高速公路涵洞填土高度對土壓力分布的影響

楊 柳 王 芳

（山東高速煙臺發(fā)展有限公司，山東 煙臺 264000）

在山區(qū)公路建設(shè)中，修建公路涵洞是較為常見的工程[1-2]。當(dāng)涵洞上方填土荷載較大時(shí)，填土壓力增加會(huì)導(dǎo)致涵洞基礎(chǔ)沉降增加，影響涵洞結(jié)構(gòu)安全，為避免該問題，該文對公路涵洞進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究填土高度對涵洞土壓力分布的影響，并對上埋式涵洞和溝埋式涵洞的沉降分布和土壓力特征進(jìn)行分析。

1 工程概況

某高速公路路基寬度為28m，路線全長為39.24km，部分線路在丘陵地帶，因此在施工過程中，須跨越百余道沖溝，沖溝的長度和深度為幾米或數(shù)十米，沖溝填土的寬度和深度變化較大。高度超過25m的沖溝填土幾乎占沖溝總數(shù)的50%，被水浸濕后，黃土結(jié)構(gòu)迅速破壞發(fā)生附加變形，嚴(yán)重時(shí)黃土?xí)料?，?yán)重影響了公路路基建設(shè)。因此，工程在沖溝地區(qū)建設(shè)高填方涵洞可滿足施工要求，但高填方涵洞的設(shè)計(jì)及病害問題較為明顯，于是該文建立涵洞數(shù)值模型，對高速黃土路基涵洞土壓力分布特征進(jìn)行研究。

2 建立數(shù)值模擬

該研究通過CANDE有限元軟件建立涵洞模型，設(shè)置涵洞模型的寬度為涵洞寬度的6.5倍，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，設(shè)置模型邊界位移。設(shè)置模型底部為基巖，采用固定約束，限制其垂直方向的位移，將模型頂部作為自由面，用左右邊界和前后邊界約束其法向位移。涵洞基礎(chǔ)以下采用理想彈塑性本構(gòu)模型，基礎(chǔ)采用線彈性模型，填土采用鄧肯—張模型，填土參數(shù)泊松比為0.4，初始切線模量為95.64，無因次指數(shù)n為0.96，破壞比Rf為0.65。根據(jù)現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，模擬試驗(yàn)賦與涵洞地基、原黃土及回填土材質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 土體材質(zhì)力學(xué)參數(shù)

在工程填土的過程中，采用分層填土的方式。為保證準(zhǔn)確模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，在模擬回填的過程中，也采用分層回填的方式。模擬試驗(yàn)設(shè)置填土高度從0.6m逐級增至80m，設(shè)置2種涵洞填埋方式，分別為上埋式設(shè)涵方式和溝埋式設(shè)涵方式。上埋式設(shè)涵方式是將涵洞建設(shè)在天然地基上，沿洞身兩側(cè)向洞頂填土并壓實(shí)，溝埋式設(shè)涵方式是在天然地基中挖出容納涵洞的溝槽，溝底建設(shè)涵洞后進(jìn)行填土并壓實(shí)。涵洞模型如圖1所示。

圖1 涵洞模型示意圖（單位：cm）

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 上埋式涵洞沉降分布及土壓力變化特征

模擬試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)填土高度為30m時(shí)，上埋式涵洞豎直方向土體沉降變化如圖2所示，負(fù)值表示方向向下。

圖2 涵洞豎直方向沉降變化

如圖2所示，隨著與涵洞距離越遠(yuǎn)，豎直方向沉降值先變大再變小，最后趨于平穩(wěn)。當(dāng)與涵洞中心距離為0時(shí)，豎直方向沉降值最小，為3.56mm，與涵洞中心線的距離越遠(yuǎn)，豎直方向的沉降值越大。當(dāng)與涵洞中心距離為3200mm時(shí)，豎直方向沉降值最大，為4.71mm，該位置處于涵洞兩側(cè)拱腳范圍。隨著與涵洞中心線的距離繼續(xù)增加，豎直方向的沉降值逐漸變小，在涵洞兩側(cè)土壓力的作用下，沉降值緩慢變小。當(dāng)與涵洞中心距離超過4800mm時(shí)，豎直方向的沉降值趨于穩(wěn)定。由此可知，當(dāng)位于涵洞中心線時(shí)，豎直方向的沉降值最小，涵洞拱腳處的豎直方向的沉降值最大。與涵洞中心線距離越遠(yuǎn)且超過涵洞拱腳范圍，豎直方向的沉降值緩慢變小，在一定程度后趨于平穩(wěn)。

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)填土高度為0.6m～80m時(shí)，不同高度條件下的涵洞頂面土壓力和垂直土壓力系數(shù)變化如圖3所示。

圖3 涵頂土壓力和垂直土壓力系數(shù)變化特征

如圖3（a）所示，隨著填土高度增加，涵頂土壓力呈線性增長趨勢。當(dāng)填土高度為2m時(shí)，涵頂土壓力為22.89kPa，當(dāng)填土高度為30m時(shí)，涵頂土壓力為438.41kPa，當(dāng)填土高度為80m時(shí)，涵頂土壓力最大，為1384.61kPa。

如圖3（b）所示，隨著填土高度增加，涵洞垂直土壓力系數(shù)先變大再逐漸變小。當(dāng)涵洞填土高度≥2m時(shí)，垂直土壓力系數(shù)≤1，說明涵洞頂部垂直土壓力小于或者等于涵洞頂面填土自重。當(dāng)涵洞填土高度為10m～20m時(shí)，涵洞垂直土壓力系數(shù)最大，為1.27，隨著涵洞填土高度持續(xù)增加，涵洞垂直土壓力系數(shù)逐漸變小，當(dāng)涵洞填土高度為80m時(shí)，涵洞垂直土壓力系數(shù)為1.16。當(dāng)涵洞垂直土壓力系數(shù)﹥1時(shí)，涵洞頂部垂直土壓力大于涵洞頂面填土自重，涵洞頂部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，對涵洞的受力有不良影響。

由圖3可知，隨著填土高度增加，涵頂土壓力呈線性增長趨勢，涵洞垂直土壓力系數(shù)先變大再逐漸變小。當(dāng)涵洞填土高度≤2m時(shí)，涵洞頂面填土自重小于或者等于涵洞頂部垂直土壓力，當(dāng)涵洞填土高度﹥2m時(shí)，涵洞頂部垂直土壓力大于涵洞頂面填土自重，涵洞頂部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，對涵洞的安全性有不利影響。

3.2 溝埋式涵洞沉降分布及土壓力變化特征

模擬試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)填土高度為30m時(shí)，隨著與涵洞的距離增加，溝埋式涵洞豎直方向土體的豎直方向沉降值先變小再變大，然后再變小，最后趨于平穩(wěn)。當(dāng)與涵洞中心距離為0時(shí)，豎直方向沉降值最大，為6.18mm，與涵洞中心線的距離越遠(yuǎn)，豎直方向的沉降值越小。當(dāng)與涵洞中心距離為3000mm時(shí)，豎直方向沉降值最小，為2.65mm，該位置處于涵洞兩側(cè)拱肩范圍。隨著與涵洞中心線的距離繼續(xù)增加，豎直方向的沉降值開始變大，當(dāng)距離涵洞中心距離為3200mm～3700mm時(shí)，豎直方向沉降值增至2.93mm后保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)距離涵洞中心距離﹥3700mm時(shí)，豎直方向沉降值開始變小，隨著距離增加，逐漸趨于平穩(wěn)。由此可知，在涵洞中心線范圍，豎直方向的沉降值最大，在涵洞拱肩范圍，豎直方向的沉降值最小。與涵洞中心線距離越遠(yuǎn)且超過涵洞拱肩范圍，豎直方向的沉降值會(huì)緩慢變小。

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)填土高度為0.6m～80m時(shí)，不同高度條件下的涵洞頂面土壓力和垂直土壓力系數(shù)變化如圖4所示。

圖4 涵頂土壓力和垂直土壓力系數(shù)變化特征

如圖4（a）所示，隨著填土高度增加，涵頂土壓力呈線性增長趨勢。當(dāng)填土高度為6m時(shí)，涵頂土壓力為101.58kPa，當(dāng)填土高度為30m時(shí)，涵頂土壓力為328.23kPa，當(dāng)填土高度為80m時(shí)，涵頂土壓力最大，為1091.54kPa。由此可知，涵洞填土越多，涵洞頂面受到的土壓力越大。

如圖4（b）所示，隨著填土高度增加，涵洞垂直土壓力系數(shù)逐漸變小。當(dāng)涵洞填土高度﹤20m時(shí)，垂直土壓力系數(shù)﹥1，說明涵洞頂部垂直土壓力大于涵洞頂面填土自重。當(dāng)涵洞填土高度為20m時(shí)，垂直土壓力系數(shù)為1，涵洞頂部垂直土壓力和涵洞頂面填土自重幾乎相同。隨著涵洞填土高度持續(xù)增加，涵洞垂直土壓力系數(shù)逐漸變小，當(dāng)涵洞填土高度﹥20m時(shí)，垂直土壓力系數(shù)﹤1，涵洞頂部垂直土壓力小于涵洞頂面填土自重，當(dāng)涵洞填土高度為60m時(shí)，垂直土壓力系數(shù)最小，為0.91，當(dāng)涵洞填土高度﹥60m時(shí)，垂直土壓力系數(shù)處于平穩(wěn)狀態(tài)。

由圖5可知，隨著填土高度增加，涵頂土壓力呈線性增長趨勢，涵洞垂直土壓力系數(shù)呈快速變小趨勢。當(dāng)涵洞填土高度﹤20m時(shí)，涵洞頂部垂直土壓力大于涵洞頂面填土自重，當(dāng)涵洞填土高度為20m時(shí)，涵洞頂部垂直土壓力等于涵洞頂面填土自重，當(dāng)涵洞填土高度﹥20m時(shí)，涵洞頂部垂直土壓力小于涵洞頂面填土自重。

3.3 不同設(shè)涵方式對土壓力影響分析

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)填土高度為0.6m～80m時(shí)，在不同設(shè)涵方式下的涵洞頂面垂直土壓力系數(shù)變化情況結(jié)果表明：隨著填土高度增加，上埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)先變大再變小，隨后趨于平穩(wěn)，溝埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)快速變小后趨于平穩(wěn)。當(dāng)填土高度為6m時(shí)，兩種設(shè)涵方式的垂直土壓力系數(shù)基本接近，說明不同設(shè)涵方式對涵頂所受的土壓力影響較小，當(dāng)填土高度﹥6m時(shí)，填土高度為10m～20m，上埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)最大，為1.27，垂直土壓力系數(shù)隨著填土高度增加逐漸變小，土壓力系數(shù)始終>1。當(dāng)填土高度<20m時(shí)，溝埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)>1，當(dāng)填土高度﹥20m時(shí)，溝埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)>1。由此可知，當(dāng)涵洞填土高度﹥20m時(shí)，采用溝埋式設(shè)涵方式能較好地滿足施工要求。

4 結(jié)論

該文對公路涵洞進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究了涵洞填土高度對土壓力分布的影響，得出以下結(jié)論：1）在上埋式設(shè)涵條件下，隨著與涵洞距離增加，涵洞豎直方向沉降值先變大再變小，最后趨于平穩(wěn)。隨著填土高度增加，涵頂土壓力呈線性增長趨勢，而涵洞垂直土壓力系數(shù)先變大再逐漸變小。當(dāng)涵洞填土高度﹥2m時(shí)，涵洞頂部垂直土壓力大于涵洞頂面填土自重，對涵洞的安全性有不利影響。2）在溝埋式設(shè)涵條件下，隨著與涵洞距離增加，涵洞豎直方向沉降值先變小再變大，再變小最后趨于平穩(wěn)。隨著填土高度增加，涵頂土壓力呈線性增長趨勢，涵洞垂直土壓力系數(shù)快速變小后趨于平穩(wěn)。3）隨著填土高度增加，上埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)先變大再變小后趨于平穩(wěn)，溝埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)快速變小后趨于平穩(wěn)。因此當(dāng)涵洞填土高度﹥20m時(shí)，采用溝埋式設(shè)涵方式能較好地滿足施工要求。