單且常用的平面四節點單元,即Plane42模擬涵洞和土體,該單元同時適合于線彈性材料和彈塑性Drucker-Prager材料模型。填土、涵洞材料參數取值參照文獻,其它參數根據其一般取值范圍選取,見表 1。

2.2 模型方案

將填土分為涵側填土和涵頂填土,根據涵側填土壓實程度以及在涵側回填卵石,設計 3種模型方案,見表 2。

表 1 材料計算參數

表 2 模型方案

2.3 計算求解

由于涵洞結構的幾何實體具有對稱性,有限元計算建模時取幾何實體的一半進行。考慮涵洞與填土的共同作用,在涵洞與填土之間設置接觸單元,根據取填土與涵洞間的摩擦系數 0.2。在眾多關于涵洞結構受力分析的論文中,許多數值模擬計算,不管作者使用的分析軟件是MARC、FLAC還是ANSYS,都采用的是整體計算,即假設在瞬時將全部載荷施加到整個結構上,而不考慮實際施工中荷載的逐級施加。與之相對的分層加載計算則能體現結構和回填土體本身應力和變形隨施工過程的變化,更好地體現了材料的非線性,因此是符合實際的。ANSYS軟件中單元生死控制正好可以用來模擬填土的過程 。本文分別采用整體法和分層法計算MX1,其中分層計算中按 1m一層加載,總共分了 25層。

可見:圖 3最大位移出現在填土表面,并越向下位移越小,這顯然與實際不符;圖 4最大位移則出現在填土中間部位,填土表面位移最小,這與實際情況十分符合,由此可知分層計算比整體計算的結果更接近實際情況,本文分析采用分層計算的結果。

3 結果分析

3.1 模擬結果與實測資料比較

涵頂垂直土壓力值為318號和 328號土壓力盒測得,將MX1方案計算的土壓力值與現場實測值進行比較,見圖 1。

由圖 1可知,MX1的涵頂土壓力計算值與實測值接近,說明模型的建立是合理的。

3.2 涵側填土壓實程度和回填卵石對涵頂垂直土壓力的影響

由于填土在同一平面的不同部位產生變形量的大小不相同,從而引起涵洞頂填土變形的沉降差δ,但當填土高度增加到一定高度后,沉降差變為零,形成等沉面,如圖 2所示,將填土以涵洞寬度 D為界,分為內土柱和外土柱,若涵洞頂平面外土柱的沉降大于內土柱的沉降,則沉降差為 +δ,反之為-δ。當沉降差為+δ,外土柱將一部分荷載通過摩阻力轉嫁給內土柱,導致涵洞上土壓力增大;而沉降差為 -δ,內土柱則將一部分荷載通過摩阻力轉嫁給外土柱,導致涵洞上土壓力減小。

圖 1 MX1計算值與實測值比較

基于上述原理,本文建立 MX2模型,考慮涵側填土未壓實情況;建立 MX3模型,考慮涵側回填卵石情況,將 MX1、MX2和 MX3的計算值進行比較,如圖 7。

由圖 3可知,MX2計算值明顯大于 MX1的,說明在涵側填土未壓實的情況下,涵洞的內外土柱沉降差進一步加大,導致涵頂附加土壓力也增大;MX3計算值明顯小于 MX1,說明在涵側回填卵石后,由于卵石的壓實性較好,其自身壓縮沉降較填土小,因此可以減小涵洞的內外土柱沉降差,從而減小涵頂附加土壓力。另外,關于涵側回填卵石的厚度,本文先后計算了 1/4涵高(2m)、1/2涵高(4 m)、3/4涵高(6m)的情況,發現在 1/2涵高時與 MX3計算值就很相近了,說明回填卵石厚度不一定要達到全部涵高,回填 1/2涵高左右厚度的卵石即可。

圖 2 填土沉降差示意圖

圖 3 MX 1、MX 2、MX3 計算值比較

4 結 論

本文采用整體分析方法,取涵洞結構和周圍土體為研究對象,考慮土—結構相互作用,采用較精細的有限元網格對涵洞進行應圖 3MX1、MX2、MX3計算值比較力分析,由此得出以下結論。

(1)涵側填土壓實程度影響涵頂垂直土壓力大小,較好的涵側填土壓實效果將能有效地降低涵洞頂的垂直土壓力,因此,在涵洞回填施工過程中,要盡量保證涵側壓實。

(2)可以在涵側回填卵石,回填厚度在 1/2涵高左右,這樣可以有效的減小涵頂附加土壓力。

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