非對稱溝埋式涵洞特征探討

張明濤

(中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 宿州 234000)

0 引 言

通常,溝埋式涵洞呈對稱分布,即涵洞置于溝槽的中央,兩側(cè)溝槽形態(tài)對稱。但在某些特定地形地貌條件下,涵洞可能偏離溝槽的中心,且兩側(cè)溝槽形態(tài)不同,即出現(xiàn)非對稱溝埋式涵洞。此類新型涵洞的土壓力分布形態(tài),顯然與對稱溝埋式涵洞不同。況且，我國多個(gè)規(guī)范中都對地下涵洞的土壓力計(jì)算有著不同的規(guī)定,且按各個(gè)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果有時(shí)相差較大[7-10]，因此目前尚無成熟的理論來指導(dǎo)非對稱溝埋式涵洞的設(shè)計(jì)[10,11]。

為此,本文基于有限元方法,對非對稱溝埋式涵洞的土壓力及填土的沉降進(jìn)行對比分析,通過變換幾何參數(shù)探討涵頂土壓力系數(shù)的影響因素,為準(zhǔn)確把握非對稱溝埋式涵洞的特征提供一定的參考。

1 有限元計(jì)算模型

現(xiàn)針對某一典型填方工程中的非對稱溝埋式涵洞進(jìn)行分析。箱型涵洞外輪廓寬度D=4m、高度N=5m,涵洞四周的鋼筋混凝土壁厚50cm,涵洞頂部至填土表面的距離為H。涵洞置于溝槽中,溝槽左壁高W1,涵洞左壁離溝槽左壁的距離為B1,溝槽右壁高W2,涵洞右壁離溝槽右壁的距離為B2,涵洞的計(jì)算構(gòu)型如圖1所示。

圖1 涵洞計(jì)算構(gòu)型圖

將涵洞按平面應(yīng)變問題考慮,原地基與填土材料的本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖理想彈塑性模型,涵洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度較高,可按線彈性材料考慮。土層及涵洞的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

有限元計(jì)算域應(yīng)足夠大,以便消除邊界條件的影響。有限元計(jì)算的邊界條件為:底部采用固定邊界條件,即水平和豎向的位移均約束,兩側(cè)為水平方向位移約束條件。采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,圖2給出了W1=W2=5m、B1=3m、B2=6m、H=20m情況下的有限元網(wǎng)格的劃分情況。采用有限元方法通過激活涵洞與填土計(jì)算單元的方法來模擬填土的填筑[11-13]。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分(單元:1512個(gè))

2 計(jì)算結(jié)果分析

基于有限元方法,對不同參數(shù)情況下的非對稱溝埋式涵洞頂部土壓力與填土內(nèi)部等沉面進(jìn)行了考察,得到了非對稱溝埋式涵洞的基本特征。

2.1 涵洞兩側(cè)溝槽寬度的影響

不同情況下溝埋式涵洞填土內(nèi)部的豎向沉降云圖的典型形狀如圖3所示?？梢?對稱溝埋式涵洞(B1=B2、W1=W2)的填土沉降呈對稱狀態(tài),涵洞兩側(cè)溝槽內(nèi)的填土沉降較大呈“下凹”形狀,涵洞正上方附近的填土明顯出現(xiàn)“上凸”形狀;而非對稱溝埋式涵洞(B1≠B2或W1≠W2)的填土沉降呈非對稱狀態(tài),溝槽寬度較大一側(cè)的填土沉降較大,溝壁高度較小一側(cè)的填土沉降較大。非對稱溝埋式涵洞周邊填土沉降的非對稱特性,導(dǎo)致涵洞頂部的土壓力與對稱溝埋式情況下的土壓力不同。

作為我國新時(shí)期的農(nóng)機(jī)監(jiān)理人員，一定要以提升農(nóng)機(jī)整體水平為基準(zhǔn)，以保證人民生命安全為目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，不斷推動(dòng)農(nóng)機(jī)設(shè)備的發(fā)展。要積極聽取廣大農(nóng)戶的農(nóng)機(jī)使用意見，農(nóng)機(jī)使用者是直接與農(nóng)機(jī)接觸的人，他們最清楚農(nóng)機(jī)設(shè)備還有哪些地方需要提高。

圖3 不同情況下溝埋式涵洞填土豎向沉降云圖

等沉面是指豎向沉降量相等的平面,涵洞兩側(cè)溝槽寬度不同取值時(shí)填土內(nèi)部的等沉面分布如圖4所示?？梢?隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差值的增大,兩側(cè)填土的沉降明顯出現(xiàn)差異,溝槽寬度更大一側(cè)填土的豎向沉降更大。

圖4 涵洞兩側(cè)溝槽寬度不同時(shí)填土等沉面特征(單位:cm)

為了定量地描述這種沉降差,可對比與涵頂標(biāo)高相同的涵洞兩側(cè)填土中點(diǎn)的沉降差,如圖5所示?？梢?當(dāng)B1=B2時(shí)沉降差為0,當(dāng)(B2-B1)=5m時(shí)沉降差為5.2cm,沉降差隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差(B2-B1)的增大而增大。

圖5 涵頂兩側(cè)溝槽內(nèi)填土中點(diǎn)的沉降差

有限元計(jì)算表明,涵洞頂部寬度范圍內(nèi)的土壓力呈現(xiàn)非線性分布:涵洞頂部兩端因應(yīng)力集中而土壓力較大,涵洞頂部中間的土壓力相對較小。為了分析方便,現(xiàn)僅考察涵洞頂部中點(diǎn)處的土壓力,該點(diǎn)處的土壓力為涵頂處最小的土壓力。將同一位置處的豎向土壓力與土體自重之比稱為土壓力系數(shù)k,涵洞兩側(cè)溝槽寬度差對涵頂土壓力系數(shù)k的影響如圖6所示。

圖6 涵洞兩側(cè)溝槽寬度差對涵頂土壓力系數(shù)的影響

由圖6可知,涵洞頂部中點(diǎn)處的土壓力系數(shù)k均大于1.0,土壓力系數(shù)k隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差的增大呈線性增大的規(guī)律,B1=B2時(shí)土壓力系數(shù)k為最小值1.12,(B2-B1)=5m時(shí)土壓力系數(shù)k為1.21。涵洞兩側(cè)溝槽寬度差越大,兩側(cè)填土的不均勻沉降越大,涵洞處受到的應(yīng)力集中越大,從而導(dǎo)致涵洞頂部的土壓力系數(shù)越大。

鄭俊杰等[1]依托西部大開發(fā)銀武線十漫高速公路段某溝埋式涵洞的土壓力進(jìn)行了測試,結(jié)果表明各段涵頂土壓力實(shí)測值均大于按線性土壓力理論(土柱法)計(jì)算的結(jié)果,即土壓力系數(shù)k大于1.0。本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與該實(shí)測結(jié)果取得了一致。

由于涵洞兩側(cè)填土的沉降大于鋼筋混凝土剛性涵洞本身的沉降,涵洞側(cè)壁將受到向下的負(fù)摩阻力。有限元計(jì)算中可得到涵洞側(cè)壁的剪應(yīng)力,該應(yīng)力方向向下,呈非線性分布。負(fù)摩阻力即為該剪應(yīng)力沿涵洞側(cè)壁高度方向的積分。為了分析方便,現(xiàn)僅考察涵洞側(cè)壁剪應(yīng)力的最大值分布特征。計(jì)算結(jié)果表明,涵洞溝槽寬度相同時(shí),該側(cè)涵洞側(cè)壁剪應(yīng)力最大值基本相同;涵洞溝槽寬度不同時(shí),該側(cè)涵洞側(cè)壁剪應(yīng)力最大值變化較大。圖7給出了B1=3m、B2不同取值時(shí)位于B2側(cè)的涵洞側(cè)壁剪應(yīng)力最大值變化情況。

圖7 涵洞兩側(cè)溝槽寬度差對涵側(cè)剪應(yīng)力最大值的影響

由圖7可知,隨著B2的增加,B2側(cè)涵洞側(cè)壁的剪應(yīng)力最大值逐漸增大,且B2越大增幅越大。B2=3 m時(shí)，側(cè)壁的剪應(yīng)力最大值為68.3 kPa;B2=8 m時(shí)，側(cè)壁的剪應(yīng)力最大值為89.9 kPa。

填土對涵洞的荷載由上覆土壓力與側(cè)壁負(fù)摩阻力構(gòu)成,而上覆土壓力與側(cè)壁負(fù)摩阻力均隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差(B2-B1)的增加而逐漸增大。因此,溝槽寬度差(B2-B1)越小對涵洞越有利。

2.2 涵洞兩側(cè)溝槽高度的影響

涵洞兩側(cè)溝槽高度不同取值時(shí)填土內(nèi)部的等沉面分布如圖8所示。

圖8 涵洞兩側(cè)溝槽高度不同時(shí)填土等沉面特征(單位:cm)

由圖8可知，隨著涵洞兩側(cè)溝槽高度差值的增大,溝槽高度小的一側(cè)填土的沉降逐漸增大,從而使兩側(cè)填土的沉降差增大。

涵洞兩側(cè)溝槽高度差對涵頂土壓力系數(shù)k的影響如圖9所示。

圖9 涵洞兩側(cè)溝槽高度差對涵頂土壓力系數(shù)的影響

由圖9可知,涵洞頂部中點(diǎn)處的土壓力系數(shù)k隨著涵洞兩側(cè)溝槽高度差的增大而增大,(W1-W2)=0 m時(shí)土壓力系數(shù)k為最小值1.10,(W1-W2)=8 m時(shí)土壓力系數(shù)k為1.25。涵洞兩側(cè)溝槽高度差越大,兩側(cè)填土的不均勻沉降越大,涵洞處受到的應(yīng)力集中越大,從而導(dǎo)致涵洞頂部的土壓力系數(shù)越大。

圖10給出了W1=9m、W2不同取值時(shí)位于溝槽高度較小的W2側(cè)的涵洞側(cè)壁剪應(yīng)力最大值變化情況。

圖10 涵洞兩側(cè)溝槽高度差對涵側(cè)剪應(yīng)力最大值的影響

由圖10可知,隨著涵洞兩側(cè)溝槽高度差增大,溝槽高度較小側(cè)涵洞側(cè)壁的剪應(yīng)力最大值逐漸增大。W2=9 m時(shí)，側(cè)壁的剪應(yīng)力最大值為58.3 kPa；W2=1 m時(shí)，側(cè)壁的剪應(yīng)力最大值為100.7 kPa。

隨著涵洞兩側(cè)溝槽高度差逐漸增大,涵頂?shù)耐翂毫εc涵側(cè)的負(fù)摩阻力均增大,因此溝槽高差(W1-W2)越小對涵洞越有利。

綜上所述,相同條件下對稱溝埋式涵洞(W1=W2、B2=B1)的涵頂土壓力與涵側(cè)剪應(yīng)力均為最小值;對于非對稱溝埋式涵洞,涵洞兩側(cè)溝槽高度差與寬度差越大,涵頂土壓力與涵側(cè)剪應(yīng)力均越大,即非對稱溝埋式涵洞的形狀越不規(guī)則,涵洞受到的荷載越大。因此,在條件允許的情況下,盡可能采用對稱的分布形式。

3 結(jié) 論

(1) 非對稱溝埋式涵洞的填土沉降呈非對稱狀態(tài),隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差值的增大，溝槽寬度更大一側(cè)填土的豎向沉降更大；隨著涵洞兩側(cè)溝槽高度差值的增大，溝槽高度小的一側(cè)填土的沉降逐漸增大,從而使兩側(cè)填土的沉降差增大。

(2) 涵洞頂部的土壓力系數(shù)均大于1.0,且土壓力系數(shù)隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差或高度差的增大而增大。

(3) 涵洞側(cè)壁負(fù)摩阻力隨著涵洞兩側(cè)溝槽寬度差或高度差的增加而逐漸增大,溝槽寬度差與高度差越小對涵洞越有利。

(4) 相同條件下對稱溝埋式涵洞的涵頂土壓力與涵側(cè)剪應(yīng)力均為最小值;非對稱溝埋式涵洞的形狀越不規(guī)則,涵洞受到的荷載越大。因此,在條件允許的情況下,盡可能采用對稱的分布形式。