基于顆粒流的高填黃土減載明洞土拱效應(yīng)分析

姚玉相，李盛，馬莉，王煥，于本田，王長(zhǎng)丹

基于顆粒流的高填黃土減載明洞土拱效應(yīng)分析

姚玉相1，李盛1，馬莉2，王煥3，于本田1，王長(zhǎng)丹4

(1. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；4. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

實(shí)際工程表明，在高填方明洞頂部鋪設(shè)EPS板可以明顯降低洞頂豎向土壓力，然而，鋪設(shè)EPS板會(huì)將明洞上方的土體荷載向其兩側(cè)土體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其側(cè)墻所受水平土壓力及彎矩增大。為了進(jìn)一步減小明洞受力，提出一種新型減載明洞體系，利用顆粒流軟件建立相應(yīng)數(shù)值模型，從豎向、水平土壓力、顆粒豎向位移、顆粒間接觸力和孔隙率等細(xì)觀層面研究該減載明洞的荷載傳遞機(jī)制。此外，基于該減載體系，分析EPS板距拱頂位置、寬度和填土壓實(shí)度對(duì)明洞土拱效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：該減載體系可以擴(kuò)大土拱效應(yīng)的影響范圍，同時(shí)減小洞頂與洞側(cè)土壓力；土拱效應(yīng)的發(fā)展與洞頂土體孔隙率的變化相關(guān)，孔隙率隨EPS板距拱頂距離的增加逐漸減小，土拱效應(yīng)逐漸減弱，洞頂土壓力逐漸增大；隨EPS板寬度的增加先增大后減小，當(dāng)EPS板寬度=1.5時(shí)，孔隙率達(dá)到最大值，土拱效應(yīng)最強(qiáng)，洞頂荷載分布最少；填土壓實(shí)度越大，柱土應(yīng)力比越大，洞頂土壓力越小。

新型減載明洞體系；顆粒流；土拱效應(yīng)；微觀

在西部鐵路建設(shè)中，為緩解城市用地緊張，高填明洞在公路和鐵路工程中的應(yīng)用日益普遍，然而，明洞與土體剛度差異引起的洞頂土壓力集中往往會(huì)造成洞頂縱向開(kāi)裂，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。為保證明洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，有必要對(duì)高填方黃土明洞的卸載體系的構(gòu)成及荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行深入研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填方結(jié)構(gòu)物土壓力減載進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。Marston[1]最早提出并驗(yàn)證了高填方涵洞(管)結(jié)構(gòu)的ITI卸載法，即在其頂部鋪設(shè)可壓縮柔性材料進(jìn)行土壓力減載。隨后Dancygier等[2-6]通過(guò)室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)物頂部鋪設(shè)柔性材料或EPS板，研究結(jié)構(gòu)-土相互作用的影響，進(jìn)一步得出在結(jié)構(gòu)物頂部鋪設(shè)柔性材料或EPS板可以起到很好的減載效果。Sun等[7]在涵頂鋪設(shè)EPS板進(jìn)行減載，運(yùn)用FLAC4.0軟件研究涵頂、涵底、涵測(cè)土壓力變化規(guī)律。李盛等[8]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究EPS板對(duì)明洞的卸載效果及機(jī)制，得出EPS板密度越小，厚度越大，明洞洞頂垂直土壓力的卸載越明顯。姜峰林等[9-10]結(jié)合某一高填方涵洞實(shí)際工程對(duì)涵洞土壓力及EPS板壓縮變形進(jìn)行了觀測(cè)，探討了不同EPS板厚度下涵頂土壓力的減載特性，結(jié)果表明，EPS板可明顯減小涵洞頂土壓力。上述研究結(jié)果表明，采取減載措施能夠有效減小涵洞或明洞結(jié)構(gòu)物頂部的垂直土壓力，然而，采取減載措施會(huì)將結(jié)構(gòu)物上方的土體荷載轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)物兩側(cè)土體上，導(dǎo)致其側(cè)墻所受水平土壓力及彎矩增大[11]。為了進(jìn)一步減小明洞受力，本文提出一種新型減載式明洞體系，即在明洞兩側(cè)邊坡上設(shè)置混凝土柱，使混凝土柱與邊坡成為整體結(jié)構(gòu)，然后在洞頂鋪設(shè)EPS板，形成EPS板+混凝土柱的減載式明洞。利用基于離散元理論的顆粒流軟件PFC2D，從散粒體和微觀角度分析該減載明洞土拱效應(yīng)的變化規(guī)律及荷載傳遞機(jī)制。同時(shí)，基于該減載體系，進(jìn)一步研究EPS板放置位置、EPS板寬度和填土壓實(shí)度等3因素對(duì)土拱效應(yīng)的影響。

1 基于顆粒流方法的分析

1.1 室內(nèi)模型試驗(yàn)概述

根據(jù)模擬相似分析與加載條件，確定模型的幾何相似比尺為1/25，最大模擬洞頂填土高度為25 m。按照該比例自制剛性圓拱形明洞模型，填土模型槽邊坡坡角為70°，選用黃土進(jìn)行分層填筑、壓實(shí)。室內(nèi)模型試驗(yàn)的模型尺寸、相關(guān)材料性質(zhì)及參數(shù)等詳細(xì)信息見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.2 顆粒流數(shù)值模型建立

目前，利用PFC2D顆粒流軟件生成土的初始模型的方法有半徑擴(kuò)張重力沉降法[13]、UCM法[14]和IMCM法[15]。利用前2種方法生成的初始模型可能會(huì)存在過(guò)大的水平應(yīng)力，并且地應(yīng)力也不是沿深度的梯度場(chǎng)，與實(shí)際情況不符。為獲得更高精度的初始應(yīng)力狀態(tài)模型，減小生成初始模型時(shí)的水平應(yīng)力，本文采用前述第3種方法，即改進(jìn)的多層壓實(shí)方法(IMCM)生成初始模型。為了進(jìn)行對(duì)比，分別建立無(wú)減載、EPS板減載和EPS板+混凝土柱減載3種數(shù)值模型。

由于上述各數(shù)值模型建立過(guò)程相似，此處僅對(duì)EPS板+混凝土柱減載的建模過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹，相應(yīng)數(shù)值模型圖如圖1所示。模型中所有邊界條件(邊坡、明洞、地基和混凝土柱)均采用邊界墻(wall)模擬，填土采用圓盤(pán)顆粒模擬，并利用IMCM法將填土分層填筑在邊坡坡腳為70°的梯形模型箱內(nèi)。模型箱的高度為1.3 m，其中，明洞高度為0.2 m，EPS板的厚度為0.15 m，回填土高度為0.85 m，空白區(qū)域的高度為0.1 m；模型箱底部的長(zhǎng)度為0.6 m，其中，明洞寬為0.2 m；混凝土柱位于明洞兩側(cè)邊坡處，其高度為坡底至EPS板頂?shù)木嚯x，詳細(xì)位置見(jiàn)圖2所示。生成EPS板時(shí)，先在放置EPS板的位置處生成一個(gè)矩形墻(長(zhǎng)0.2 m×高0.15 m)，并刪除該矩形墻內(nèi)的顆粒，然后利用PFC2D自帶的半徑擴(kuò)大法程序[16]生成顆粒集合。此時(shí)，由于矩形墻的介入，模型整體處于不平衡狀態(tài)，故需要將模型運(yùn)行足夠多的步數(shù)來(lái)獲得初始平衡狀態(tài)，模型達(dá)到初始平衡狀態(tài)以后，刪除矩形墻，賦予模型合適的細(xì)觀參數(shù)，并在重力的作用下達(dá)到最終平衡狀 態(tài)[15, 17]。另外，模型中布置了一定數(shù)量的測(cè)量圓和位移測(cè)量點(diǎn)，用于測(cè)量模擬中各位置的豎向、水平土壓力、孔隙率和顆粒豎向位移。其中，編號(hào)1~11的測(cè)量圓用于測(cè)量洞頂豎向應(yīng)力，編號(hào)4~8的測(cè)量圓用于計(jì)算洞頂平均豎向應(yīng)力，編號(hào)5~7的測(cè)量圓用于測(cè)量洞頂上方土體中的孔隙率，編號(hào)12~15的測(cè)量圓用于測(cè)量混凝土上的豎向應(yīng)力，編號(hào)16~20的測(cè)量圓用于測(cè)量混凝土柱之間土體的豎向應(yīng)力，編號(hào)6和21~29的測(cè)量圓用于測(cè)量拱頂上方不同深度位置處的豎向應(yīng)力，明洞兩側(cè)重疊的測(cè)量圓用于測(cè)量明洞兩側(cè)土體的水平應(yīng)力，具體位置見(jiàn)圖 2。

單位：m

1.3 材料細(xì)觀參數(shù)獲取

填土材料選用相對(duì)壓實(shí)度=80%，孔隙率= 0.2，黏聚力c=20 kPa，=24.6°的黃土[18]，由于黃土是一種黏性材料，故填土材料顆粒間的接觸模型采用線性接觸黏結(jié)本構(gòu)模型，顆粒粒徑分布范圍為6~10 mm。通過(guò)建立數(shù)值雙軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行反演試算獲得其細(xì)觀參數(shù)，最終使顆粒集合表現(xiàn)的宏觀特性與預(yù)設(shè)的宏觀特性一致，數(shù)值模型采用的細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表1。雙軸試驗(yàn)試樣尺寸為寬0.5 m×高1.0 m，采用PFC自帶的伺服機(jī)制進(jìn)行加載，伺服圍壓分別為50，75和100 kPa，加載應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示(壓實(shí)度=85%，孔隙率=0.15，黏聚力=31.1 kPa，=28.2°；壓實(shí)度=90%，孔隙率=0.1，黏聚力=58.1 kPa，=30.2°，圖類同)。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

模擬EPS板時(shí)，顆粒間的接觸本構(gòu)選擇線性接觸本構(gòu)，顆粒粒徑服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)曲線分布，其細(xì)觀參數(shù)通過(guò)數(shù)值壓縮試驗(yàn)進(jìn)行反演試算獲得，試樣尺寸為寬0.4 m×高0.8 m。通過(guò)給上壓板施加10-8m/step的恒定向下速度進(jìn)行加載，并記錄相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)大量的試算，最終確定其合理的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示，相應(yīng)的細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表1。由圖4可知：當(dāng)EPS板的應(yīng)變?cè)?%以內(nèi)變化時(shí)，DEM曲線和室內(nèi)試驗(yàn)曲線吻合較好。事實(shí)上，在進(jìn)行本次數(shù)值模擬時(shí)，EPS板的應(yīng)變遠(yuǎn)小于4%。因此，在本研究中可以采用表1中所列的EPS板細(xì)觀力學(xué)參數(shù)來(lái)表征其力學(xué)行為[8]。

圖3 雙軸試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

圖4 EPS板壓縮模擬和試驗(yàn)曲線比較

表1 顆粒流模型細(xì)觀參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 顆粒間接觸力分析

圖5為無(wú)減載、EPS板減載和EPS板+混凝土柱減載3種情況下顆粒間的接觸力分布。接觸力的分布實(shí)質(zhì)是土體中荷載傳遞特征的體現(xiàn)，圖中Compression和Tension分別表示壓力和拉力，出現(xiàn)拉力是因?yàn)樘钔帘旧砭途哂叙ば?，顆粒間存在黏聚力。線的粗細(xì)代表接觸力的大小，線條組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式代表力的分布和荷載的傳遞方向。圖5(a)顯示：無(wú)減載措施條件下，洞頂接觸力集中現(xiàn)象明顯，洞頂土顆粒間接觸力明顯大于明洞兩側(cè)土顆粒間接觸力。在只有EPS板減載的情況下，如圖5(b)所示。洞頂上方土體荷載傳遞至EPS板頂時(shí)，由于EPS板與周圍填土材料的剛度差異性，洞頂荷載向EPS板兩側(cè)轉(zhuǎn)移并向下發(fā)展；當(dāng)荷載轉(zhuǎn)移至與EPS板底面平行位置處時(shí)，一部分荷載繼續(xù)向下發(fā)展至坡底，另一部分荷載拐向拱形明洞的拱腳附近。這是因?yàn)椋?) 明洞拱腳處的剛度與其周圍填土剛度存在差別，在土拱效應(yīng)的作用下，荷載向拱腳轉(zhuǎn)移；2) 明洞的拱形部分與明洞側(cè)墻接合處有一定的尖角，該尖角附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。當(dāng)在明洞兩側(cè)邊坡處設(shè)置混凝土柱時(shí)，如圖5(c)所示。顆粒間接觸力鏈的分布發(fā)生了明顯的變化，明洞側(cè)墻受力明顯減小，土拱效應(yīng)影響的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大(見(jiàn)圖5(c)中弧形虛線所示)。這是因?yàn)椋?) 混凝土柱有效的限制了明洞兩側(cè)土體下沉，使明洞上方較大范圍內(nèi)(混凝土柱之間)的土體產(chǎn)生不均勻沉降，從而擴(kuò)大了土拱效應(yīng)影響的范圍；2) 由于混凝土柱與明洞兩側(cè)填土之間的剛度差異，EPS板卸載的洞頂荷載并未向明洞兩側(cè)土體發(fā)展，而是轉(zhuǎn)移至混凝土柱上，使明洞側(cè)墻受力顯著減小。

(a) 無(wú)減載；(b) EPS板減載；(c) EPS板+混凝土柱減載

2.2 應(yīng)力分析

根據(jù)圖2中布置的測(cè)量圓，并使用程序自帶的測(cè)量圓命令，對(duì)明洞上方的豎向土壓力、不同深度位置處的豎向土壓力和明洞兩側(cè)的水平土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，相應(yīng)計(jì)算結(jié)果如圖6~8所示。圖6為不同減載措施下豎向土壓力沿深度方向(圖2中測(cè)量圓6和21~29位置處)變化規(guī)律。圖6顯示，明洞頂無(wú)減載措施時(shí)，豎向土壓力隨深度的增加逐漸增加，增幅逐漸變大；洞頂采取減載措施后，豎向土壓力隨深度的增加先增加后減小，說(shuō)明土拱效應(yīng)出現(xiàn)，洞頂上方荷載轉(zhuǎn)移至其他位置；減載措施不同，土拱效應(yīng)出現(xiàn)的位置也不一樣，對(duì)于EPS板減載而言，豎向土壓力在距明洞頂上方40 cm的位置處開(kāi)始減小，此高度即為土拱高度，且為明洞高度的2倍；對(duì)于EPS板+混凝土柱減載而言，距明洞頂上方50 cm位置處豎向土壓力開(kāi)始減小，此時(shí)土拱高度為明洞高度的2.5倍。由圖7可知，對(duì)于無(wú)減載措施情況而言，由于明洞和兩側(cè)填土的剛度差異，導(dǎo)致明洞兩側(cè)外土柱沉降大于內(nèi)土柱沉降，外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生了向下的摩擦力，從而使明洞上方的豎向壓力大于其兩側(cè)的豎向土壓力。在明洞頂鋪設(shè)EPS板后，由于EPS板受到上覆土體向下的壓力，發(fā)生向下的變形，導(dǎo)致內(nèi)土柱沉降大于外土柱沉降，土拱效應(yīng)出現(xiàn)，洞頂荷載向明洞兩側(cè)轉(zhuǎn)移。相比無(wú)減載措施情況下的豎向土壓力，此時(shí)，明洞洞頂受力明顯減小，而洞側(cè)受力增大，且明洞頂部中心土壓力的卸載率為80%。在明洞兩側(cè)設(shè)置混凝土柱后，相比無(wú)減載措施情況，由于洞頂上方土體荷載向混凝土柱轉(zhuǎn)移，明洞洞頂和洞側(cè)的豎向土壓力都顯著減小，且明洞頂部中心土壓力的卸載率為87%。由圖8可知，明洞兩側(cè)的水平土壓力隨深度的增加逐漸增大，但增幅不大，整體分布較均勻，洞頂無(wú)減載時(shí)，洞側(cè)所受平均水平土壓力13.7 kPa；相比無(wú)減載措施情況，EPS板減載時(shí)，由于內(nèi)外土柱的不均勻沉降，洞頂荷載向明洞兩側(cè)轉(zhuǎn)移，洞側(cè)水平土壓力增加，洞側(cè)所受平均水平土壓力18.8 kPa；EPS板+混凝土柱減載時(shí)，由于混凝土柱的存在，洞頂荷載及明洞兩側(cè)荷載向混凝土柱轉(zhuǎn)移，洞側(cè)水平土壓力減小，相應(yīng)的平均水平土壓力為10.6 kPa。綜上，混凝土柱的存在既保證了洞頂安全受力又保證了明洞側(cè)墻結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

圖6 不同減載措施下豎向應(yīng)力沿深度方向變化規(guī)律

圖7 不同減載措施下明洞頂豎向土壓力變化規(guī)律

圖8 不同減載措施下明洞頂水平土壓力變化規(guī)律

2.3 豎向位移分析

圖9為不同減載措施情況下顆粒的豎向位移變化。圖9顯示：無(wú)減載措施情況下顆粒位移呈現(xiàn)出中間小，兩頭大的特點(diǎn)，即內(nèi)土柱沉降小于外土柱沉降，內(nèi)外沉降差為0.07 mm，此時(shí)，外土柱對(duì)內(nèi)土柱會(huì)產(chǎn)生向下的摩擦力，洞頂土壓力增大。當(dāng)在洞頂上方鋪設(shè)EPS板后，由于EPS板具有較大的壓縮變形空間，洞頂上方內(nèi)土柱沉降明顯大于其兩側(cè)土柱的沉降，沉降差為-0.17 mm；EPS板+混凝土柱減載時(shí)，明洞兩側(cè)混凝土柱能夠有效阻止外土柱的沉降，進(jìn)一步增大內(nèi)土柱的沉降，沉降差為-0.33 mm；這2種情況下，外土柱均會(huì)對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向上的摩擦力，洞頂土壓力減小，且負(fù)的沉降差越大，土拱效應(yīng)越明顯，洞頂荷載轉(zhuǎn)移越多。

圖9 不同減載措施下明洞頂顆粒豎向位移變化規(guī)律

3 參數(shù)分析

為明確EPS板放置位置、寬度和填土壓實(shí)度對(duì)高填黃土明洞土拱效應(yīng)的影響規(guī)律，以EPS板+混凝土柱減載情況作為參數(shù)化研究的基準(zhǔn)，分析EPS板位置、寬度和填土壓實(shí)度對(duì)洞頂土拱效應(yīng)的影響。其中，EPS板底面距拱頂?shù)木嚯x為0，2和5 cm；EPS板的寬度分別為10(0.5)，20(1.0)，30(1.5)和40 cm(2.0)；填土壓實(shí)度分別為：80%，85%，90%。

3.1 EPS板位置的影響

圖10為EPS板不同位置情況下洞頂平均豎向土壓力和顆粒豎向相對(duì)位移分布曲線。由圖10可知：洞頂平均土壓力隨EPS板距拱頂距離的增大而增大，顆粒豎向相對(duì)位移隨EPS板距拱頂距離的增大而減小。這說(shuō)明，EPS板距離拱頂越近，內(nèi)外土柱沉降差越大，土拱效應(yīng)越強(qiáng)，洞頂土壓力越小?？紫堵孰SEPS板距拱頂位置的變化見(jiàn)圖11。由圖11可知，隨著EPS板距拱頂距離的減小，洞頂上方土體孔隙率逐漸增大。這是由于土拱效應(yīng)的發(fā)展對(duì)應(yīng)于土體中孔隙率的變化過(guò)程，當(dāng)土拱效應(yīng)逐漸增強(qiáng)時(shí)，洞頂上方的填土荷載逐漸轉(zhuǎn)移至混凝土柱，洞頂上方的土體荷載減小，故孔隙率變大。綜上，建議在實(shí)際工程中鋪設(shè)EPS板時(shí)，盡可能靠近 拱頂。

圖10 明洞洞頂平均豎向土壓力和顆粒豎向相對(duì)位移與EPS板位置關(guān)系

3.2 EPS板寬度的影響

明洞洞頂平均豎向土壓力和顆粒豎向相對(duì)位移隨EPS板寬度的變化見(jiàn)圖12。由圖12可知，隨著EPS板寬度的增大，平均豎向土壓力先減小，并在EPS板寬度=1.5時(shí)達(dá)到最小值3.5 kPa，之后又開(kāi)始增大；而顆粒豎向相對(duì)位移則是先增大，并在EPS板寬度=1.5時(shí)達(dá)到最大值0.41 mm，而后開(kāi)始減小。這說(shuō)明，相同填土高度下，EPS板寬度對(duì)土拱效應(yīng)的影響存在上限值，且該上限值為=1.5。

圖12 明洞洞頂平均豎向土壓力和顆粒豎向相對(duì)位移與EPS板厚度關(guān)系

孔隙率隨EPS板寬度的變化見(jiàn)圖13。由圖13可知，洞頂上方土體孔隙率隨EPS板寬度的增加先逐漸增大，并在EPS板寬度=1.5時(shí)達(dá)到最大值0.149，隨后開(kāi)始減小。結(jié)合圖12與圖13的相關(guān)分析可知，EPS板最佳寬度為=1.5。此時(shí)，洞頂內(nèi)外土柱沉降差達(dá)到最大，土拱效應(yīng)最強(qiáng)，洞頂荷載分布最少，土體孔隙率最大，且該值與Vaslestad等[3, 19]推薦的值相一致。

圖13 孔隙率與EPS板寬度關(guān)系

圖14 明洞洞頂平均豎向土壓力和柱土應(yīng)力比與填土壓實(shí)度關(guān)系

3.3 填土壓實(shí)度的影響

壓實(shí)度不同，填土材料所表現(xiàn)的性質(zhì)也不一樣，壓實(shí)度越大，填土材料的孔隙率越小，內(nèi)摩擦角和黏聚力越大。圖14為不同壓實(shí)度情況下明洞洞頂平均豎向土壓力和柱土應(yīng)力比(混凝土柱上的平均應(yīng)力與混凝土柱間土體平均應(yīng)力之比)變化曲線。由圖14可知，隨填土壓實(shí)度的增加，柱土應(yīng)力比逐漸增大，洞頂平均土壓力逐漸減小。上述結(jié)果表明，填土壓實(shí)度越大，明洞頂土拱效應(yīng)越明顯，填土顆粒間形成土拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強(qiáng)，混凝土柱承擔(dān)的荷載越多，洞頂荷載分布越少。理由如下：填土壓實(shí)度越大，顆粒間內(nèi)摩擦角越大，顆粒間咬合嵌鎖作用越強(qiáng)，越容易形成穩(wěn)定的土拱結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

1) 明洞兩側(cè)邊坡處設(shè)置混凝土柱不僅能夠有效降低洞頂兩側(cè)土體的沉降，間接增加內(nèi)土柱的沉降，加強(qiáng)土拱效應(yīng)，還能同時(shí)減小洞頂垂直土壓力和明洞側(cè)墻所受土壓力。與EPS板減載的明洞相比，EPS板+混凝土柱減載明洞的減載效果提高了7%，側(cè)墻受到的水平土壓力減少了44%。

2) 土體孔隙率的變化與土拱效應(yīng)的發(fā)展相關(guān)，改變EPS板距拱頂?shù)木嚯x和寬度均會(huì)引起明洞上方土體孔隙率的變化，進(jìn)而影響土拱效應(yīng)。孔隙率隨EPS板距拱頂距離的增加呈線性減小，土拱效應(yīng)逐漸減弱，洞頂土壓力逐漸增大；孔隙率隨EPS板寬度的增加呈非線性變化，當(dāng)EPS板寬度=1.5時(shí)，洞頂上方土體孔隙率達(dá)到最大，土拱效應(yīng)達(dá)到最強(qiáng)，洞頂減載效果最優(yōu)。

3) 填土壓實(shí)度越大，土體內(nèi)摩擦角越大，顆粒間咬合嵌鎖作用越強(qiáng)，明洞上方形成的土拱結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土拱效應(yīng)發(fā)揮的作用越持久，洞頂上方荷載持續(xù)向其他方向轉(zhuǎn)移，洞頂土壓力越小。

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Analysis on soil arching for unloading structure of high-filled cut-and-cover tunnel based on particle flow simulation

YAO Yuxiang1, LI Sheng1, MA Li2, WANG Huan3, YU Bentian1, WANG Changdan4

(1. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070, China; 2. College of Civil Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China;3. China Railway Fourteen Bureau Group Co., Ltd, Jinan 250014, China;4. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The practical engineering shows that laying EPS board on the top of high-filled cut-and-cover tunnel can obviously reduce the vertical earth pressure. However, it will transfer the soil load on the top of high-filled cut-and-cover tunnel to its two sides, resulting in the increase of horizontal earth pressure and bending moment. In order to further reduce the stress around the cut-and-cover tunnel, a new type of unloading structure system was proposed in this paper, and the software Meso-scale Particle Flow Code was used to establish the corresponding numerical model. The influence laws of soil arching for unloading structure system were studied from the mesoscopic level of vertical soil pressure, vertical displacement of particles and contact force chain between particles. In addition, based on this system, the influence of location and the width of EPS, the compaction degree of the filled soil on the soil arching was analyzed. It is shown that this system can expand the influence range of soil arching and reduce the earth pressure at the top and side of the cut-and-cover tunnel. The development of soil arching is related to the change of the porosity of soil on the roof. The porosity decreases with the increase of the distance between EPS plate and the top of cut-and-cover tunnel, the soil arching weakens and the soil pressure on the roof increases. As the width of EPS board increases, it first increases and then decreases. When the width of EPS board=1.5, the porosity reaches the maximum. The soil arching is the strongest, and the load on the top of cut-and-cover tunnel distribution is the least. The greater the compactness of the filling soil is, the greater the pillar-soil stress ratio is, and the smaller the earth pressure of the roof is.

new type of unloading structure system; PFC; soil arching; microcosmic viewpoint

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20190210

TU43

A

1672 - 7029(2020)01 - 0139 - 09

2019-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51668036，51868041)；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IRT_15R29)；甘肅省高等學(xué)?？茖W(xué)研究一般項(xiàng)目(2017A-111)；甘肅省高校協(xié)同創(chuàng)新科技團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(2017C-08)；蘭州交通大學(xué)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(201606)

李盛(1982-)，男，山西陽(yáng)高人，副教授，博士，從事橋梁與隧道工程方向研究；E-mail：ligwin@126.com

(編輯 陽(yáng)麗霞)