上埋式涵洞土壓力減載研究與數(shù)值分析

周澤濤 李永剛

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 山西太原030024）

0 引言

涵洞是埋設(shè)在填土下的排水或通道構(gòu)筑物,從土壓力角度,公路涵洞屬于上埋式構(gòu)筑物,由于涵洞的變形模量遠大于周圍填土的模量,使得涵洞上方土體與其兩側(cè)土體產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致涵洞頂部很大的附加壓力,從而引起涵頂?shù)拈_裂、破壞。尤其在填土較高的情況下,垂直土壓力更是決定結(jié)構(gòu)斷面尺寸的控制因素。顧安全[1]關(guān)于303座填土較高的上埋式涵洞的調(diào)查表明,結(jié)構(gòu)開裂的占63.5%,其中70%屬于縱向開裂。張衛(wèi)兵[2]所在的課題組對西南、西北地區(qū)5省區(qū)具有代表性的17條高速公路182個涵洞進行了較詳細的實地調(diào)研,調(diào)查發(fā)現(xiàn)有近80%以上的涵洞存在不同程度的病害?？梢?涵頂土壓力過大是發(fā)生病害的主要原因,研究涵洞的減荷對于減小涵頂垂直土壓力、保證涵洞的結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。目前常用的減載思路有中松側(cè)實、鋪設(shè)柔性填料、加筋橋、先填后挖等。本文提出一種新的減載方法供參考。

1 減載方法

涵洞剛度大于回填土體剛度，填土發(fā)生沉降以后，涵洞頂部土體的沉降量小于涵洞兩側(cè)土體的沉降量，在涵洞頂部土體與兩側(cè)土體之間會形成一個沉降差δ，如圖（1）。這個沉降差的存在，會導(dǎo)致涵洞兩側(cè)土體對涵洞頂部土體產(chǎn)生一個向下的摩擦力，加大涵洞頂部土體對涵洞的垂直土壓力。因之，可以通過減小內(nèi)外土柱之間的沉降差δ來減小洞頂?shù)耐翂毫Γ踔量梢圆扇∫恍┐胧1-5]，使得內(nèi)土柱的沉降量大于外土柱的沉降量，改變內(nèi)、外土柱之間的摩擦力的方向，進一步降低洞頂?shù)拇怪蓖翂毫Α?/p>

圖1 沉降差示意圖

在剛性地基條件下，以混凝土箱涵為例，對上埋式涵洞洞頂土壓力進行研究，在不采取任何措施的情況下，由于涵頂土體沉降量與涵洞兩側(cè)土體沉降量不同，沉降差的存在導(dǎo)致在涵頂兩側(cè)邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使涵頂?shù)拇怪蓖翂毫ψ兇?。此時，涵頂兩端處所受土壓力較大，而其余中間部位土壓力相對平均。據(jù)此在涵頂兩側(cè)易發(fā)生應(yīng)力集中處設(shè)置一定高度的混凝土塊體減載塊，如圖2。涵洞洞頂兩側(cè)添加減載塊后，減載塊剛度大于填土剛度，其頂部土體沉降小于兩側(cè)土體沉降，減載塊承擔了較多的本應(yīng)作用于涵洞頂板上的土壓力并將其傳遞給涵洞邊墻，使頂板（d段）土壓力減小。

本文利用ANSYS有限元軟件，分析減載塊對涵頂垂直土壓力的影響和涵洞頂板土壓力的減小。

2 有限元分析

ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件。具有多種分析能力，包括簡單線性靜態(tài)分析，復(fù)雜非線性動態(tài)分析，產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計分析，多場耦合分析，自動網(wǎng)格劃分技術(shù)等，它可用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題，目前已廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。ANSYS軟件主要有三大部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。ANSYS有兩種操作方式：用戶界面（GUI）方式和命令流方式。ANSYS軟件沒有為系統(tǒng)指定統(tǒng)一的單位，除了磁場分析外，可以在工程分析中使用任意一種單位制。

圖2 箱型涵洞

2.1 計算模型

根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)及其受力特點，將其作為平面應(yīng)變問題。本文主要以涵洞及其周圍的填土為主要模擬對象，將涵洞地基和周圍填土作為彈性介質(zhì)；對于涵洞，其材質(zhì)為鋼筋混凝土?？紤]涵洞外部寬為D與外部高h相等，記洞頂填土高度為H。取上埋式涵洞兩側(cè)土體寬度為3倍的涵洞寬度，填土兩側(cè)施加水平約束，不施加垂直約束。地基為水平和垂直約束。取D=2m，涵洞邊壁厚20cm，減載塊寬度為20cm。填土用密實砂土，彈性模量為E1=25MPa，容重為r=18kN/m3，泊松比μ為0.22；鋼筋混凝土涵洞彈性模量為Eh=2.8×1010Pa，容重為r=25kN/m3，泊松比μ為0.167。模擬單元選用平面四節(jié)點的Plane42單元，目標單元選用Targe169，涵洞與土體的接觸單元選用conta171，接觸單元摩擦系數(shù)取0.3。

2.2 計算結(jié)果分析

分析時填土高度比H/D＝0.5～20，減載塊高度比B（減載塊高度與涵洞高度比i/h）為1/20、1/10、3/20。

（1）土壓力分布

涵洞凈跨范圍的垂直土壓力為中間大兩邊小的分布。添加減載塊后，涵頂所受的土壓力發(fā)生了明顯變化，減載塊所帶來的涵頂土體沉降差以及減載塊本身對其兩側(cè)土體向上的摩擦力，使得靠近減載塊內(nèi)側(cè)一定范圍內(nèi)的涵頂受到的應(yīng)力減小，使作用于涵頂上的整體壓力也相應(yīng)減小。

圖3 涵頂土壓力分布圖

不同的減載塊高度對洞頂垂直土壓力的影響范圍不同，填土高度比H/D=5時的涵頂土壓力分布如圖3.所示。圖中五個系列為減載塊高度比B為0、1/20、3/40、1/10、3/20的情況。減載塊高度比B＝1/20時，減載塊對涵頂土壓力的影響范圍為凈跨的60%，B＝3/40、1/10、3/20時，減載塊對涵頂全跨土壓力均產(chǎn)生影響。B越大，其影響越大。

（2）垂直土壓力系數(shù)

取涵洞頂板凈跨范圍的土壓力平均值與土柱壓強的比值為垂直土壓力系數(shù)K。不同加減載塊高度和不同填土高度時的垂直土壓力系數(shù)如圖4.所示。

圖4 土壓力系數(shù)變化曲線圖

土壓力系數(shù)總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。減載塊的承載作用，使頂板的土壓力轉(zhuǎn)嫁給減載塊，頂板土壓力快速減小，減載塊高度比為1/20、1/10、3/20時的土壓力系數(shù)較無減載塊情況時分別減少10%、20%和30%。

3 結(jié)語

有限元分析結(jié)果表明，在箱涵洞頂兩側(cè)的減載塊，對涵洞頂板的土壓力具有重要影響。減載塊高度比等于1/20時，減載塊對涵洞頂60%凈跨的土壓力有影響，減載塊高度比大于1/20時，減載塊對涵洞頂板全跨土壓力均有影響。減載塊高度比分別為1/20、1/10、3/20時的土壓力系數(shù)較無減載塊情況分別減少10%、20%和30%。

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