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。     

图珲公路高填方涵洞竖向荷载分布试验研究

为了研究高填方涵洞顶部土压力随填土高度变化的规律以及拱效应,依据相似原理设计了宽坦沟谷沟心设涵边界条件的涵洞室内模型试验,测得不同填土高的涵洞顶部土压力和涵台外侧土压力;选取图们—珲春高速公路桩号为RK392+640处高填方涵洞作为试验涵洞,在涵顶埋设土压力盒测量不同填土高度的涵顶竖向土压力;按照《公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)》计算土压力,比较并分析计算值与实测值的误差。结果表明,涵顶土压力随着填土的增加而增加,当填土达到一定高度后,高填方涵洞上方将产生拱效应,由于涵顶路基填料的特点,拱效应具有不稳定性,从而使土压力的增加幅度变小,涵顶土压力也随填土高度呈现非线性规律变化。     

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。     

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。     

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。     

梯形断面沟槽沟埋式涵洞垂直土压力分析

通过对梯形沟槽沟埋式涵洞垂直土压力的分析，推导出相应垂直土压力计算公式，该公式与矩形断面沟槽、上埋式涵洞在形式上一致，而且反映了沟槽坡度、宽度、深度和胸腔宽度等对涵洞土压力的影响。     

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。     

考虑中间主应力的非饱和土上埋式涵洞竖向土压力公式

基于非饱和土的平面应变抗剪强度公式,考虑中间主应力和基质吸力的共同影响,分别建立了均匀与线性2种吸力分布下非饱和土上埋式涵洞的竖向土压力公式,并对其进行可比性分析,对比文献数值模拟和模型试验进行正确性验证,最后探讨了各参数的影响特性。研究结果表明:所建立的上埋式涵洞竖向土压力公式为系列化的有序解析解,可退化为文献已有解答并包含众多新解答,并能计算涵顶上方不同高度处的竖向土压力,工程应用前景广泛; 基质吸力对涵顶竖向土压力具有重要影响,且线性吸力影响不如均布吸力明显,应考虑回填土的非饱和特性并实测吸力分布; 中间主应力效应随基质吸力和填土高度的增大而更加显著,同时均布吸力下中间主应力效应较明显,应合理选取强度准则以反映回填土强度的中间主应力作用; 等沉面高度与回填土物理力学性质、中间主应力效应、基质吸力及分布形式等有关; 基质吸力及其分布影响、中间主应力效应均与填土高度密切相关,体现了多因素对涵顶竖向土压力的综合影响。     

黄土地区高填土明洞土拱效应及土压力减载计算

 基于涵洞减载基本原理,结合明洞结构特点,通过室内缩尺模型试验,研究不同减载方案下高填方明洞土压力随填土高度变化的规律及土拱效应。试验结果表明,随着填土高度的增加,土拱效应逐渐显现但不稳定,使明洞顶土压力小于理论土压力。根据明洞顶土压力变化规律及明洞减载结构力学模型,利用朗肯土压力理论,提出铺设单层土工格栅减载结构土压力计算公式,包括格栅顶部土柱土压力、格栅底部土体支撑力、明洞顶土压力的计算公式,并针对实际工程中广泛采用的多层土工格栅结构类型,推导其明洞顶土压力的计算公式。结合现场明洞试验,证明土工格栅减载的良好效果及本文计算方法的准确性,可为高填土明洞顶土工格栅减载结构设计及施工提供理论参考。     

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。     

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.     

高填方涵洞减荷中的土拱效应分析

通过在涵顶铺设EPS板对高填方涵洞进行减荷的方法,进行了涵顶土体中土拱效应的机理分析,结果表明：土拱效应的产生应同时满足三个条件：当涵顶EPS板压缩变形大于两侧土体的压缩变形时,即涵顶平面内外土柱产生沉降差-δ,填土要达到一定的高度,土体拱脚的存在;同时,通过土体抗剪强度的发挥,涵顶土体内部应力向两侧重分布,此时的土拱具有不稳定的特点。     

高填方双管涵洞减荷试验研究

为解决高填方涵洞受力过大的问题,在一双管涵洞上铺设不同密度、不同厚度的单层或双层可发性聚苯乙烯板(EPS板)进行减荷试验,并与未减荷段进行对比,结果表明:涵顶铺设EPS板可以大大减小涵洞受力,涵顶竖向土压力仅为未减荷段的1/3、土柱压力的1/2;同时,EPS板铺设越厚,减荷效果越好,但其效果随板厚的增大而递减,双层叠加...     

高填路基盖板涵外界面受力状态形成机制研究

依据原位试验和数值模拟研究高填路基盖板涵外界面受力状态形成机制。结果表明:涵洞顶面压力大于上覆填土自重,呈非均匀分布形式,涵洞侧墙顶相对于顶板中部承受更大的压力,侧墙主要承担了来自两侧填土的附加压力;涵洞侧墙外水平压力远小于按土柱高度换算的静止土压力,涵洞地基的不均一地质条件导致涵洞单侧承受相对较大的水平力;涵土差异沉降导致涵洞体承担了大于上覆填土自重的压力,基底的不均匀沉降引起涵顶压力向一侧集中,侧墙外压力和基底压力非对称分布。实测涵顶压力约为填土自重应力的1.56~3.02倍,使用现行公路桥涵规范设计高填方盖板涵偏于危险。     

软土地基沟埋式涵管的若干关键设计问题探讨

目前,沟埋式涵管广泛应用于珠三角水利建设中,由于缺乏对软土地基变形规律的正确认识以及合理的涵管垂直土压力计算理论,涵管在运营中常常出现各种病害。本文以广东省肇庆市某涵闸工程为研究背景,分析了软土地基上涵管的一些常见问题,包括地基不均匀沉降、涵管开裂、附加土压力等,通过现场调查、原位试验和有限元分析问题产生的原因,并且对涵闸地基沉降计算以及箱涵顶垂直土压力进行研究。最后,给出解决上述问题的一些方法和建议:①基础设计时,不仅要考虑地基强度问题,更要重点计算地基的沉降,确保处理后地基的刚度差异不大,以减少地基的不均匀沉降;②根据填土荷载大小确定地基刚度,即荷载越大的地方布桩应该越密,反之越疏;③涵管的结构设计必须考虑地基不均匀沉降引起的附加土压力。     

埋地HDPE管道施工过程中土拱效应变化特征研究

 国内外研究表明,土拱效应对于埋地柔性管道的受力变形有着显著的影响,然而关于管道回填土体中土拱效应随管底填土高度以及管道直径等因素变化规律的研究鲜有报道。通过现场试验研究施工填土过程中HDPE双壁波纹管道在回填土体中引发的土拱效应,以此明确埋地HDPE管道在回填土时,管顶上覆土压力的变化规律。结果表明,对于管顶和管侧的回填土,其土拱效应随着管底填土高度增加均增强;在给定填土高度时,土体距离管顶位置越近,其土拱效应越显著。基于Marston土压力理论计算所得的HDPE管道顶部上覆土压力较现场土压力实测值大3%～31%,通过有限元数值模拟分析,提出施工填土时HDPE管道顶部上覆土压力的简易计算公式。通过已有研究报道的2个现场试验的实测数据对所得公式进行验证,得出管顶土压力计算值的误差范围为2%～6%,表明该公式可以准确地计算施工填土时HDPE管道顶部所受的上覆土压力。