明洞EPS板和土工格柵減載效果研究

崔建龍，王起才，李 盛

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070)

為了經濟合理地設計明洞結構，探索以變形調整應力的減荷措施至關重要。模型試驗表明，沿著明洞軸向填筑變厚度(與填土高度之變化相對應)的柔性填料層，可以顯著地改善明洞洞頂填土的應力狀態，不僅使土壓力大為減小，還可使洞頂壓力之縱向分布趨于均勻，以減小其不均勻沉降。文獻[1-2]根據模型試驗和數值模擬計算，找出了高填土涵洞土壓力隨填土高度成非線性變化以及高填土涵洞上方拱效應的規律。文獻[3-4]通過室內土壓力模型試驗及有限元分析，對涵洞采取柔性填料或鋪設EPS板減載措施，提出有無減載措施時涵頂土壓力的計算公式。本文借鑒高填土涵洞的研究思路及部分成果，將減載措施推廣應用到高填土明洞上，回歸分析得出適合明洞有無EPS板減載的土壓力計算公式，并結合室內試驗結果，進一步研究各個減載方案的減載效果。

1 高填土明洞減載原理

高填土明洞的減載原理與高填土涵洞類似。國內工程中所用涵洞幾乎全屬剛性涵洞，涵洞近乎于不可壓縮。兩側與涵洞(包括剛性基礎)同高填土層可以壓縮，導致涵洞兩側外土柱沉降大于涵頂內土柱沉降，在涵頂平面內外土柱間出現沉降差+δ。在填土施工期間及工后固結過程中，涵洞兩側外土柱對內土柱產生向下的摩擦力(即附加土壓力)，從而使涵頂垂直土壓力大于涵頂內土柱自重壓力。而柔性涵洞(如波紋鐵皮管涵)則正好相反，涵頂平面內外土柱間的沉降差為－δ，于是外土柱對內土柱產生向上的有利摩阻力，從而使涵頂垂直土壓力小于內土柱自重壓力。在土力學中，把這類移動的土體將部分自重壓力通過摩擦力的形式轉給相對靜止的土體，從而使移動土體向下的壓力減小的這一現象，稱之為土拱效應。可見填土中要產生土拱效應必須具備填土高度與－δ沉降差兩個條件。

顧安全[3]在研究土壓力減載時，把各種因素對涵洞等結構土壓力的影響，歸結為參數δ的變化。為了改變明洞頂高填土的應力集中現象，促使土壓力減小，就須采用人工措施。本文根據加筋減載結構設計理論探討高填土明洞的減載方法。

2 室內試驗

2.1 填土壓實度對明洞土壓力的影響

一明洞位于西北地區，其所在區域廣泛分布黃土，因此實驗室內及現場填筑時均采用黃土。實驗室測得的試驗用黃土基本物理力學參數如表1。

表1 黃土的基本物理力學參數

采用液塑限聯合測定法，得出試驗黃土的液限wl=27.2%，塑限wp=13.6%，可知塑性指數Ip=(wlwp)×100=13.6。使土達到最大干密度的含水率稱最優含水率。采用輕型擊實試驗，通過試驗得到最大干密度ρd約1.98 g/cm3，其對應的含水率約為15%。將此作為實驗室每層填土壓實與否的標準，分層壓實以滿足壓實度要求。

根據相似理論制作護拱，幾何縮小比例取1∶30，模型長、寬、高分別為 1.00，0.60，0.23 m。試驗在蘭州交通大學巖土大廳現有基坑(長3.0 m，寬1.8 m，高2.6 m)內進行，邊界及地基條件均與現場實際相符。

不同壓實度下明洞頂土壓力隨填土高度變化規律如圖1所示。

圖1 不同壓實度下明洞頂土壓力隨填土高度變化規律

由圖1可知:①無論壓實度怎樣變化，土壓力隨填土高度變化具有相似的規律，土壓力并不隨填土高度h呈線性變化，而呈非線性變化。在填土較低(＜0.4 m，模擬填土高度＜12.0 m)時，土壓力隨填土高度增加而增加，呈近似的線性變化;而后，隨著填土高度的繼續增加，土壓力隨填土高度的增加逐漸趨于平緩。②不同壓實度下土壓力隨填土高度增加具有相似的規律，填土的壓實度越大，模型頂部土拱效應越明顯。

為了更深入地研究減載效果，選擇壓實度85%的方案進行研究。

2.2 EPS板對明洞土壓力減載的影響

在高填土涵洞頂部鋪設具有一定壓縮性質的材料來減少正沉降差，并產生負沉降差，使外土柱對內土柱產生向上的附加摩擦力，從而使外土柱和涵洞共同承擔涵頂的土柱壓力，達到減小作用于涵頂土柱壓力的目的。

EPS板減載試驗工況:①無減載措施;②鋪設不同厚度的EPS減載板。

1)工況1試驗

將模型護拱放入基坑相應位置，以25 cm為一層分層填筑黃土并夯實，布置好標定過的土壓力盒后，開始測試相應高度下的土壓力值。

2)工況2試驗

在護拱上方鋪設EPS板，然后每25 cm一層分層填筑黃土并夯實。工況2試驗如圖2所示。

3)試驗測試數據及結果分析

有無EPS減載板明洞拱腳土壓力及公式計算土壓力隨填土高度變化曲線見圖3。

圖2 工況2試驗示意

圖3 明洞拱腳土壓力隨填土高度變化曲線

由圖3可見，隨著填土高度的增加，鋪有EPS板的拱頂、拱腳土壓力均小于未采取減載措施的土壓力。說明此時EPS板發揮了減載作用。通過數據分析可以看出，洞頂的垂直土壓力約為未減載土壓力的1/2～2/3。

不同EPS板厚度時明洞頂土壓力隨填土高度變化曲線見圖4。

圖4 明洞頂土壓力隨填土高度變化曲線

由圖4可得出，當填土低、洞頂及側壓力小時，EPS板處于彈性狀態，壓縮變形很小，洞頂土壓力相差不大，減載效果不明顯。當填土到一定高度，洞頂壓力超過EPS板的屈服值，產生較大的塑性壓縮變形，從而使土壓力的值減小，且明洞頂與洞側鋪設的EPS板愈厚，EPS板的壓縮變形愈大，明洞頂的土壓力愈小。EPS板越厚，減載效果越好，但減載增量逐漸變小。

2.3 EPS板和土工格柵對明洞土壓力減載的影響

在EPS板基礎上鋪設土工格柵，加大了內外土柱的沉降差，使中間土體受到兩側土體向上的剪切力，從而使傳遞到明洞頂的土壓力減小，同時沉降差使加筋材料在填土壓力作用下向下變形，通過減載材料向上的“提兜”作用，把明洞頂部分垂直土壓力荷載傳遞到外側的土體上，從而進一步減小明洞頂的土壓力。

為研究EPS板和土工格柵共同作用(工況3)的減載效果。試驗中在護拱上方鋪設一定厚度的EPS板，然后在離拱底75 cm處鋪設土工格柵，土工格柵兩側分別用木楔固定在邊坡兩側以確保不產生滑移，然后每25 cm一層分層填筑黃土，隨著填土高度的增加，測試拱頂、拱腳土壓力值。試驗測得的拱頂土壓力隨填土高度變化曲線如圖5所示。

圖5 不同減載措施下明洞拱頂土壓力隨填土高度變化曲線

由圖5可看出:①在填土高度較低(0.5 m，模擬高度15 m)時，兩方案減載效果相近。隨著填土高度增加，實測填土高度達到1.5 m(模擬高度45 m)時，EPS板與土木格柵共同減載工況的土壓力約為僅使用EPS板減載工況土壓力的80%。說明當明洞頂填土達到一定高度后，通過減載材料向上的“提兜”作用，在明洞上方產生的拱效應加強。②在EPS板和土工格柵共同作用下，隨著填土高度的增大，土壓力呈非線性變化，且變化趨勢很平緩。

3 高填土明洞土壓力計算公式

由于高填土明洞上方土拱效應特點，用不考慮拱效應的土柱法計算土壓力進行其結構設計過于保守而不經濟，所以文獻[1]提出的非線性土壓力計算方法在高填土明洞中應用更合理，考慮了高填土涵洞上方存在拱效應以及土拱效應不穩定的特點。文獻[1]認為，在填土高度增加過程中，有部分土壓力傳遞到明洞頂。其計算的土壓力高于具有穩定土拱的普氏理論和太沙基理論計算值，但明顯低于不考慮拱效應的土柱法計算的土壓力。并提出理論與經驗結合的非線性數學模型

式中:ξ，n 為回歸系數，0＜n＜1。

本文通過考慮相似關系，根據室內試驗數據，編程回歸出有無EPS板減載措施的非線性拱頂土壓力計算公式。

根據工況1試驗數據回歸土壓力計算公式為

根據工況2試驗數據回歸土壓力計算公式為

式中，k是與EPS板厚度等有關的系數，其值可近似取e－10.7616t，t為 EPS板厚度，0 ＜k＜1。

根據工況3試驗數據回歸土壓力計算公式為

以上回歸分析得到的簡明公式不具有對比性，只能從數據看出EPS板及EPS板和土工格柵共同作用下明洞拱頂的減載效率。比較式(2)～式(4)及室內測得的數據可知EPS板的減載效率在60%左右，EPS板和土工格柵共同作用下明洞拱頂的減載效率在70%左右。由于減載效果好，柔性材料減載在實際工程中有廣闊的應用前景。

4 結論

本文通過理論分析及模型試驗對高填土明洞上方應用EPS板及土工格柵的減載效果進行了研究，得到以下結論:

1)根據實驗室模型試驗數據，通過回歸分析擬合出比較適合明洞高填土結構有無EPS板時及EPS板與土工格柵共同作用時的拱頂土壓力計算公式。

2)明洞頂采用低壓實土填筑引起的“土拱效應”隨著填土高度的增加變得明顯;EPS板厚度越大，減載效果越明顯，但減荷增量逐漸變小。在高填土明洞頂鋪設EPS板，使得明洞頂上方土體應力進行了重分布，從而有效減小明洞頂土壓力，改善了明洞結構受力，其減荷措施切實有效。

3)通過在明洞頂上方一定寬度和高度范圍內用低壓實度土填筑，并分別采用在拱頂鋪設不同厚度的EPS板，及EPS板和土工格柵共同減載方案可知，在等沉面高度以下范圍內，EPS板厚10 cm左右減載效果接近最佳;若要提高減載效果，避免格柵或EPS板變形過大導致破壞的可能性，可以選擇EPS板和土工格柵共同減載方案。

[1]楊錫武，張永興.山區公路高填方涵洞的成拱效應及土壓力計算理論研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24(21):3891-3892.

[2]王秉勇.涵洞頂填土壓力的討論及計算[J].鐵道工程學報，2002(2):50-54.

[3]顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程學報，1981，3(1):3-15.

[4]顧安全，郭婷婷，王興平.高填土涵洞(管)采用 EPS板減荷的試驗研究[J].巖土工程學報，2005，27(5):500-504.