關(guān)于矩形明(棚)洞土壓力荷載模式的探討

冉龍洲, 袁 松, 2,*, 王希寶, 廖沛源

(1. 四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川 成都 610017; 2. 西南交通大學(xué), 四川 成都 610031)

0 引言

在崩塌、落石等不良地質(zhì)發(fā)育地段,設(shè)置明(棚)洞結(jié)構(gòu)是公路工程防災(zāi)減災(zāi)、保障安全的有效措施之一。諸多學(xué)者[1-6]對明(棚)洞結(jié)構(gòu)在落石沖擊下的性能進(jìn)行了深入探討,并研發(fā)了一系列可以承受高能級落石沖擊荷載的新型棚洞結(jié)構(gòu)[7-8]。

在實(shí)際工程中,回填土石矩形鋼筋混凝土棚洞仍是抵抗崩塌、落石最常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)。為確保棚洞既能承受一定的沖擊荷載作用,同時(shí)又不因回填荷載過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力過大,設(shè)計(jì)中往往給出棚洞回填土石的設(shè)計(jì)回填線(如圖1所示),通常為1∶5或1∶3的設(shè)計(jì)回填坡率。在運(yùn)營期間,需定期對棚洞頂部按不高于設(shè)計(jì)回填線進(jìn)行清除,以確保棚洞結(jié)構(gòu)安全。在西部山區(qū),坡面崩塌、溜坍、落石等災(zāi)害頻繁發(fā)生,導(dǎo)致棚洞頂部經(jīng)常出現(xiàn)堆載超出設(shè)計(jì)回填線的情況(如圖2所示),從而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、變形過大,甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞倒塌的情況。堆載過大是棚洞結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。目前已見多處因堆載較大導(dǎo)致棚洞結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的案例,多呈現(xiàn)外側(cè)墻剪切破壞的特征。基于此,部分學(xué)者對回填土混凝土明洞的拱頂土壓力進(jìn)行了研究[9-10],也有部分學(xué)者對矩形混凝土棚洞的破壞原因進(jìn)行研究[11-12]。

(a) 正常回填

實(shí)際工程中,利用現(xiàn)有研究及相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行明(棚)洞破壞原因分析時(shí),相關(guān)計(jì)算結(jié)果總是呈現(xiàn)外側(cè)墻剪力較小的特征,這與外側(cè)墻剪切破壞的實(shí)際情況不符。對比不同規(guī)范[13-16]對棚洞結(jié)構(gòu)荷載的相關(guān)規(guī)定可知,不同規(guī)范的規(guī)定存在一定差異,且對于偏壓棚洞,不能體現(xiàn)棚洞結(jié)構(gòu)與土體的相互作用特征。

為了探索偏壓回填棚洞結(jié)構(gòu)的荷載特征,進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際工程中棚洞結(jié)構(gòu)破壞模式,本文對不同規(guī)范中明(棚)洞土壓力荷載的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行深入對比和探討,并結(jié)合結(jié)構(gòu)和土體相互作用規(guī)律,通過理論分析提出新的荷載模式及其理論計(jì)算公式,并通過數(shù)值計(jì)算和工程案例對理論公式進(jìn)行驗(yàn)證。

1 目前荷載相關(guān)規(guī)定及存在問題

1.1 目前荷載相關(guān)規(guī)定

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》[13]及JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[14],棚洞結(jié)構(gòu)的荷載主要包括回填土石荷載、沖擊荷載等。對于矩形棚洞,回填土石荷載主要包括回填土體豎向土壓力和邊墻回填土石側(cè)壓力,其中,豎向土壓力為洞頂上方回填土柱的重力。TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]也有類似的規(guī)定。四川省地方標(biāo)準(zhǔn)DB51/T 2599—2019《公路明(棚)洞勘察設(shè)計(jì)指南》[16]規(guī)定,當(dāng)內(nèi)側(cè)邊坡為穩(wěn)定基巖或基覆界面明顯時(shí),側(cè)壓力按照有限土體進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)內(nèi)側(cè)邊坡為覆蓋層時(shí),側(cè)壓力按照無限土體進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)上述相關(guān)規(guī)范規(guī)定,可以得出如圖3所示的典型棚洞荷載模式圖,相關(guān)書籍[17]中也有類似的荷載模式圖。這說明,目前規(guī)范或書籍中,均規(guī)定棚洞結(jié)構(gòu)所受荷載主要為回填土石豎向土壓力和邊墻回填土石側(cè)壓力。

圖3 典型棚洞荷載模式圖

《崩塌防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》[18]也給出了相應(yīng)的明(棚)洞荷載模式,如圖4所示。土石對結(jié)構(gòu)的作用主要包括3部分: 1)拱頂豎向壓力,針對拱形結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)具有相同的模式和計(jì)算方式; 2)側(cè)墻側(cè)壓力,對于拱形結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)豎直段均存在; 3)拱頂側(cè)向壓力,該部分荷載僅作用在非水平拱部,在水平段不存在該荷載。顯然,該荷載在弧形段和水平直線段存在突變,這在實(shí)際受力中不可能發(fā)生。

《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊: 隧道》[19]規(guī)定棚洞的主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、主動(dòng)土壓力、回填土石重力及其主洞土壓力。其中,土壓力包括棚洞頂梁承受的主動(dòng)土壓力,可按照無限土體進(jìn)行計(jì)算。而頂梁為水平構(gòu)件,仍受水平主動(dòng)土壓力作用,這與其他規(guī)范中側(cè)壓力僅作用在側(cè)墻上的規(guī)定有所差異。

(a) 拱頂豎向壓力

(b) 側(cè)墻側(cè)向壓力

(c) 拱頂側(cè)向壓力

1.2 存在的問題探討

為探討目前規(guī)范規(guī)定中荷載模式可能存在的問題,將棚洞結(jié)構(gòu)周邊的回填分解為A、B、C 3部分,并分別對其對棚洞的作用進(jìn)行分解,如圖5所示。C部分的重力通過豎向土壓力直接作用于棚洞結(jié)構(gòu)頂部,該荷載即為規(guī)范中的豎向土壓力;A部分通過側(cè)向壓力作用于棚洞側(cè)墻,與規(guī)范中的側(cè)壓力相對應(yīng);B部分回填土石不直接作用于棚洞結(jié)構(gòu)上,但其豎向荷載傳遞至A部分并最終導(dǎo)致側(cè)向土壓力增大,也間接考慮了B部分的豎向壓力作用。為保持B部分土石的整體穩(wěn)定,B部分必然需要承受額外的水平作用力,該部分作用力只能由C部分提供。若將棚洞結(jié)構(gòu)看成一個(gè)擋土結(jié)構(gòu),則其需承擔(dān)A、B、C 3部分土石的土壓力,如果僅按照圖3所示的荷載模式,則顯然缺少了B部分土石的側(cè)壓力。當(dāng)回填坡度較大時(shí),如棚洞頂部堆載處于自然休止角時(shí),B部分土石的規(guī)模非常大,這部分土石對棚洞結(jié)構(gòu)影響較大,如不考慮可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。

(a)

(b)

從1.1節(jié)不同規(guī)范中荷載的規(guī)定可知,僅《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊: 隧道》提到了B部分土石對結(jié)構(gòu)的荷載作用,其余規(guī)范和書籍均未提及B部分土石對結(jié)構(gòu)的荷載作用,這也是根據(jù)現(xiàn)有荷載模式不能體現(xiàn)出實(shí)際工程破壞模式的原因。

2 附加荷載探討

2.1 附加荷載傳遞機(jī)制探討

根據(jù)1.2節(jié)分析,B部分土石對結(jié)構(gòu)存在荷載作用。為進(jìn)一步探討該部分荷載對結(jié)構(gòu)的影響,首先探討該部分土石的荷載傳遞機(jī)制,并根據(jù)傳遞機(jī)制研究荷載作用分布規(guī)律和計(jì)算公式。

首先,將棚洞結(jié)構(gòu)和回填土體簡化成如圖6(a)所示的模型,在棚洞結(jié)構(gòu)上部設(shè)置一擋墻,對應(yīng)的棚洞及擋墻所承受的水平荷載如圖6(b)所示?？梢?棚洞側(cè)墻部分所承受的水平側(cè)壓力與圖3所示的側(cè)壓力完全相同,則擋墻承擔(dān)側(cè)墻之上擋墻范圍內(nèi)的水平側(cè)壓力。為保持擋墻水平方向穩(wěn)定,矩形棚洞需為其提供水平方向反力(摩擦力),即E1,其大小等于擋墻承受的水平側(cè)壓力;根據(jù)作用力與反作用力,擋墻對棚洞頂部作用有水平推力E2,即E2=E1。顯然,擋墻作用在棚洞頂部的水平作用力E2等于擋墻所承受的水平側(cè)壓力。

(a) 結(jié)構(gòu)模型1

(b) 荷載模型1

e1、e2分別為棚洞結(jié)構(gòu)頂板和底板位置的水平側(cè)壓力。

圖6 結(jié)構(gòu)模型1及荷載模型1

Fig. 6 Structural model 1 and load mode 1

將圖6的模型進(jìn)一步優(yōu)化,將矩形棚洞頂部增加回填土石C,并考慮擋墻與棚洞之間無連接、底部無摩擦作用,如圖7(a)所示,該結(jié)構(gòu)較常規(guī)棚洞結(jié)構(gòu),除頂部存在擋墻外,其余無差別。將回填C、擋墻和棚洞按整體考慮,其受水平外荷載如圖7(b)所示。將擋墻、回填C按整體考慮,則擋墻和回填C整體受到擋墻段的水平土壓力作用,為保持穩(wěn)定,只能通過棚洞頂板對回填C提供水平向反力。根據(jù)作用力與反作用力,回填C對棚洞頂板具有水平向的作用力,該作用力是由回填B通過水平力傳遞至擋墻并傳遞至回填C,并最終以摩擦力的方式作用于棚洞頂板。

(a) 結(jié)構(gòu)模型2

(b) 荷載模型2

取消圖7中的擋墻,即可得到如圖8(a)所示的模型。圖7和圖8整體模型完全類似,因此,可知B部分的土壓力作用于B、C界面上,并最終傳遞至棚洞結(jié)構(gòu)頂板。

(a) 結(jié)構(gòu)模型3

(b) 荷載模型3

由于B、C界面是一個(gè)虛擬界面,界面性質(zhì)完全同土體性質(zhì),B、C界面的土壓力并不是水平方向,該力既有水平分力,也有豎向分力,因此,根據(jù)上述的推演,回填B部分不僅對棚洞結(jié)構(gòu)存在水平作用力,也存在豎向作用力,將該部分荷載分別定義為水平附加作用力和豎向附加作用力。

2.2 附加荷載計(jì)算方法

由上述分析可知,作用在結(jié)構(gòu)頂板的水平附加荷載等于B、C界面的土壓力水平方向的分力,作用在結(jié)構(gòu)頂板的豎向附加荷載等于B、C界面土壓力的豎直方向的分力。因此,計(jì)算附加荷載主要是計(jì)算B、C界面的土壓力。

根據(jù)規(guī)范[13],棚洞側(cè)墻任一位置水平土壓力

ei=γihiλh。

(1)

式中:γi為側(cè)墻回填土石的重度,kN/m3;hi為計(jì)算點(diǎn)的回填土體厚度,m;λh為水平側(cè)壓力系數(shù)。

將背后回填土體按照無限土體考慮,考慮墻背垂直,根據(jù)庫侖主動(dòng)土壓力公式,側(cè)壓力系數(shù)

(2)

式中:φc為回填土石的計(jì)算摩擦角,(°);δ為土體與墻背的摩擦角,(°);α為回填土石的坡度,(°)。

當(dāng)不考慮土石與結(jié)構(gòu)之間的摩擦,則土壓力作用方向?yàn)樗椒较?水平側(cè)壓力系數(shù)

(3)

該公式與JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》中側(cè)墻的水平土壓力計(jì)算公式完全一致。

針對圖5所示的B、C界面之間的作用力,界面兩側(cè)均為性質(zhì)相同的回填土石,對應(yīng)的界面摩擦角等于土石計(jì)算摩擦角,即δ=φc,代入式(2),可得作用在該界面的水平土壓力系數(shù)

(4)

作用在該界面的豎向土壓力系數(shù)

(5)

則B部分土石作用在頂板的水平附加作用力

E=γih2λh/2。

(6)

B部分土石作用在頂板的豎向附加作用力

Q=γih2λv/2。

(7)

式(6)—(7)中:E為棚洞結(jié)構(gòu)頂部水平附加荷載,N/m;Q為棚洞結(jié)構(gòu)頂部豎向附加荷載,N/m;h為棚洞內(nèi)側(cè)角部位置的回填土體厚度,m。

附加作用力E和Q假定按照三角形分布作用于結(jié)構(gòu)頂板。則頂板任一點(diǎn)水平附加作用力和豎向附加作用力可以表示為:

efi=γihiλhh/L;

(8)

qfi=γihiλvh/L。

(9)

式(8)—(9)中:efi和qfi分別為任一點(diǎn)結(jié)構(gòu)的水平附加作用力和豎向附加作用力,kPa/m;hi為頂板計(jì)算點(diǎn)的回填厚度,m;h為棚洞內(nèi)側(cè)角部位置的回填土體厚度,m;L為頂板寬度,m。

2.3 附加荷載數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

2.3.1 驗(yàn)證方法

上述附加荷載的分布規(guī)律和計(jì)算公式,很難通過現(xiàn)場試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)等手段進(jìn)行驗(yàn)證,數(shù)值模擬是驗(yàn)證上述附加荷載的有效手段。本文選取MIDAS GTS通用有限元軟件,建立二維有限元模型,來驗(yàn)證上述荷載分布規(guī)律及計(jì)算方法。

為模擬不同回填土之間的作用力,將回填土分為如圖9所示的A、B、C 3部分。各部分回填之間設(shè)置接觸單元,按照回填土體的參數(shù)進(jìn)行取值。模擬中,既有山體和棚洞結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型,回填土體采用摩爾-庫侖模型,接觸面采用摩爾-庫侖模型。模型選取回填坡面為1∶2,即坡度為27°,土體內(nèi)摩擦角取30°。有限元計(jì)算模型如圖10所示。計(jì)算工況為: 1)既有山體進(jìn)行地應(yīng)力平衡; 2)在既有山體上修建棚洞; 3)回填A(yù)施工并進(jìn)行位移清零; 4)施工回填B和回填C部分。

圖9 有限元模型簡圖

圖10 有限元計(jì)算模型

2.3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

選取回填C與棚洞頂板的接觸面Ja、回填B與回填C之間接觸面Jb的內(nèi)力特性進(jìn)行分析。

圖11示出了接觸面的正應(yīng)力分布,圖12示出了接觸面的剪應(yīng)力分布。由圖11和圖12可以看出,棚洞頂板與回填土體C接觸面Ja存在剪應(yīng)力,且基本呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)大、外側(cè)小的三角形分布形式,與2.2節(jié)假定的分布形式幾乎完全一致。棚洞頂板與回填土體C接觸面的正應(yīng)力分布也呈現(xiàn)三角形分布形式,與回填土深度基本成正比。

圖11 接觸面正應(yīng)力分布(單位: kN/m2)

圖12 接觸面剪應(yīng)力分布(單位: kN/m2)

分別計(jì)算接觸面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力的合力,得到對應(yīng)接觸面上的剪力和壓力,如表1所示?？梢钥闯? 接觸面Ja的剪力與接觸面Jb的壓力相等,即作用在接觸面Jb上的水平壓力最終都傳遞到結(jié)構(gòu)頂板上,這與2.1節(jié)分析的水平附加荷載傳遞機(jī)制一致;接觸面Ja的壓力等于接觸面Jb的剪力與回填土體重力之和,也就是說接觸面Jb的剪力最終也都傳遞至結(jié)構(gòu)頂板,與2.1節(jié)分析的豎向附加荷載傳遞機(jī)制一致。

表1 接觸面合力

上述分析說明,通過有限元模型驗(yàn)證,水平附加荷載和豎向附加荷載確實(shí)存在,且分布形式均為三角形分布。

2.3.3 數(shù)值計(jì)算及理論計(jì)算結(jié)果對比

分別通過有限元模型和理論公式計(jì)算不同內(nèi)摩擦角下的附加荷載值,如表2所示。由表可以看出: 內(nèi)摩擦角較小時(shí),數(shù)值計(jì)算的附加水平力和附加豎向力均小于理論計(jì)算;內(nèi)摩擦角較大時(shí),數(shù)值計(jì)算的附加水平力和附加豎向力均大于理論計(jì)算。盡管數(shù)值計(jì)算的結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果存在差異,但兩者均隨著內(nèi)摩擦角的增大而降低。總體來說,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng),這說明,本文附加荷載的計(jì)算公式是可靠的。

表2 數(shù)值計(jì)算和理論計(jì)算結(jié)果對比

數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證表明,回填B部分通過側(cè)壓力作用于回填C上,并最終以附加豎向荷載和附加水平荷載的形式傳遞至結(jié)構(gòu)頂板。附加水平荷載和附加豎向荷載均呈三角形分布模式,可通過式(8)和式(9)計(jì)算。

3 附加荷載的影響分析

3.1 荷載及內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)分析,結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范,矩形棚洞所受荷載模式如圖13所示,具體包括: 1)頂板豎向土壓力; 2)側(cè)墻水平土壓力; 3)頂板附加豎向力; 4)頂板附加水平力; 5)沖擊荷載; 6)自重。

圖13 矩形棚洞荷載模式

其中,頂板豎向土壓力和側(cè)墻水平土壓力按照規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算;頂板附加豎向力和附加水平力按照式(8)和式(9)進(jìn)行計(jì)算。

為分析附加荷載的影響,選取某矩形棚洞進(jìn)行計(jì)算。棚洞頂部按照10°、20°、30°、40° 4種角度進(jìn)行回填,回填土石計(jì)算內(nèi)摩擦角均取40°。不同工況下荷載計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同回填坡度荷載計(jì)算值

圖14為矩形棚洞典型的彎矩圖和剪力圖。根據(jù)計(jì)算,其最不利位置主要為外側(cè)墻頂部位置和頂板外側(cè)支座位置。選取圖中A點(diǎn)進(jìn)行分析。

(a) 彎矩圖

(b) 剪力圖

3.2 附加荷載影響分析

表4為A點(diǎn)(外側(cè)墻頂點(diǎn))在不同回填坡度下的彎矩和剪力值。由表可見,隨著回填坡度的增大,不管是否考慮附加荷載,彎矩和剪力均快速增大。

表4 不同工況下棚洞A點(diǎn)內(nèi)力值

Table 4 Internal force of pointAof shed tunnel under different conditions

回填坡度不考慮附加荷載M1/(kN·m)V1/kN考慮附加荷載M2/(kN·m)V2/kN10°230282874520°364545069430°5369280316840°9322031 819456

為分析附加荷載對棚洞結(jié)構(gòu)的影響程度,計(jì)算考慮附加荷載時(shí)彎矩和剪力相對不考慮附加荷載時(shí)彎矩和剪力增加的比例,即(M2-M1)/M1、(V2-V1)/V1,并建立跟坡度的關(guān)系,如圖15所示。由圖可以看出,隨著回填坡度的增大,附加荷載的影響越來越大?；靥钔疗露葹?0°時(shí),附加荷載導(dǎo)致彎矩增大約24.78%,剪力增大約60.71%;回填土坡度為20°時(shí),附加荷載導(dǎo)致彎矩增大約39.83%,剪力增大約74.07%;回填土坡度為30°時(shí),附加荷載導(dǎo)致彎矩增大約49.81%,剪力增大約82.61%;回填土坡度為40°時(shí),附加荷載導(dǎo)致彎矩增大95.17%,剪力增大約124.63%。

圖15 附加荷載對彎矩和剪力的影響

計(jì)算結(jié)果表明,在高回填棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,側(cè)上方大規(guī)模回填帶來的附加荷載對結(jié)構(gòu)影響明顯,對結(jié)構(gòu)外側(cè)墻的剪力影響尤為突出。一般設(shè)計(jì)中,洞頂回填坡度多為1∶5(角度11.3°)或1∶3(18.4°),附加荷載對棚洞外側(cè)墻的剪力影響也比較明顯。

大多數(shù)情況下,自然堆積體的臨界坡度可達(dá)30～40°,這意味著在邊坡自然崩塌溜坍情況下,附加荷載對側(cè)墻的彎矩影響可達(dá)49.81%～95.17%,對剪力的影響達(dá)到82.61%～124.63%,影響顯著。

目前,相關(guān)規(guī)范中沒有考慮側(cè)上方回填土體對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載,該部分荷載的忽略導(dǎo)致無法凸顯結(jié)構(gòu)外側(cè)墻的剪切破壞危險(xiǎn)性,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。

4 工程案例分析

4.1 工程案例簡介

某山區(qū)公路在K8+550～+650段通過1處崩塌堆積體,該崩塌堆積體前緣坡度陡,常發(fā)生飛石滾落,為減小其對擬建道路安全的影響,設(shè)計(jì)以棚洞形式通過。棚洞建筑限界9.0 m×5.0 m(寬×高),采用C30鋼筋混凝土,結(jié)構(gòu)側(cè)墻及頂板厚度為0.7 m,底板厚度為0.6 m。結(jié)構(gòu)為整體式箱型結(jié)構(gòu),每節(jié)段長9.98 m,外側(cè)墻設(shè)置2個(gè)3 m的開洞,結(jié)構(gòu)尺寸如圖16所示。在運(yùn)營過程中,上邊坡逐步垮塌,在棚洞頂部形成較大的堆載,并最終導(dǎo)致棚洞結(jié)構(gòu)破壞。經(jīng)調(diào)查,破壞時(shí)洞頂堆載坡度最大達(dá)26°(坡度48%),遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)回填線15%,如圖17所示。圖18為棚洞破壞圖,由圖可見,外側(cè)墻斜向剪切裂縫結(jié)構(gòu)破壞模式為剪切破壞。

(a) 棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面圖

(b) 外側(cè)墻立面圖

圖17 某棚洞堆載圖

(a)

(b)

4.2 破壞原因?qū)Ρ确治?/h3>

為分析結(jié)構(gòu)破壞原因,按照荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。按照6 m節(jié)段建立如圖19所示的有限元模型,對明洞的受力情況進(jìn)行計(jì)算,考慮附加荷載和不考慮附加荷載2種工況。由于棚洞上部堆載是逐步形成的,每次的堆載量并不大,因此,在逐步堆載過程中不考慮動(dòng)力作用。

圖19 棚洞計(jì)算有限元模型

經(jīng)計(jì)算,在不考慮附加荷載時(shí),棚洞外側(cè)墻每延米承擔(dān)的剪力為343 kN;考慮附加荷載時(shí),外側(cè)墻每延米承擔(dān)的剪力約為657 kN。原設(shè)計(jì)外側(cè)墻內(nèi)拉筋配筋為φ12 mm@200 cm×200 cm(梅花形布置),破壞后對外側(cè)墻進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),部分拉筋綁扎不符合設(shè)計(jì)要求,在不考慮拉筋作用下,外側(cè)墻每延米的抗剪力為600 kN。

如果不考慮附加荷載,外側(cè)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的剪力遠(yuǎn)低于抗剪承載能力,外側(cè)墻不會(huì)剪切破壞;而考慮附加荷載時(shí),外側(cè)墻所承擔(dān)的剪力超過抗剪承載能力,從而導(dǎo)致外側(cè)墻發(fā)生了剪切破壞。由此可見,考慮附加荷載時(shí),理論計(jì)算可以反映出現(xiàn)場實(shí)際破壞模式。這說明,考慮附加荷載的荷載模式,與棚洞結(jié)構(gòu)的實(shí)際荷載模式比較吻合。

5 結(jié)論與討論

本文結(jié)合明(棚)洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)際回填情況,結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范中明(棚)洞荷載相關(guān)規(guī)定,對矩形明(棚)洞在土石回填下的荷載模式進(jìn)行了探討。研究認(rèn)為,目前規(guī)范及相關(guān)書籍中的棚洞荷載均忽略了明(棚)洞側(cè)上方回填土體對棚洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載,而該部分荷載通過頂部土體最終以附加水平力和附加豎向力傳遞至結(jié)構(gòu)頂板,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大。通過分析,得出以下結(jié)論:

1)明(棚)洞側(cè)上方土體以側(cè)壓力的方式傳遞至頂部回填土體,并最終作用于結(jié)構(gòu)頂板,該部分荷載可分解為附加水平力和附加豎向力,有限元計(jì)算驗(yàn)證了該附加荷載的傳遞機(jī)制。

2)附加水平荷載和附加豎向荷載均可采用三角形分布模式進(jìn)行考慮。通過經(jīng)典庫侖土壓力計(jì)算公式,推導(dǎo)了棚洞頂部附加荷載的計(jì)算方法。有限元計(jì)算表明理論推導(dǎo)反映的附加荷載分布模式和計(jì)算公式是正確的。

3)隨著回填坡度的增大,附加荷載越大,附加荷載對棚洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響越大。該附加荷載對棚洞外側(cè)墻剪切力影響尤為明顯,如果不考慮該荷載,不能凸顯結(jié)構(gòu)容易剪切破壞的特性,進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全。

4)通過實(shí)際工程案例驗(yàn)證表明,考慮附加荷載影響的理論計(jì)算破壞模式與棚洞實(shí)際破壞模式吻合,表明考慮附加荷載的荷載模式與棚洞結(jié)構(gòu)實(shí)際承受的荷載模式基本相當(dāng)。

為確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全,建議在棚洞結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮附加荷載作用的影響。