蓋板式涵洞頂部土壓力轉(zhuǎn)移研究

李永剛，周澤濤，劉孝俊

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

涵洞頂部垂直土壓力是涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，目前的涵洞土壓力計(jì)算理論尚不成熟。顧安全［1］對(duì)303座填土較高的上埋式涵洞的調(diào)查表明，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的占63.5%，其中70%屬于縱向開(kāi)裂。張衛(wèi)兵［2］所在的課題組對(duì)西南、西北地區(qū)5省區(qū)具有代表性的17條高速公路182座涵洞進(jìn)行了較詳細(xì)的實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有近80%以上的涵洞存在不同程度的病害，涵頂土壓力過(guò)大是發(fā)生病害的主要原因?？梢?jiàn)研究涵洞土壓力的計(jì)算和土壓力的減小方法具有重要理論意義和實(shí)際價(jià)值。常見(jiàn)的涵洞土壓力減小包括中松側(cè)實(shí)法、EPS減載法、加筋橋法等［3－6］。本文對(duì)蓋板式涵洞、箱形涵洞頂部垂直土壓力的減小和轉(zhuǎn)移進(jìn)行理論研究和數(shù)值分析。

1 涵頂土壓力轉(zhuǎn)移原理

蓋板式涵洞和箱形涵洞的側(cè)墻多采用混凝土邊墻或石砌重力式擋土墻，其承壓能力很強(qiáng)，而蓋板（或頂板）所承受的彎矩很大、容易發(fā)生縱向裂縫和引起涵洞病害。對(duì)此可通過(guò)適當(dāng)措施將蓋板上的土壓力部分轉(zhuǎn)移至側(cè)墻，減小蓋板上的土壓力，使較多的土壓力直接作用于側(cè)墻而傳遞至地基，如圖1-b，對(duì)上埋式混凝土箱涵，在涵頂兩側(cè)設(shè)置一定高度的混凝土（或漿砌石等）塊體——減載塊，其剛度大、壓縮量小，在減載塊頂部平面的土體產(chǎn)生不均勻沉陷，即減載塊頂部土體的沉降小，其兩側(cè)的土體沉降大，減載塊充當(dāng)了支撐拱腳，形成土拱，導(dǎo)致臨近土壓力向拱腳減載塊的轉(zhuǎn)移，減載塊將較多的土壓力直接傳遞給邊墻，頂板靜跨（d段）范圍的土壓力減小。

圖1 箱型涵洞

2 減載塊轉(zhuǎn)移土壓力的有限元分析

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，視其為平面應(yīng)變問(wèn)題。有限元計(jì)算采用ANSYS軟件。本文主要以涵洞及其周?chē)奶钔翞橹饕芯繉?duì)象，考慮地基剛性。土體雖然是非線性壓縮體，但其處于非極限狀態(tài)時(shí)，土體垂直壓應(yīng)力的線性和非線性分析結(jié)果非常接近［7－8］，填土和混凝土涵洞均按彈性問(wèn)題處理，選擇用常用的平面4節(jié)點(diǎn)單元，即Plane42單元。

涵頂填土采用密實(shí)砂土，彈性模量Et＝25MPa，重度18kN／m3，泊松比0.22；鋼筋混凝土涵洞彈性模量Eh＝2.8×1010Pa，重度25kN／m3，泊松比0.167。涵洞與填土的接觸單元摩擦系數(shù)0.3［9］。

取涵洞外部寬度D與外部高度h相等，記洞頂填土高度為H。涵洞兩側(cè)土體寬度取三倍的涵洞寬度。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 頂板土壓力分布

取D＝200cm，涵洞邊壁厚20cm。設(shè)b為減載塊寬度。減載塊寬度比b／D＝2／20，減載塊高度a為變值，減載塊高度比a／D 分別取0，1／20，2／20，3／20。分析時(shí)填土高度比H／D＝0.5～20。

涵洞頂板靜跨范圍的垂直土壓力基本為中間大兩邊小的分布，如圖2（填土高度比H／D＝5）。無(wú)減載塊（a／D＝0的平頂）時(shí)，洞頂兩端對(duì)相鄰填土的頂托作用，使頂板兩側(cè)的土壓力稍有翹起，土壓力偏大。設(shè)置減載塊引起的土拱和土壓力轉(zhuǎn)移，減小了頂板兩側(cè)的土壓力，a／D＝1／20情況下，減載塊高度較小，只使頂板每一側(cè)35%靜跨范圍的土壓力減小，即頂板70%靜跨范圍的土壓力轉(zhuǎn)移，越靠近減載塊，土壓力減小越多（轉(zhuǎn)移越多）。a／D＝2／20、3／20情況下，減載塊較高，頂板靜跨范圍內(nèi)的土壓力均受到減載塊的影響，土壓力在頂板全跨范圍內(nèi)整體明顯減小，減載塊越高，頂板土壓力越小。

圖2 涵頂土壓力分布圖（H／D＝5）

2.2.2 頂板靜跨的垂直土壓力系數(shù)

取涵洞頂板凈跨范圍的土壓力平均值與土柱壓強(qiáng)的比值作為頂板垂直土壓力系數(shù)K。由于減載塊導(dǎo)致的土壓力轉(zhuǎn)移，設(shè)置減載塊之后的土壓力系數(shù)較平頂（a／D＝0）時(shí)的土壓力系數(shù)明顯減小，如圖3所示?？傮w講，土壓力系數(shù)為先增后減的變化趨勢(shì)，填土高度比H／D＝2左右的土壓力系數(shù)最大，H／D＞7之后，土壓力系數(shù)變化幅度很小，近似常數(shù)。隨減載塊的加高，頂板靜跨的土壓力系數(shù)不斷減小，a／D＝1／20、2／20、3／20的頂板靜跨土壓力系數(shù)較平頂（無(wú)減載塊）的土壓力系數(shù)分別減小12%、24%和34%。

圖3 土壓力系數(shù)變化曲線圖

b／D＝20、a／D＝2／20情況下，將減載塊之間填土的壓實(shí)度減小，令其彈性模量E分別是上覆填土彈性模量的75%和50%，即塊間填土彈模比E／Et＝75%、50%，這將使減載塊之間填土與減載塊外部填土的沉降差更大，土拱效應(yīng)越強(qiáng)，兩者的土壓力轉(zhuǎn)移更多，頂板靜跨的土壓力進(jìn)一步減小，如表1，減載塊之間填土彈模比E／Et＝75%、50%時(shí)，其頂板靜跨的土壓力系數(shù)比原覆土（E／Et＝1）情況的土壓力系數(shù)分別減小5.6%和14.5%，較平頂（無(wú)減載塊）時(shí)的土壓力系數(shù)分別減小27%和34%。

表1 兩減載塊之間土體密實(shí)度對(duì)土壓力系數(shù)的影響（a／D＝2／20）

減載塊高度比a／D＝2／20不變，適當(dāng)改變減載塊寬度比（減載塊不進(jìn)入頂板靜跨），b／D＝1／20、3／20引起的土壓力系數(shù)見(jiàn)表2。減載塊寬度比b／D減小，土拱支撐拱腳變小，拱效應(yīng)減弱，土壓力轉(zhuǎn)移減少，頂板靜跨土壓力大一些，b／D＝1／20之頂板靜跨土壓力系數(shù)較b／D＝2／20之土壓力系數(shù)增大7%左右；b／D增大，土拱支撐拱腳變大，土壓力轉(zhuǎn)移多，頂板土壓力小，b／D＝3／20之頂板靜跨土壓力系數(shù)較b／D＝2／20之土壓力系數(shù)減小約10%。

表2 不同減載塊寬度比對(duì)土壓力系數(shù)的影響（a／D＝2／20）

3 結(jié)語(yǔ)

理論和有限元分析結(jié)果表明，在蓋板涵洞（或箱涵）頂板兩側(cè)設(shè)置減載塊，對(duì)涵洞頂板的土壓力轉(zhuǎn)移和減小具有重要作用。

減載塊高度比等于1／20時(shí)，減載塊對(duì)涵頂70%靜跨的土壓力有影響，減載塊高度比大于1／20時(shí)，減載塊對(duì)涵洞頂板全跨土壓力均有影響；減載塊高度比分別為1／20、1／10、3／20時(shí)的土壓力系數(shù)較平頂（無(wú)減載塊）情況分別減少10%、20%和30%以上；減載塊寬度比和減載塊之間的土體密實(shí)度（彈性模量）對(duì)涵頂土壓力大小有10／%以上的影響。

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