減載條件下高填方剛性涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

高詩(shī)明

(大鵬新區(qū)發(fā)展和財(cái)政局政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，廣東 深圳 518116)

0 前 言

Marston等[1]提出采用溝埋式方法來(lái)減小涵洞土壓力，即首先開(kāi)挖溝槽，然后在溝槽中修建涵洞，最后回填，可以達(dá)到減小涵頂垂直土壓力的目的，由此得出涵頂豎向土壓力計(jì)算式，并提出了等沉面的概念。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的日漸成熟，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對(duì)高填方涵洞的減載措施進(jìn)行了研究。Kim等[2]利用有限元法分析了深埋混凝土箱涵與填土之間的相互作用機(jī)理，并分析了不同的填埋方式下，涵洞、土體的參數(shù)對(duì)涵-土相互作用的影響規(guī)律。陳保國(guó)等[3-4]對(duì)高填方剛性涵洞與土體之間的協(xié)調(diào)變形機(jī)理進(jìn)行了探索，分析了邊界條件、尺寸效應(yīng)、填土高度、材料性質(zhì)等因素對(duì)高填方涵洞工作性狀的影響。

本文利用FLAC分析了減載前后高填方剛性涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 數(shù)值分析模型及邊界條件

減載條件下剛性涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析模型如圖1所示。涵洞寬S為7.0 m，高h(yuǎn)為6.5 m，頂板、底板及側(cè)墻厚度均為1.0 m。最大填土高度H為32.0 m，為碎石土。涵洞頂部鋪設(shè)0.5 m厚的柔性減載材料，鋪設(shè)寬度與涵洞寬度S相同。為減小邊界效應(yīng)影響，模型寬度取70.0 m，涵洞底部設(shè)置厚度1.0 m的水泥砂石墊層，下層強(qiáng)風(fēng)化層厚度3.0 m，最下層是微風(fēng)化層，厚度12 m。

模型兩側(cè)僅約束水平位移，模型底部同時(shí)約束水平和豎向位移，不考慮排水固結(jié)影響。

圖1 數(shù)值分析模型示意圖

1.2 數(shù)值分析參數(shù)

填土、墊層以及巖石均為摩爾-庫(kù)倫彈塑性材料，涵洞及柔性減載材料為線彈性材料，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 減載前后涵洞頂板內(nèi)力分布規(guī)律

最大填土高度下減載前后涵洞頂板內(nèi)力分布規(guī)律如圖2所示。由圖2(a)可知，減載前后頂板軸力均呈非線性分布。未減載時(shí)，兩端軸力較小，跨中最大。減載后，軸力分布與未減載時(shí)相反，邊緣處軸力最大，跨中最小。未減載時(shí)，涵頂應(yīng)力集中，側(cè)墻外垂直土壓力轉(zhuǎn)移到頂部，頂板垂直土壓力增大，側(cè)墻水平土壓力減小，靠近頂板邊緣處軸力較小。減載后，土拱效應(yīng)將涵頂土體荷載轉(zhuǎn)移到側(cè)墻外，涵側(cè)垂直土壓力增大，側(cè)墻水平土壓力增大，頂板邊緣處水平土壓力較大，軸力也較大。

圖2 (b)可知，未減載時(shí)，頂板剪力呈非線性分布，邊緣處最大，跨中為0。減載后，呈近似線性分布，跨中剪力最小，邊緣處最大。減載后，頂板垂直土壓力大大減小，剪力大大減小，比未減載時(shí)減小了73%。

由圖2(c)可知，涵洞頂板彎矩呈拋物線形分布。減載后比未減載時(shí)彎矩分布更平緩。未減載時(shí)，跨中彎矩最大；減載后，涵頂垂直土壓力減小，彎矩減小，邊緣處彎矩最大，最大彎矩比未減載時(shí)減小了66%。

(a)軸力

(b) 剪力

(c)彎矩

2.2 減載前后涵洞側(cè)墻內(nèi)力分布規(guī)律

最大填土高度情況下減載前后涵洞側(cè)墻分布規(guī)律如圖3所示。由圖3(a)可知，側(cè)墻軸力呈非線性分布，底部軸力最大，隨著高度增大，軸力逐漸減小。減載后，側(cè)墻軸力大大減小，減載后比未減載時(shí)側(cè)墻軸力減小了51%。未減載時(shí)，涵頂應(yīng)力集中，減載后涵頂垂直土壓力大大減小，側(cè)墻軸力大大減小。

由圖3(b)可知，涵洞側(cè)墻剪力呈近線性分布，側(cè)墻底部剪力最大，隨著側(cè)墻高度增大，剪力逐漸減小，在側(cè)墻中點(diǎn)處減小為0。未減載時(shí)側(cè)墻最大剪力比減載后減小了8%，未減載時(shí)側(cè)墻頂端剪力比減載時(shí)大。減載后，側(cè)墻水平土壓力比未減載時(shí)大，但是由于未減載時(shí)側(cè)墻軸力較大，在水平土壓力和軸力共同作用下，未減載時(shí)側(cè)墻頂端剪力大于減載時(shí)。

由圖3(c)可知，涵洞側(cè)墻彎矩呈拋物線分布，頂部和底部彎矩較大，中點(diǎn)處彎矩較小。減載后，側(cè)墻1/3和2/3處存在反彎點(diǎn)。減載后側(cè)墻最大彎矩比未減載后減小了27%。減載條件下，頂部土體荷載轉(zhuǎn)移到涵側(cè)，側(cè)墻水平土壓力增大，涵頂垂直土壓力大大減?。晃礈p載時(shí)，涵頂應(yīng)力集中，側(cè)墻頂端應(yīng)力集中更明顯，側(cè)墻軸力遠(yuǎn)大于采取減載條件下。在側(cè)墻水平土壓力和軸力的共同作用下，減載后彎矩減小。

(a)軸力

(b)剪力

(c)彎矩

3 結(jié)論及建議

1)減載后，涵洞頂板軸力中間部位軸力變小、兩端軸力增大，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)允許的條件下，應(yīng)擴(kuò)大減載面寬度至涵洞邊緣外1.0 m，以保證涵洞結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

2)減載后，涵洞頂板各處剪力值、彎矩值均變小。

3)減載措施未改變涵洞側(cè)墻軸力、剪力以及彎矩的分布特性，降低了側(cè)墻軸力、剪力、彎矩值，涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力變小，有效避免了應(yīng)力集中導(dǎo)致的破壞。

4)減載可有效降低剛性管涵結(jié)構(gòu)受力，減小管涵-土體剛度差異造成的應(yīng)力集中影響，能有效確保高填方剛性涵洞結(jié)構(gòu)安全。

[ID:009726]