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(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

為了經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)明洞結(jié)構(gòu)，探索以變形調(diào)整應(yīng)力的減荷措施至關(guān)重要。模型試驗(yàn)表明，沿著明洞軸向填筑變厚度(與填土高度之變化相對(duì)應(yīng))的柔性填料層，可以顯著地改善明洞洞頂填土的應(yīng)力狀態(tài)，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(xiàn)[1-2]根據(jù)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)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(yīng)的規(guī)律。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)室內(nèi)土壓力模型試驗(yàn)及有限元分析，對(duì)涵洞采取柔性填料或鋪設(shè)EPS板減載措施，提出有無(wú)減載措施時(shí)涵頂土壓力的計(jì)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(yīng)用到高填土明洞上，回歸分析得出適合明洞有無(wú)EPS板減載的土壓力計(jì)算公式，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步研究各個(gè)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(lèi)似。國(guó)內(nèi)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(cè)與涵洞(包括剛性基礎(chǔ))同高填土層可以壓縮，導(dǎo)致涵洞兩側(cè)外土柱沉降大于涵頂內(nèi)土柱沉降，在涵頂平面內(nèi)外土柱間出現(xiàn)沉降差+δ。在填土施工期間及工后固結(jié)過(guò)程中，涵洞兩側(cè)外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)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(nèi)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(nèi)外土柱間的沉降差為－δ，于是外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向上的有利摩阻力，從而使涵頂垂直土壓力小于內(nèi)土柱自重壓力。在土力學(xué)中，把這類(lèi)移動(dòng)的土體將部分自重壓力通過(guò)摩擦力的形式轉(zhuǎn)給相對(duì)靜止的土體，從而使移動(dòng)土體向下的壓力減小的這一現(xiàn)象，稱之為土拱效應(yīng)?？梢?jiàn)填土中要產(chǎn)生土拱效應(yīng)必須具備填土高度與－δ沉降差兩個(gè)條件。

顧安全[3]在研究土壓力減載時(shí)，把各種因素對(duì)涵洞等結(jié)構(gòu)土壓力的影響，歸結(jié)為參數(shù)δ的變化。為了改變明洞頂高填土的應(yīng)力集中現(xiàn)象，促使土壓力減小，就須采用人工措施。本文根據(jù)加筋減載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論探討高填土明洞的減載方法。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 填土壓實(shí)度對(duì)明洞土壓力的影響

一明洞位于西北地區(qū)，其所在區(qū)域廣泛分布黃土，因此實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)填筑時(shí)均采用黃土。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的試驗(yàn)用黃土基本物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 黃土的基本物理力學(xué)參數(shù)

采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法，得出試驗(yàn)黃土的液限wl=27.2%，塑限wp=13.6%，可知塑性指數(shù)Ip=(wlwp)×100=13.6。使土達(dá)到最大干密度的含水率稱最優(yōu)含水率。采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得到最大干密度ρd約1.98 g/cm3，其對(duì)應(yīng)的含水率約為15%。將此作為實(shí)驗(yàn)室每層填土壓實(shí)與否的標(biāo)準(zhǔn)，分層壓實(shí)以滿足壓實(shí)度要求。

根據(jù)相似理論制作護(hù)拱，幾何縮小比例取1∶30，模型長(zhǎng)、寬、高分別為 1.00，0.60，0.23 m。試驗(yàn)在蘭州交通大學(xué)巖土大廳現(xiàn)有基坑(長(zhǎng)3.0 m，寬1.8 m，高2.6 m)內(nèi)進(jìn)行，邊界及地基條件均與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符。

不同壓實(shí)度下明洞頂土壓力隨填土高度變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同壓實(shí)度下明洞頂土壓力隨填土高度變化規(guī)律

由圖1可知:①無(wú)論壓實(shí)度怎樣變化，土壓力隨填土高度變化具有相似的規(guī)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(shí)，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(xù)增加，土壓力隨填土高度的增加逐漸趨于平緩。②不同壓實(shí)度下土壓力隨填土高度增加具有相似的規(guī)律，填土的壓實(shí)度越大，模型頂部土拱效應(yīng)越明顯。

為了更深入地研究減載效果，選擇壓實(shí)度85%的方案進(jìn)行研究。

2.2 EPS板對(duì)明洞土壓力減載的影響

在高填土涵洞頂部鋪設(shè)具有一定壓縮性質(zhì)的材料來(lái)減少正沉降差，并產(chǎn)生負(fù)沉降差，使外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向上的附加摩擦力，從而使外土柱和涵洞共同承擔(dān)涵頂?shù)耐林鶋毫?，達(dá)到減小作用于涵頂土柱壓力的目的。

EPS板減載試驗(yàn)工況:①無(wú)減載措施;②鋪設(shè)不同厚度的EPS減載板。

1)工況1試驗(yàn)

將模型護(hù)拱放入基坑相應(yīng)位置，以25 cm為一層分層填筑黃土并夯實(shí)，布置好標(biāo)定過(guò)的土壓力盒后，開(kāi)始測(cè)試相應(yīng)高度下的土壓力值。

2)工況2試驗(yàn)

在護(hù)拱上方鋪設(shè)EPS板，然后每25 cm一層分層填筑黃土并夯實(shí)。工況2試驗(yàn)如圖2所示。

3)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

有無(wú)EPS減載板明洞拱腳土壓力及公式計(jì)算土壓力隨填土高度變化曲線見(jiàn)圖3。

圖2 工況2試驗(yàn)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(jiàn)，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(shuō)明此時(shí)EPS板發(fā)揮了減載作用。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以看出，洞頂?shù)拇怪蓖翂毫s為未減載土壓力的1/2～2/3。

不同EPS板厚度時(shí)明洞頂土壓力隨填土高度變化曲線見(jiàn)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(dāng)填土低、洞頂及側(cè)壓力小時(shí)，EPS板處于彈性狀態(tài)，壓縮變形很小，洞頂土壓力相差不大，減載效果不明顯。當(dāng)填土到一定高度，洞頂壓力超過(guò)EPS板的屈服值，產(chǎn)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(cè)鋪設(shè)的EPS板愈厚，EPS板的壓縮變形愈大，明洞頂?shù)耐翂毫τ?。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(duì)明洞土壓力減載的影響

在EPS板基礎(chǔ)上鋪設(shè)土工格柵，加大了內(nèi)外土柱的沉降差，使中間土體受到兩側(cè)土體向上的剪切力，從而使傳遞到明洞頂?shù)耐翂毫p小，同時(shí)沉降差使加筋材料在填土壓力作用下向下變形，通過(guò)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(cè)的土體上，從而進(jìn)一步減小明洞頂?shù)耐翂毫Α?/p>

為研究EPS板和土工格柵共同作用(工況3)的減載效果。試驗(yàn)中在護(hù)拱上方鋪設(shè)一定厚度的EPS板，然后在離拱底75 cm處鋪設(shè)土工格柵，土工格柵兩側(cè)分別用木楔固定在邊坡兩側(cè)以確保不產(chǎn)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(cè)試拱頂、拱腳土壓力值。試驗(yàn)測(cè)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(shí)，兩方案減載效果相近。隨著填土高度增加，實(shí)測(cè)填土高度達(dá)到1.5 m(模擬高度45 m)時(shí)，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(shuō)明當(dāng)明洞頂填土達(dá)到一定高度后，通過(guò)減載材料向上的“提兜”作用，在明洞上方產(chǎn)生的拱效應(yīng)加強(qiáng)。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(shì)很平緩。

3 高填土明洞土壓力計(jì)算公式

由于高填土明洞上方土拱效應(yīng)特點(diǎn)，用不考慮拱效應(yīng)的土柱法計(jì)算土壓力進(jìn)行其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守而不經(jīng)濟(jì)，所以文獻(xiàn)[1]提出的非線性土壓力計(jì)算方法在高填土明洞中應(yīng)用更合理，考慮了高填土涵洞上方存在拱效應(yīng)以及土拱效應(yīng)不穩(wěn)定的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為，在填土高度增加過(guò)程中，有部分土壓力傳遞到明洞頂。其計(jì)算的土壓力高于具有穩(wěn)定土拱的普氏理論和太沙基理論計(jì)算值，但明顯低于不考慮拱效應(yīng)的土柱法計(jì)算的土壓力。并提出理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的非線性數(shù)學(xué)模型

式中:ξ，n 為回歸系數(shù)，0＜n＜1。

本文通過(guò)考慮相似關(guān)系，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，編程回歸出有無(wú)EPS板減載措施的非線性拱頂土壓力計(jì)算公式。

根據(jù)工況1試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸土壓力計(jì)算公式為

根據(jù)工況2試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸土壓力計(jì)算公式為

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

根據(jù)工況3試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸土壓力計(jì)算公式為

以上回歸分析得到的簡(jiǎn)明公式不具有對(duì)比性，只能從數(shù)據(jù)看出EPS板及EPS板和土工格柵共同作用下明洞拱頂?shù)臏p載效率。比較式(2)～式(4)及室內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)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?shù)臏p載效率在70%左右。由于減載效果好，柔性材料減載在實(shí)際工程中有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析及模型試驗(yàn)對(duì)高填土明洞上方應(yīng)用EPS板及土工格柵的減載效果進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論:

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析擬合出比較適合明洞高填土結(jié)構(gòu)有無(wú)EPS板時(shí)及EPS板與土工格柵共同作用時(shí)的拱頂土壓力計(jì)算公式。

2)明洞頂采用低壓實(shí)土填筑引起的“土拱效應(yīng)”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(shè)EPS板，使得明洞頂上方土體應(yīng)力進(jìn)行了重分布，從而有效減小明洞頂土壓力，改善了明洞結(jié)構(gòu)受力，其減荷措施切實(shí)有效。

3)通過(guò)在明洞頂上方一定寬度和高度范圍內(nèi)用低壓實(shí)度土填筑，并分別采用在拱頂鋪設(shè)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(nèi)，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(guò)大導(dǎo)致破壞的可能性，可以選擇EPS板和土工格柵共同減載方案。

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