拱涵位移和垂直土壓力的數值模擬

劉 熙 陽

(湖北丹江口市遠通公路養護建設有限公司,湖北 十堰 442700)

拱涵位移和垂直土壓力的數值模擬

劉 熙 陽

(湖北丹江口市遠通公路養護建設有限公司,湖北 十堰 442700)

通過數值模擬，對高填方拱涵的土壓力和位移進行了數值分析，確定了高填方拱涵的土壓力分布規律和位移規律，指出涵頂土壓力呈非線性分布特征，不同于現行《公路橋涵設計通用規范》中的土壓力線性分布假定。

涵洞,位移,土壓力,數值模擬

1 有限元建模和分析

本文利用PLAXIS 2D軟件進行建模，模擬計算過程如下：1)根據現場涵洞的幾何條件，創建數值模擬的幾何模型；2)根據現場涵洞地勘資料和土樣的室內試驗確定模型所涉及材料的參數，并將參數賦予模型中對應材料；3)對幾何模型進行網格劃分。網格劃分的大小、疏密對計算結果的準確性和精度有較大的影響，本文采用三角形15節點單元的網格對模型進行劃分，該類型單元既能滿足計算精度，又能夠盡可能地減少計算時間；4)設置幾何模型的邊界條件，對模型底面采用固定約束，對模型兩端采用水平約束；5)確定加載步驟，分步對涵洞進行加載，來模擬現場路堤填筑工藝；6)對模型進行計算。在計算模塊中進行相應的迭代求解；7)提取計算結果。全部計算完成后，進入后處理模塊，提取所要分析的載荷步的數據文件，輸出結果圖形或從結果文件中提取數據。

2 有限元模型和參數

矩形溝槽拱涵幾何模型及網格劃分示意圖見圖1。

本文中數值模擬采用的參數見表1。

3 有限元結果

矩形斷面溝埋式拱形涵洞應力分布云圖如圖2所示。

如圖2所示，涵洞頂部土體在逐漸填筑完成后，由于模型中矩形溝槽的影響，涵頂填土受到溝槽的摩擦力，同時涵頂填土給

予溝槽向下的拖曳力，此拖曳力經溝槽土柱傳遞至其下部土體。這個過程引起洞頂的土壓力減小，洞頂的垂直壓力部分轉移至兩側溝槽區域，溝槽地形能夠在一定程度上提供減載影響。上埋式涵洞的涵體位移分布圖和涵體土壓力分布如圖3和圖4所示。

表1 數值模擬參數表

如圖3,圖4所示，對于涵洞的相對豎向位移最大值約為9.4 cm，在涵頂部位涵洞拱圈的頂托作用最強，土壓力也最大；涵洞拱圈兩側坡度逐漸增大，對土體的豎向位移阻礙作用逐漸減弱，拱圈靠拱腳部位的土壓力不斷減小，洞頂土壓力形狀為上凸曲線分布。這種分布與現行《公路橋涵設計通用規范》中線性土壓力分布假定存在一定差異。

4 結語

涵洞拱圈處土體與兩側土體的相對沉降位移最大，頂托作用最強，土壓力(強度)最大；涵洞拱圈兩側坡度逐漸增大，對土體的沉降阻礙作用逐漸減弱，其土壓力(強度)不斷減小，洞頂土壓力為上凸曲線分布，與現行《公路橋涵設計通用規范》中線性土壓力計算方法存在一定差異。

[1] 馬 強,鄭俊杰,張 軍.高填方涵洞加筋橋減載的現場試驗研究[J].巖土力學,2012,33(8):2337-2342.

[2] 鄭俊杰,馬 強,張 軍.加筋減載涵洞的涵頂土壓力計算[J].巖土工程學報,2011,33(7):1135-1141.

The numerical simulation of arch culvert displacement and vertical soil pressure

LIU Xi-yang

(HubeiDanjiangkouYuantongHighwayMaintenanceConstructionLimitedCompany,Shiyan442700,China)

Through the numerical simulation, this paper made numerical analysis on soil pressure and displacement of high fill arch culvert, determined the soil pressure distribution rules and displacement rules of high fill arch culvert, pointed out the culvert top soil pressure had nonlinear distribution feature, different from soil pressure linear distribution of currentHighwayBridgeandCulvertGeneralDesignSpecification.

culvert, displacement, soil pressure, numerical simulation

2014-07-16

劉熙陽(1987- )，男,助理工程師

1009-6825(2014)27-0178-02

U442.5

A