基于分布角法的涵頂土壓力研究★

王雯璐 張建鋒 李印霞

(1.河南工程學院資源與環境學院，河南 鄭州 451191; 2.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

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基于分布角法的涵頂土壓力研究★

王雯璐1，2張建鋒1李印霞1

(1.河南工程學院資源與環境學院，河南 鄭州 451191; 2.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130026)

為了研究沿涵洞縱向不同位置的涵頂豎向土壓力的分布規律，基于分布角法推導了土壓力計算法，分析了土壓力沿涵洞縱向的分布規律，探討了拱效應，結果表明涵頂拱效應使規范的“土柱法”計算值偏大，結構過于安全而不經濟。

高填方涵洞，豎向土壓力，分布角法，拱效應

為了保護綠色生態環境，合理利用開挖路塹的土石方，山區高速公路常修建高路堤取代橋梁。高路堤涵洞上方的填土高達幾十米，是典型的高填方涵洞。歐美國家為了保護自然山體完整和沿線風光，很少修建高填方涵洞，較多的是采用明涵。國內，鄭俊杰考慮到涵頂和涵臺的土壓力差，根據涵頂豎向力的平衡分析了土壓力的分布規律；寧寶寬根據Winkler彈性地基條件和Marston公式推導了蓋板涵豎向土壓力。我國的JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范推薦的土柱法未考慮拱效應和涵洞受力機理，使得設計荷載偏大，結構設計偏于保守而不經濟，影響施工質量和高速公路的運營。對于高填方涵洞，多是研究不同填土高度下豎向土壓力的規律，很少研究路堤邊坡對涵頂豎向土壓力的影響，即沿著涵洞縱向豎向土壓力的分布規律。本文基于分布角法，探討了距離涵洞口不同位置即沿涵洞縱向不同位置時涵頂豎向土壓力的計算方法。分析了豎向土壓力沿涵洞縱向的分布規律，探討了拱效應，討論了基于分布角法的土壓力計算值和按照JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范計算值的誤差，用于指導高填方涵洞豎向荷載計算和結構設計。

1 計算模型

沿著涵洞縱向頂面建立x軸，涵洞高度方向建立y軸，如圖1所示。假設路基寬度為W，邊坡坡度為1∶n，涵洞上部填土高度為H，土體重度為γ，豎向土壓力的擴散角為2α。豎向土壓力計算模型見圖2。

(1)

(2)

3)當X位于EF內時，即X∈(H(n+tanα)，H(n-tanα)+W)時，土壓力的計算式為：

(3)

2 計算結果分析

不同填土高度沿涵洞縱向不同位置采用分布角法和規范計算的涵頂土壓力如表1～表3所示。

表1 涵頂填土12 m距涵洞口不同位置的土壓力

表2 涵頂填土16 m距涵洞口不同位置的土壓力

表3 涵頂填土20 m距涵洞口不同位置的土壓力

1)在不同的填土高度和涵洞不同縱向位置的條件下，分布角法計算的涵頂豎向土壓力和規范計算結果較接近，說明基于分布角法的土壓力算法是可行的。如填土16m時，距涵洞口較近(4m和8m)的計算值(91kPa和181kPa)和規范值(320kPa)差別較大，其他觀測點結果較接近。

2)相同填土高度時，距離涵洞口不同距離的土壓力變化規律說明高填方涵洞沿縱向存在“拱效應”。

涵洞填土達到20m時，位于涵洞口16m的涵頂土壓力計算值319kPa，小于規范值400kPa。說明涵頂填土達到一定高度時，土體發生壓縮和變形，土顆粒互相楔緊，形成自然土拱。若使用規范的“土柱法”設計涵洞會使結構過于安全而不經濟。

3 結語

1)涵洞縱向不同位置的涵頂豎向土壓力的計算值和規范值較接近，基于分布角法計算豎向土壓力是可行的。

2)沿涵洞縱向長度的增加，涵頂產生拱效應，采用規范的“土柱法”計算結果偏大，造成結構設計過于安全而不經濟。

[1]KarinskiYS,DancygierAN,LeviathanI.Ananalyticalmodeltoevaluatethestaticsoilpressureonaburiedstructure.EngineeringStructures,2003,25(1):91-101.

[2]鄭俊杰,趙建斌,陳保國.高路堤下涵洞垂直土壓力研究.巖土工程學報,2009,31(7):1009-1013.

[2]寧寶寬,龔 雷,范 鶴，等.路堤下蓋板涵的豎向土壓力分布.沈陽工業大學學報,2013,35(3):345-349.

[3]JTGD60—2004，公路橋涵設計通用規范.

[4]王雯璐，趙江鵬，趙大軍，等.圖琿高速公路高填方涵洞涵頂豎向土壓力試驗.廣西大學學報(自然科學版)，2013,38(6):1272-1276.

Studyonculvertearthpressurebasedondistributinganglemethod★

WangWenlu1，2ZhangJianfeng1LiYinxia1

(1.Henan Institute of Engineering, Resources and Environmental Engineering Department, Zhengzhou 451191， China；2.Jilin University, College of Construction Engineering, Changchun 130026， China)

Toinvestigatethepatternofverticalearthpressureonlongitudinalculvert,basedondistributinganglemethod,thecalculationmethodofverticalearthpressurewasdeduced.Thelawofearthpressurewasanalyzedandthearchingeffectwasdiscussed.Thecalculatedresultsby“soilcolumnmethod”incodewaslarge.Structureisnotcost-efficientbecausedesignistoosafe.

high-fillculvert，verticalearthpressure，distributinganglemethod，archingeffect

1009-6825(2015)01-0147-02

2014-10-23 ★：國家重點基礎研究發展計劃“973”項目(項目編號：2010CB731503)；吉林省交通廳科技項目

王雯璐(1983- )，女，講師，在讀博士； 張建鋒(1979- )，男，講師； 李印霞(1984- )，女，講師

U449.31

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