基于分布角法的涵頂土壓力研究★

王雯璐 張建鋒 李印霞

(1.河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

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基于分布角法的涵頂土壓力研究★

王雯璐1，2張建鋒1李印霞1

(1.河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

為了研究沿涵洞縱向不同位置的涵頂豎向土壓力的分布規(guī)律，基于分布角法推導(dǎo)了土壓力計(jì)算法，分析了土壓力沿涵洞縱向的分布規(guī)律，探討了拱效應(yīng)，結(jié)果表明涵頂拱效應(yīng)使規(guī)范的“土柱法”計(jì)算值偏大，結(jié)構(gòu)過于安全而不經(jīng)濟(jì)。

高填方涵洞，豎向土壓力，分布角法，拱效應(yīng)

為了保護(hù)綠色生態(tài)環(huán)境，合理利用開挖路塹的土石方，山區(qū)高速公路常修建高路堤取代橋梁。高路堤涵洞上方的填土高達(dá)幾十米，是典型的高填方涵洞。歐美國家為了保護(hù)自然山體完整和沿線風(fēng)光，很少修建高填方涵洞，較多的是采用明涵。國內(nèi)，鄭俊杰考慮到涵頂和涵臺(tái)的土壓力差，根據(jù)涵頂豎向力的平衡分析了土壓力的分布規(guī)律；寧寶寬根據(jù)Winkler彈性地基條件和Marston公式推導(dǎo)了蓋板涵豎向土壓力。我國的JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范推薦的土柱法未考慮拱效應(yīng)和涵洞受力機(jī)理，使得設(shè)計(jì)荷載偏大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守而不經(jīng)濟(jì)，影響施工質(zhì)量和高速公路的運(yùn)營。對(duì)于高填方涵洞，多是研究不同填土高度下豎向土壓力的規(guī)律，很少研究路堤邊坡對(duì)涵頂豎向土壓力的影響，即沿著涵洞縱向豎向土壓力的分布規(guī)律。本文基于分布角法，探討了距離涵洞口不同位置即沿涵洞縱向不同位置時(shí)涵頂豎向土壓力的計(jì)算方法。分析了豎向土壓力沿涵洞縱向的分布規(guī)律，探討了拱效應(yīng)，討論了基于分布角法的土壓力計(jì)算值和按照J(rèn)TG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范計(jì)算值的誤差，用于指導(dǎo)高填方涵洞豎向荷載計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 計(jì)算模型

沿著涵洞縱向頂面建立x軸，涵洞高度方向建立y軸，如圖1所示。假設(shè)路基寬度為W，邊坡坡度為1∶n，涵洞上部填土高度為H，土體重度為γ，豎向土壓力的擴(kuò)散角為2α。豎向土壓力計(jì)算模型見圖2。

(1)

(2)

3)當(dāng)X位于EF內(nèi)時(shí)，即X∈(H(n+tanα)，H(n-tanα)+W)時(shí)，土壓力的計(jì)算式為：

(3)

2 計(jì)算結(jié)果分析

不同填土高度沿涵洞縱向不同位置采用分布角法和規(guī)范計(jì)算的涵頂土壓力如表1～表3所示。

表1 涵頂填土12 m距涵洞口不同位置的土壓力

表2 涵頂填土16 m距涵洞口不同位置的土壓力

表3 涵頂填土20 m距涵洞口不同位置的土壓力

1)在不同的填土高度和涵洞不同縱向位置的條件下，分布角法計(jì)算的涵頂豎向土壓力和規(guī)范計(jì)算結(jié)果較接近，說明基于分布角法的土壓力算法是可行的。如填土16m時(shí)，距涵洞口較近(4m和8m)的計(jì)算值(91kPa和181kPa)和規(guī)范值(320kPa)差別較大，其他觀測(cè)點(diǎn)結(jié)果較接近。

2)相同填土高度時(shí)，距離涵洞口不同距離的土壓力變化規(guī)律說明高填方涵洞沿縱向存在“拱效應(yīng)”。

涵洞填土達(dá)到20m時(shí)，位于涵洞口16m的涵頂土壓力計(jì)算值319kPa，小于規(guī)范值400kPa。說明涵頂填土達(dá)到一定高度時(shí)，土體發(fā)生壓縮和變形，土顆粒互相楔緊，形成自然土拱。若使用規(guī)范的“土柱法”設(shè)計(jì)涵洞會(huì)使結(jié)構(gòu)過于安全而不經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語

1)涵洞縱向不同位置的涵頂豎向土壓力的計(jì)算值和規(guī)范值較接近，基于分布角法計(jì)算豎向土壓力是可行的。

2)沿涵洞縱向長度的增加，涵頂產(chǎn)生拱效應(yīng)，采用規(guī)范的“土柱法”計(jì)算結(jié)果偏大，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于安全而不經(jīng)濟(jì)。

[1]KarinskiYS,DancygierAN,LeviathanI.Ananalyticalmodeltoevaluatethestaticsoilpressureonaburiedstructure.EngineeringStructures,2003,25(1):91-101.

[2]鄭俊杰,趙建斌,陳保國.高路堤下涵洞垂直土壓力研究.巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(7):1009-1013.

[2]寧寶寬,龔 雷,范 鶴，等.路堤下蓋板涵的豎向土壓力分布.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(3):345-349.

[3]JTGD60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范.

[4]王雯璐，趙江鵬，趙大軍，等.圖琿高速公路高填方涵洞涵頂豎向土壓力試驗(yàn).廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,38(6):1272-1276.

Studyonculvertearthpressurebasedondistributinganglemethod★

WangWenlu1，2ZhangJianfeng1LiYinxia1

(1.Henan Institute of Engineering, Resources and Environmental Engineering Department, Zhengzhou 451191， China；2.Jilin University, College of Construction Engineering, Changchun 130026， China)

Toinvestigatethepatternofverticalearthpressureonlongitudinalculvert,basedondistributinganglemethod,thecalculationmethodofverticalearthpressurewasdeduced.Thelawofearthpressurewasanalyzedandthearchingeffectwasdiscussed.Thecalculatedresultsby“soilcolumnmethod”incodewaslarge.Structureisnotcost-efficientbecausedesignistoosafe.

high-fillculvert，verticalearthpressure，distributinganglemethod，archingeffect

1009-6825(2015)01-0147-02

2014-10-23 ★：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2010CB731503)；吉林省交通廳科技項(xiàng)目

王雯璐(1983- )，女，講師，在讀博士； 張建鋒(1979- )，男，講師； 李印霞(1984- )，女，講師

U449.31

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