山区公路高填方涵洞的成拱效应及土压力计算理论研究

通过模型试验研究了不同边界条件下高填方涵洞涵顶土压力随填土高度变化的规律,以及高填方涵洞的成拱效应,测试结果表明,当涵顶填土达到一定高度以后,在涵洞上方将产生拱效应,但由于高填方涵洞上方路基填料是不同于岩石的散粒体,高填方涵洞上方的拱效应具有不稳定的特点,使上部填土压力在填土高度增加过程中仍能部分地传递到涵顶上,使涵顶上的土压力小于理论土压力并随填土高度成非线性规律变化。根据高填方涵洞的土压力变化规律及拱效应特点,提出了高填方涵洞的非线性土压力计算理论和方法,通过算例证明了非线性土压力理论是高填方涵洞较合理的土压力计算方法。     

公路高填方涵洞土压力变化规律及计算方法研究

通过模型试验研究了狭窄沟谷沟心设涵、宽坦地形沟谷沟心设涵和岸坡脚设涵三种边界条件下高填方涵洞涵顶土压力随填土高度变化的规律,以及高填方涵洞的拱效应。试验结果表明,涵顶填土达到一定高度以后,在涵顶上方将产生拱效应,使涵洞顶上的土压力小于理论土压力。但由于高填方涵洞上方路基填料的特点,这种拱效应具有不稳定性,使涵顶土压力随填土高度成非线性变化增加。根据高填方涵洞的土压力变化规律及拱效应特点,提出了计算高填方涵洞非线性土压力计算理论和方法,得出三种边界条件下的非线性土压力计算公式,并通过算例证明了应用该公式计算高填方涵洞土压力的合理性。成果对高填方涵洞土压力计算、结构设计有应用参考价值。     

沟埋式涵洞非线性土压力试验研究与数值模拟

现行公路桥涵设计通用规范中线性土压力理论未能准确反映沟埋式涵洞涵顶垂直土压力变化规律,土压力计算结果与实际情况存在差异,导致涵洞在施工或使用过程中出现不同程度的病害。结合现场试验和数值模拟研究了沟埋式涵洞垂直土压力的变化规律,以及涵顶填土内部的土拱效应,分析了涵顶平面土压力及不均匀沉降的分布规律。研究结果表明,并非所有沟埋式涵洞涵顶垂直土压力都小于按线性土压力理论计算结果,它与填土高度、沟谷宽度、沟谷坡角、涵洞几何尺寸、填料性质及地基刚度等因素有关,涵顶垂直土压力随各影响因素呈非线性变化。填土达到一定高度后,涵顶填土内部产生土拱效应,该效应能够缓解涵顶应力集中现象,但其具有不稳定性。沟埋式涵洞的设计与施工应综合考虑各因素对涵洞受力状态的影响。     

沟埋涵洞土拱效应及涵顶垂直土压力研究

采用细观颗粒流软件PFC^2D对沟埋涵洞上方填土内土拱效应及涵顶垂直土压力进行研究。结果表明:涵洞上方填土越高,土拱效应越明显;沟槽越宽,土拱效应越弱。土拱形态为上凸形,拱脚位于两侧沟壁上,可以根据填土内竖向位移等值线是否出现椭圆形来判断填土内是否产生明显土拱效应。沟槽宽度大于7倍涵洞宽度时,涵顶垂直土压力可按上埋式涵洞土压力的方法进行计算。涵顶土压力系数随着填土高度的增加呈先增后减的变化趋势。当填土高度达到初始等沉面高度时,土压力系数达到最大值。等沉面高度随着填土高度的增加而下降,随着沟槽宽度的增加而上升。并在此基础上得出了考虑土拱效应的涵顶垂直土压力计算判别准则及计算方法。     

高路堤下涵洞垂直土压力研究

依托十漫高速公路高填方涵洞工程,结合现场测试结果,采用理论分析和数值模拟的方法研究了高填方涵洞垂直土压力分布特征和变化规律,并对顾安全垂直土压力理论计算公式进行了修正,得出与现场实测结果更为接近的高路堤下涵洞垂直土压力计算方法。研究结果表明:高填方涵洞涵顶存在垂直土压力集中现象,土压力集中系数随填土高度的增加逐渐增大,当路堤填土达到一定高度后逐渐趋于稳定并略有减小。     

深埋盖板涵路基填土应力场分布特征试验研究EI北大核心CSCD

依据现场试验及数值模拟,研究高填方盖板涵及其周围填土的应力场分布特征。结果表明:涵顶各点土压力与填土自重近似线性相关,线性系数与盖板涵的宽高比呈单峰曲线关系,据此建立了涵顶中点压力经验公式,计算精度较规范法有较大的改进;涵洞顶部有应力集中效应,涵顶平面上的土压力呈M状分布,非均匀分布的范围约为1.5倍的涵顶宽度,涵洞对其上方1.5倍涵身高度内填土的土压力分布有影响,影响范围的剖面形状为倒梯形;依据涵洞两侧及上方填土体中的土压力分布特征提出了降低涵顶压力可采取的不等强压实的范围;盖板涵两侧墙上各点水平压力均小于静止土压力,据此设计盖板涵是偏于安全的。     

高填土涵洞的非线性竖向土压力分析

根据涵顶土压力随填土高度变化的趋势与关系曲线,通过统计分析,找出土压力与填土高度间的统计关系,以此作为高路堤涵洞土压力计算公式的土压力计算方法。其特点是可以直接求得高路堤条件下涵顶的实际土压力,从而实现涵洞结构设计的安全性和经济性的统一。     

基于分布角法的涵顶土压力研究

为了研究沿涵洞纵向不同位置的涵顶竖向土压力的分布规律,基于分布角法推导了土压力计算法,分析了土压力沿涵洞纵向的分布规律,探讨了拱效应,结果表明涵顶拱效应使规范的"土柱法"计算值偏大,结构过于安全而不经济。     

填土涵顶车辆荷载扩散方法研究

介绍了两类计算填土涵顶附加压力的方法,即Boussinesq法和分布角法,结果表明：土体自重压力是随涵顶填土高度的增加而增加,而机械车辆附加压力随涵顶填土高度的增加而减小,Boussinesq法适用于填土较高的涵洞,分布角法适用于填土较低的涵洞。     

高填方涵洞涵顶土压力影响因素敏感性分析

高填方涵洞土压力受多种因素的影响。在对高填方涵洞受力影响因素归纳的基础上,筛选出埋设涵洞的沟谷宽度、沟谷边坡角度、地基土模量、填土模量、填土黏聚力和内摩擦角这6个主要影响因素,通过数值模拟对涵顶土压力系数的变化规律进行了分析,确定了上述6个因素产生有效影响的取值区间。根据正交试验原理,建立25个正交化数值模拟试验模型,针对上述6个主要影响因素,对高填方涵洞进行了影响因素敏感性分析,最后的极差分析结果表明,埋设涵洞的沟谷宽度和沟谷边坡角度是影响高填方涵洞涵顶土压力的最为主要和敏感的因素;填土模量、填土内摩擦角和地基模量对涵顶土压力有较显著影响;填土的黏聚力对涵顶土压力影响较小。     

图珲公路高填方涵洞地基承载力分析

为确定涵侧填土对高填方涵洞地基承载力的提高作用,根据相似原理设计高填方涵洞模型试验,模拟不同涵侧填土高时涵洞地基受荷破坏的过程,绘制荷载-沉降曲线得到极限荷载;讨论使用经验公式和JTG D 63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》的计算结果与试验结果的差值;选取图们至珲春高速公路桩号为RK365+510处的高填方涵洞作为试验涵洞,在涵洞底部埋设沉降观测点测量基底沉降值和沉降差。结果表明:侧填荷载对地基承载力的提高十分显著,且提高幅度为非线性,先从18.4%增加到36.83%,然后减小到8.91%;计算承载力时不仅要考虑选取合适的计算公式,还应考虑不同试验方法所提供的计算参数的影响;现场测试的涵洞基底最大沉降值符合规范的要求。     

Experimental study on concrete box culverts in trenches

Concrete box culverts are widely used in expressways in mountain areas. Many problems frequently take place due to improperly estimated vertical earth pressures on culverts. The prevailing Chinese General Code for Design of Highway Bridges and Culverts (CGCDHBC) stipulates the computation of the design load on culverts primarily based on the linear earth pressure theory, which cannot accurately describe the variation of the vertical load on culverts in trenches. In this paper, a full-scale experiment and numerical simulation were conducted to evaluate the variation of vertical earth pressures on culvert and soil arching in backfill. The variations of foundation pressure and settlement were also analyzed. The result revealed that the soil arch forms when the backfill on the culvert reaches a certain height. The soil arching effect reduces the stress concentration on the crown of the culvert but it is unstable. The vertical earth pressure on top of the culvert is significantly different from that recommended by the CGCDHBC.     

不同填土管涵土压力模型试验和数值模拟研究

管涵土压力作为管涵结构设计中的主要恒定荷载,其作用模式的确定是研究的重点。通过开展三种不同填土工况(碎石、粉土、黏土)下的管土相互作用足尺物理模型试验,得到不同填土工况下马蹄形管涵土压力的作用模式,并对比填土类型对管涵土压力的影响。结果表明:试验条件下,粉土工况的管顶土压力集中效应表现最强,黏土工况最弱,碎石工况介于中间。同时采取有限元软件对模型试验进行模拟分析,与试验结果较为吻合,从而为管涵土压力的进一步研究提供科学依据。     

中低压缩性土地区桩承式加筋路堤现场试验研究

将桩承式加筋路堤技术应用于中低压缩性土地区高速铁路桥台和涵洞之间填方路基的处理,通过逐渐改变CFG桩桩长形成刚度均匀变化的地基加固区,严格控制线路纵向差异沉降。通过现场试验对桥台、涵顶和路基中心地基沉降进行了长期观测,同时对桩承式加筋路堤桩间土沉降、孔隙水压力、格栅上下表面土压力和格栅变形进行了长期监测分析。研究结果表明:桩承式加筋路堤可有效减小中低压缩性土地基沉降,总沉降小且很快趋于稳定;桩承式加筋路堤通过土拱效应和张拉膜效应将路堤荷载向桩帽传递,格栅下桩土应力比明显高于格栅上,张拉膜效应明显,格栅上桩土应力比接近1.0,土拱效应较弱;格栅在路肩处发挥的作用强于线路中心处。     

合理间距条件悬臂式抗滑桩三维土拱效应试验研究

在人工开挖的斜坡上施工满足合理桩间距的两根悬臂式抗滑桩,通过对模型槽内填土的顶面进行堆载,研究了桩前施工挡土板时挡土板水平变形和桩–板土压力比的变化规律。待位移传感器和土压力计读数稳定后,采用自上而下摘板的措施模拟桩前土开挖的施工过程。通过分析不同高度上测点x方向土压力的分布规律,探讨了桩间土沿高度方向直接土拱与摩擦土拱的作用程度及作用范围。摘板过程结束后,对桩间土的局部滑塌面进行测量,通过与三维土拱效应的作用范围进行比较,证实了合理桩间距条件下桩间土产生局部滑塌的范围总是处于直接土拱的拱圈内侧区域。采用自制的简易静力贯入设备对拱脚剪切线附近的原状土进行测定,基于实测锤尖贯入曲线,分析了桩间不同高度上拱脚的极限剪切作用厚度。     

Three-dimensional physical modeling of load transfer in basal reinforced embankments under differential settlement

This study developed a large-scale laboratory apparatus to evaluate the load transfer behavior of basal reinforced embankment fill because of soil arching and geogrid tensile force. A 3D trapdoor-like test system performed five scaled model tests using analogical soil. The instrumentation system involved multiple earth pressure cells, dial gauges, multipoint settlement gauges, and geogrid strainmeters. Comprehensive measurements were performed to investigate the evolution of soil stress and displacement at specific fill elevations with variations in the area replacement ratio and geogrid stiffness. The critical height of the soil arching was determined to be ～1.1–1.94 times the clear pile spacing based on the soil stress and displacement profiles. The distribution of the geogrid tensile strain between and above the adjacent caps demonstrated that the maximum geogrid strains occur on top of the caps, and the tensioned geogrid effect on the load transfer efficiency was evaluated. The cap size and center-to-center pile spacing affect the pile efficacy more significantly than the stiffness of the geogrid. The measured critical heights of arching, stress concentration ratios, and geogrid strain matched those calculated by several well-recognized analytical methods. This experimental program facilitates the development of arching models that account for differential settlement impact.