高填方涵洞土壓力研究現(xiàn)狀探析

路 云

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

高填方涵洞土壓力研究現(xiàn)狀探析

路 云

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030001)

高填方涵洞土壓力計(jì)算沒有明確方法，對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)狀高填方涵洞土壓力的計(jì)算方法進(jìn)行了概述和評(píng)價(jià)分析，并指出在現(xiàn)階段研究結(jié)果上的未來高填方涵洞研究方向，對(duì)高填方涵洞的研究、設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

高填方，涵洞，土壓力，計(jì)算，設(shè)計(jì)

1 概述

20世紀(jì)90年代以來，高等級(jí)道路在山區(qū)中的應(yīng)用越來越多，為滿足道路線形標(biāo)準(zhǔn)和地形條件的限制，高填方路基及高填方涵洞已變得較為常見。在我國《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊》和《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》中僅給出了暗涵的定義，并明確高填方涵洞的定義。因高填方涵洞土壓力缺乏合理的計(jì)算方法指導(dǎo)，使得在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)以下兩種情況：

1)參照暗涵或者隧道土壓力計(jì)算方法，使得結(jié)構(gòu)尺寸過于保守，地基承載力過高，工程造價(jià)偏高。

2)過分的依賴經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)拱效應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)尺寸偏小，從而引發(fā)不同程度的裂縫，不安全因素較大。

高填方涵洞土壓力的優(yōu)化研究對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全、減小結(jié)構(gòu)尺寸、地基處理、減少造價(jià)等具有顯著社會(huì)效益。本文對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)狀高填方涵洞土壓力的計(jì)算方法進(jìn)行了概述和評(píng)價(jià)分析，并指出在現(xiàn)階段研究結(jié)果上的未來高填方涵洞研究方向，對(duì)高填方涵洞的研究、設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

2 高填方涵洞土壓力的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國際上由于各國地形地勢條件、環(huán)境環(huán)保理念、經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平的不同，每個(gè)國家對(duì)高填方涵洞研究的廣度、深度以及重點(diǎn)也有所不同。重視環(huán)保的歐美發(fā)達(dá)國家，遵循盡量減少破壞天然山體出現(xiàn)高填深挖的設(shè)計(jì)理念，有關(guān)高填方涵洞方面的研究并不多。

結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀關(guān)于高填方涵洞土壓力的計(jì)算方法可概括為6大類。分別如下。

2.1馬斯頓的散體極限平衡法

1913年，美國學(xué)者M(jìn)aston在散體極限平衡理論基礎(chǔ)上提出了涵洞土壓力計(jì)算公式，回填土在自重作用下產(chǎn)生沉降，逐步密實(shí)，假定涵洞頂內(nèi)土柱與涵洞側(cè)土柱之間存在著滑動(dòng)面，此滑動(dòng)面引發(fā)內(nèi)外土柱間的相對(duì)移動(dòng)在滑動(dòng)面上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的摩擦力，使涵洞頂產(chǎn)生相應(yīng)的附加荷載F。涵洞與填土的剛度比決定了附加荷載的大小與方向。

當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，涵洞頂?shù)耐翂毫Φ扔诤错斖林c附加荷載F之和；反之，附加荷載與土柱重力反向，涵洞頂?shù)耐翂毫Φ扔诤错斖林鶞p去附加荷載F。

2.2土柱法

土柱法的假設(shè)條件為：土體的極限應(yīng)力狀態(tài)不受涵管的干擾，把問題簡化為靜力平衡問題。假設(shè)涵管頂部埋深為z，則涵頂處垂直應(yīng)力σz為：

σz=γZ。

水平應(yīng)力σx為：

根據(jù)上式可知涵管頂部的垂直壓力與內(nèi)摩擦角φ無關(guān)，僅為涵管頂部的土體重量。

土柱法計(jì)算比較簡便，自20世紀(jì)50年代以來被我國公路部門所采用。

2.3“卸荷拱”

以普氏卸荷拱理論為基礎(chǔ)提出的“卸荷拱”法，是根據(jù)普氏卸載拱理論以及涵頂填料的性質(zhì)提出的。涵管埋置深度較深時(shí)，填土不會(huì)被由沉降引起的滑動(dòng)面所貫穿?；瑒?dòng)面在一定的高度范圍內(nèi)形成一個(gè)封閉區(qū)域。其中在封閉區(qū)域上方形成了自然卸載拱，作用在涵頂上的土壓力等于破壞區(qū)內(nèi)的土體重量。因此作用于涵頂上的垂直土壓力遠(yuǎn)小于涵頂土柱的重量，其值為卸載拱下的相應(yīng)土重。

2.4土壓力集中系數(shù)法

維諾格拉多夫提出涵洞垂直土壓力可采用集中系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。其公式為：

σv=KvγH。

其中,土壓力集中系數(shù)Kv是土壓力集中系數(shù)法的關(guān)鍵，其值是根據(jù)前蘇聯(lián)已建成使用工程反算出的。

此方法形式簡單，目前市政、水利、電力等設(shè)計(jì)部門均有所采用。

2.5以彈性理論作為基礎(chǔ)的土壓力計(jì)算理論

該理論假設(shè)涵管頂部填土為半無限彈性體，涵管為條形基礎(chǔ)。采用分層求和法求解出基礎(chǔ)沉降，先算出每層的沉降變形，并按照應(yīng)力與變形的線性關(guān)系反算出附加土壓力，累計(jì)附加土壓力值與涵頂土柱重量之和即為涵頂垂直土壓力。該理論的前提條件是填土、地基及涵管的變形；基礎(chǔ)理論為胡克定律。

基于此原理，顧安全簡化了計(jì)算，用基礎(chǔ)沉降公式推導(dǎo)出涵管頂部附加的垂直土壓力，進(jìn)一步求出涵管頂部垂直土壓力值σv,公式如下所示：

若以垂直土壓力系數(shù)表示，則：

其中，h為涵洞高度，m；H為涵洞頂部填土高度，m；b為涵洞的寬度，m；μ為填土的泊松比；η為外形影響系數(shù)；Eh為管道兩側(cè)填土的變形模量；E為涵洞頂部填土的變形模量；ωc為與基地形狀及結(jié)構(gòu)長寬比有關(guān)的系數(shù)。

2.6非線性的土壓力計(jì)算方法

楊錫武通過大量的試驗(yàn)研究，歸納總結(jié)出高填方涵洞土壓力的變化規(guī)律和拱效應(yīng)值，運(yùn)用數(shù)值回歸分析技術(shù)，歸納總結(jié)出非線性土壓力計(jì)算公式，公式如下所示：

σv=ξγHm。

其中，ξ，m均為回歸系數(shù)；楊錫武給出了3種邊界條件下的回歸系數(shù)如下所示：

當(dāng)狹窄溝谷溝心設(shè)涵時(shí):

σv=2.764 3γH0.502 2(H≥18m,R2=0.903 7)。

當(dāng)寬坦溝谷溝心設(shè)涵時(shí):

σv=3.619 3γH0.416 6(H≥18m,R2=0.994 5)。

當(dāng)狹窄溝谷坡腳設(shè)涵時(shí):

σv=2.835 6γH0.499 3(H≥18m,R2=0.969 8)。

其中，γ為填土容重，kN/m3；H為管頂填土高度，m。

3 結(jié)語

在考慮涵洞與回填土剛度的情況下，馬斯頓的散體極限平衡法，涵頂?shù)拇怪蓖翂毫τ?jì)算值遠(yuǎn)大于其承受的實(shí)際土壓力值；

土柱法涵洞頂部的垂直土壓力值σz與回填高度H成正比，計(jì)算的涵頂垂直土壓力也大于實(shí)際承受的土壓力；

卸荷拱法由于其形成條件不易滿足，大多數(shù)情況用不上，只有溝埋式或頂管法施工的涵洞可以考慮采用，豎向壓力最小；

土壓力集中系數(shù)法這種計(jì)算結(jié)果與實(shí)際土壓力值的差值無法確定，從而無法解答出上埋式涵洞頂部垂直土壓力值的真實(shí)情況；

從變形條件出發(fā)，以彈性理論解為基礎(chǔ)的土壓力計(jì)算法，此方法中的參數(shù)值：土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力、變形模量等這些土工參數(shù)不易測準(zhǔn)和取得，使得假設(shè)條件與實(shí)際情況差異較大。

楊錫武的非線性土壓力計(jì)算方法，此方法是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，是一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，它的使用具有一定的條件性。

高填方涵洞是特殊的排水構(gòu)筑物，而目前高填方涵洞土壓力計(jì)算方法都是基于縱向?yàn)槊垦用?，僅從涵洞斷面方向進(jìn)行的研究，過于片面。因此，在現(xiàn)階段的研究基礎(chǔ)上應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：

1)高填方涵洞的具體工況的具體定義的明確性；

2)高填方涵洞土壓力計(jì)算的空間性；

3)施工過程中具體減荷措施的明確性；

4)高填方涵洞地基承載力的傳遞性；

5)高填方涵洞地基處理措施的明確性；

6)高填方涵洞長期檢測設(shè)施的預(yù)埋空間性。

只有做到以上這些，高填方涵洞的土壓力計(jì)算才能夠得出正確合理的計(jì)算理論方法，才能夠真正的滿足高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工措施、質(zhì)量驗(yàn)收控制的需求。

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Highfillculvertearthpressureresearchpresentsituationandreviewed

LuYun

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030001,China)

High fill culvert, there is no clear method to calculate earth pressure at home and abroad present situation of high fill culvert earth pressure calculation method were summarized and the analysis of evaluation, and pointed out that at present the results of the study on the future research direction of high fill culvert, the study of high fill culvert, the design has a certain reference value.

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1009-6825(2017)29-0167-03

2017-08-08

路 云(1985- )，女，碩士，工程師

U452

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