深填場地填土面傾斜對涵洞的影響分析

孫仁浩， 丁 飛， 張 杰， 劉 暢， 張雨薇

(中煤第三建設(shè)(集團)有限責任公司，安徽 合肥 230071)

0 引 言

近年來，隨著公路、鐵路、水利水電、機場等一系列工程建設(shè)的開展，越來越多地遇到深填方工程。一般地，為了滿足填方區(qū)域的排水或人行需求，需在填筑體下修建涵洞。我國多個規(guī)范中對地下涵洞的土壓力計算有著不同的規(guī)定，且按各個規(guī)范計算的結(jié)果有時相差較大[1]。若采用“土柱”法計算，即涵洞頂部所受土壓力為上部填土重度與土層厚度的乘積，則往往比實測土壓力值偏小。據(jù)統(tǒng)計，江西省的181座涵洞工程中，出現(xiàn)涵洞整圈環(huán)向斷裂、漏水的占95%[2]，湖南省70%地下涵洞存在裂縫、滲水、鋼筋銹蝕等不同程度的病害險情。可見，涵洞雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其出現(xiàn)破壞的比例較高。

已有大量學者對涵洞的土壓力及工作特性進行了不同角度的研究[3-8]，但目前尚無一套系統(tǒng)的涵洞土壓力計算方法。特別地，當深填方工程的填土面傾斜時，填土下方涵洞的受力情況將更加復(fù)雜。為此，本文基于有限元軟件，對填土面不同傾角情況下的涵洞及土體變形進行了對比研究。

1 有限元計算模型

現(xiàn)針對某一典型填方工程中的箱型涵洞斷面進行分析。箱型涵洞外輪廓寬度b=4 m、高度H=5 m，涵洞四周的鋼筋混凝土壁厚50 cm，涵洞頂部中點至填土表面的距離為11 m，填土表面的傾角為β。涵洞底部置于強度較高的基巖上，基巖厚度2 m。為避免對涵洞造成破壞，在涵洞填埋過程中往往對涵洞周邊特別是上部一定范圍內(nèi)的填土不進行夯實，即涵洞周邊填土的密實度相對較低。在模擬過程中，考慮涵洞正上方存在厚度h=2 m的松散填土。為了描述方便，記涵洞及松散填土頂部的端點分別為A、B、C、D。涵洞的計算構(gòu)型如圖1所示。

將涵洞按平面應(yīng)變問題考慮，基巖與填土材料的本構(gòu)模型采用莫爾-庫侖理想彈塑性模型，涵洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其強度較高，可按線彈性材料考慮。土層及涵洞的計算參數(shù)見表1。

圖1 涵洞幾何斷面構(gòu)型

表1 各土層的物理力學參數(shù)

有限元計算域應(yīng)足夠大，以便消除邊界條件的影響，計算中取涵洞左右兩側(cè)寬度各20 m。有限元計算的邊界條件為：底部采用固定邊界條件，即水平和豎向的位移均約束，兩側(cè)為水平方向位移約束條件。采用15節(jié)點的三角形單元對計算模型進行網(wǎng)格劃分，圖2給出了β=15°情況下的有限元網(wǎng)格的劃分情況。采用有限元方法通過激活涵洞與填土計算單元的方法來模擬填土的填筑[9, 10]。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分(單元: 1 315個)

2 計算結(jié)果分析

基于有限元方法，對填土面傾角β的不同取值進行變換對比計算，得到了各種工況的填土及涵洞的應(yīng)力及位移分布情況。

2.1 填土水平位移

填土面傾角β不同取值情況下的填土內(nèi)部水平位移分布情況如圖3所示。填土面傾角分別為5°、15°、25°時，填土內(nèi)部水平位移最大值分別為1.4 cm、3.2 cm、6.1 cm。可見，隨著填土面傾角β的增加，水平位移值逐漸增大，且填土體內(nèi)水平位移的最大值位于涵洞正上方稍偏坡腳方向處。

圖3 填土面傾角對填土水平位移的影響(單位: cm)

填土面傾斜情況下土體水平位移的方向均為從坡頂?shù)狡履_方向的水平向，埋設(shè)于土體內(nèi)部的涵洞也必然受到了該方向應(yīng)力的作用，也具有從坡頂?shù)狡履_方向傾斜、傾覆的趨勢，這與填土面水平情況下的狀態(tài)明顯不同。

計算得到了涵洞上方松散填土兩端C、D兩點的水平位移差值分布情況，如圖4所示。水平位移的方向均為從坡頂?shù)狡履_方向的水平向，且C點的水平位移大于D點的水平位移。隨著填土面傾角β的增加，C、D兩點的水平位移差逐漸增大，如填土面傾角β=30°時，C、D兩點的水平位移差值已達到17.6 cm。

圖4 填土面傾角對C、D兩點水平位移差的影響

2.2 填土豎向沉降

填土面傾角β不同取值情況下的填土內(nèi)部豎向沉降分布情況如圖5所示。填土面傾角分別為10°、20°、30°時，填土內(nèi)部豎向沉降最大值分別為24.4 cm、34.7 cm、48.0 cm。可見，隨著填土面傾角β的增加，土體豎向沉降逐漸增大，且填土體內(nèi)豎向沉降的最大值位于坡頂位置處。

圖5 填土面傾角對填土豎向沉降的影響(單位: cm)

涵洞上方松散填土兩端C、D兩點的豎向沉降差值分布如圖6所示。由于D點正上方的填土高度大于C點正上方的填土高度，故D點的豎向沉降大于C點的豎向沉降。隨著填土面傾角β的增加，C、D兩點的豎向沉降差逐漸增大，如填土面傾角β=30°時，C、D兩點的豎向沉降差值已達到22.2 cm。

圖6 填土面傾角對C、D兩點豎向沉降差的影響

2.3 填土塑性區(qū)分布

填土面傾角β不同取值情況下的填土內(nèi)部塑性區(qū)分布情況如圖7所示。塑性區(qū)是指土體所受的應(yīng)力值已超過其屈服強度而發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖7 涵洞周邊土體塑性區(qū)分布圖

由于涵洞的剛度遠大于其周邊土體的剛度，故涵洞側(cè)邊的土體沉降通常遠大于涵洞本身的沉降，涵洞周邊的土體必然與涵洞外壁發(fā)生較大的摩擦與相對位移，導(dǎo)致該部分土體進入塑性狀態(tài)。填土面傾角β=0°時，填土面水平，涵洞兩側(cè)土體的塑性區(qū)呈對稱狀態(tài)，如圖7a所示。隨著填土面傾角β的增加，土體塑性區(qū)逐漸發(fā)生變化，如填土面傾角β=30°時，涵洞上方土體的塑性區(qū)已連成一片，具有滑動破壞的趨勢。

圖8進一步給出了填土面傾角β=25°時填土內(nèi)部的位移增量分布情況。可見，填土具有從坡頂?shù)狡履_傾斜向下的運動趨勢，土體塑性區(qū)分布與該位移增量分布情況是一致的。

圖8 β =25°時填土位移增量分布圖

2.4 涵洞土壓力

計算表明，填土面水平情況下涵洞頂部A、B兩點的土壓力值相等。隨著填土面傾角β的增加，B點處的土壓力值逐漸大于A點處的土壓力值；填土面傾角β=25°時，B點處的土壓力值為A點處土壓力值的1.15倍。可見，填土面傾斜情況下，涵洞受到了偏壓作用，不同位置處受到的上覆土壓力值不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計中需掌握這種偏壓特性才能進行正確的計算。

將同一位置處的豎向土壓力與土體自重之比稱為土壓力系數(shù)k，填土面傾角對涵洞頂部中點(即A、B兩點連線的中點)土壓力系數(shù)k的影響如圖9所示。可見，隨著填土面傾角的增加，涵頂中點的土壓力系數(shù)逐漸增加，但增加幅度不大。β=30°時的土壓力系數(shù)為1.15，比β=10°時的土壓力系數(shù)約增大7.5%。

圖9 填土面傾角對涵頂中點土壓力系數(shù)的影響

由此可見，填土面傾斜情況下涵洞的受力狀態(tài)較為復(fù)雜：一方面填土具有從坡頂?shù)狡履_傾斜向下的運動趨勢，埋設(shè)在填土中的涵洞也具有沿該方向傾斜、傾覆的趨勢；另一方面涵洞上方偏向坡頂一側(cè)受到的土壓力值偏大，涵洞處于偏壓狀態(tài)。涵洞的穩(wěn)定性受制于填土的整體穩(wěn)定性，因此，若涵洞的穩(wěn)定性得不到滿足，則還需設(shè)計一些輔助結(jié)構(gòu)來提高涵洞的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

隨著填土面傾角β的增加，填土體內(nèi)水平位移的最大值位于涵洞正上方稍偏坡腳方向處，填土具有從坡頂?shù)狡履_傾斜向下的運動趨勢，埋設(shè)于土體內(nèi)部的涵洞具有從坡頂?shù)狡履_方向傾斜、傾覆的趨勢，使涵洞處于偏壓狀態(tài)，這與填土面水平情況下的狀態(tài)明顯不同。