高速黃土路基涵洞土壓力分布特征研究

李曉旭，葉海林，金俊喜，蘇 和，張化杰

(1. 山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032；2. 北京特種工程設(shè)計研究院，北京 100028；3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

高填方涵洞在山區(qū)及黃土地區(qū)線路工程中非常普遍，它既能滿足復(fù)雜地形條件下高等級公路及鐵路設(shè)計中高線型的要求，也能滿足道路工程排水及人力通行的要求。然而目前的研究中對高填方涵洞還沒有統(tǒng)一明確的定義，一般將上部路堤填土高度超過12 m的涵洞視為高填方涵洞。隨著社會經(jīng)濟及基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的不斷發(fā)展，涵洞填土高度越來越大，現(xiàn)有涵洞設(shè)計規(guī)范越來越無法滿足復(fù)雜地區(qū)高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。對復(fù)雜地區(qū)高填方涵洞土壓力及變形特征的研究對重大線路工程建設(shè)具有重要意義，也是線路工程災(zāi)害防治的前提。

美國學(xué)者馬斯頓教授[1]提出了散體極限平衡法，基于涵洞與土體間的沉降差提出計算涵洞土壓力的公式，但該方法并未考慮胸腔土體的變形和承載能力，因此所得土壓力結(jié)果并不準(zhǔn)確。Bennett等[2]認(rèn)為填土高度與涵洞內(nèi)壓力有較強的相關(guān)性，而涵-土結(jié)構(gòu)相互作用因子與涵洞內(nèi)高寬比無關(guān)。Joseph[3]提出了土拱效應(yīng)對土壓力的影響規(guī)律，為探究涵洞土壓力變化提供理論基礎(chǔ)。Sun L[4]等采用數(shù)值模擬手段建立涵洞模型，研究了涵洞不同位置的土壓力變化規(guī)律。Kyungsik Kim等[5]采用數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，分析了涵洞與填土間相互作用機理，研究了不同設(shè)涵形式及不同土體和涵洞參數(shù)對高填方箱涵涵頂垂直土壓力變化規(guī)律的影響。楊錫武[6-7]通過模型試驗?zāi)M出3種不同地形條件下的涵洞，將理論土壓力值與實測土壓力值相比較，得出涵頂土壓力隨填土高度變化呈非線性增加的特點并闡明了拱效應(yīng)在涵洞應(yīng)力分布中所起的作用，提出了高填方涵洞土壓力計算的非線性公式。李盛[8]采用模型試驗方法研究了不同卸載結(jié)構(gòu)對高填黃土明洞土壓力的卸載作用，對土拱效應(yīng)的形成機理有了進(jìn)一步的認(rèn)識，為高填方涵洞土壓力卸載技術(shù)的研究提供了參考。趙建斌[9]依托實際工程，現(xiàn)場監(jiān)測高填方涵洞結(jié)構(gòu)拱涵所受垂直土壓力變化情況即拱圈的應(yīng)力變化并與FLAC3D數(shù)值分析結(jié)果相驗證，得到了涵頂土壓力變化規(guī)律及鄰近邊坡對涵洞受力的影響，對涵洞拱圈設(shè)計提出了建議。曹周陽[10]基于土體性質(zhì)對涵洞土壓力分布特征的影響，提出上埋式涵洞垂直土壓力系數(shù)的空間分布圖及數(shù)據(jù)表，使得涵洞土壓力計算更加合理。馮忠居，郝宇萌[11-12]采用離心模型試驗及有限元分析，揭示了涵洞頂部土壓力分布特性的成因并得出涵頂垂直土壓力計算公式。

本研究依托于山西省太原市東二環(huán)高速公路K6+926處高填方涵洞工程，采用數(shù)值計算及現(xiàn)場監(jiān)測的方法研究了不同設(shè)涵形式及填方高度對涵洞土壓力分布特征的影響，對工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

太原東二環(huán)高速公路凌井店至龍白段的重要組成部分，可為規(guī)劃的大太原都市圈提供快速便利的交通運輸服務(wù)。線路總體為南北走向，起點接平陽高速公路，終點接太舊高速公路。路線全長33 km，該線路2/3以上穿越黃土丘陵區(qū)，跨越90余道沖溝，填土高度變化大，從幾米至幾十米不等，而填土高度大于20 m的溝占一半以上[13]。線路將來可作為二連浩特至廣州高速公路的一部分，緩解東環(huán)高速的交通壓力，對完善山西省及國家高速公路網(wǎng)有著非常重要的意義。

根據(jù)沿線的地形地貌、地層巖性及水文地質(zhì)條件等工程地質(zhì)特征將線路區(qū)劃分為3個工程地質(zhì)區(qū)，即黃土丘陵區(qū)、山間河谷區(qū)、黃土覆蓋基巖低中山區(qū)。K6+926段屬于黃土丘陵區(qū)，該區(qū)主要工程地質(zhì)問題是Q3和Q2具有Ⅲ級自重濕陷性及弱濕陷性，N2紅黏土具膨脹性，黃土濕陷性是指黃土在一定壓力作用下受水浸濕后，結(jié)構(gòu)迅速破壞而產(chǎn)生顯著附加沉陷的現(xiàn)象，濕陷性黃土對路基工程有重要影響[14-15]，膨脹土對邊坡有影響，在濕脹干縮的循環(huán)作用下造成邊坡剝落。丘頂部分無地下水，邊緣和谷底有孔隙水，工程地質(zhì)條件總體上稍差。因此為滿足黃土沖溝地區(qū)對交通和排水的要求，高填方涵洞的設(shè)置愈加普遍，但高填方涵洞的設(shè)計及病害問題也尤為明顯[16-17]，為此對太原東二環(huán)高速黃土路基涵洞土壓力分布特征展開了研究。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型的建立

本研究采用CANDE-2007軟件建立涵洞模型，模型寬度為涵洞寬度的6倍。考慮到涵洞的對稱性，為了便于模擬和計算，采用軟件內(nèi)置的分析方法建立一半模型。模型邊界位移條件如下：模型底部為基巖，采用固定約束，限制該面在垂直方向上的位移；模型左右邊界及前后邊界約束其法向位移；頂部為自由面。涵洞基礎(chǔ)以下采用理想彈塑性本構(gòu)模型，基礎(chǔ)采用線彈性模型，填土采用鄧肯張模型，填土參數(shù)泊松比為0.44，初始切線模量為94.23，模指數(shù)n為0.92，Rf為0.63。

本研究采用室內(nèi)土工試驗獲取了原狀土及回填土樣的物理力學(xué)參數(shù)見表1。混凝土材料相關(guān)參數(shù)參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)確定[18]。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)[13]

為模擬回填過程，在數(shù)值模擬時采用分層回填的方式，填土高度由0.5 m逐級增加到70 m，回填過程分為20步加載完成。上埋式設(shè)涵過程為將涵洞建在天然地基上，再沿洞身兩側(cè)向洞頂逐層回填土并壓實；溝埋式設(shè)涵過程為先開挖容納涵洞的溝槽，再在溝底修筑涵洞，填土夯實。涵洞模型見圖1。

圖1 拱涵模型示意圖

2.2 上埋式涵洞土壓力及沉降分布特征

圖2(a)為填土高度20 m時上埋式涵洞垂直土壓力分布云圖，由圖可知，洞身兩側(cè)垂直土壓力較小，最小土壓力位于涵洞底部中心部位，最大土壓力出現(xiàn)在拱腳區(qū)域。涵洞沉降與其兩側(cè)土體有明顯差異，涵洞中心上方土體沉降值達(dá)3.85 mm，隨著與涵洞中心的水平距離越遠(yuǎn)，兩側(cè)土體的沉降值逐漸增加至4.48 mm，如圖2所示。

圖2 涵洞土壓力及沉降計算結(jié)果

為了便于分析，引入垂直土壓力系數(shù)，其是涵頂垂直土壓力大小與線性土壓力公式γH計算結(jié)果的比值。填土高度范圍為0.5～70 m，共10組涵洞模型，計算得到不同填方高度下涵頂垂直土壓力及垂直土壓力系數(shù)如圖3所示。

圖3 上埋式涵洞涵頂垂直土壓力及土壓力系數(shù)隨填土高度變化情況

隨填土高度增加，涵頂土壓力值及涵洞中心沉降值逐步增加，填土高度大于20 m后，垂直土壓力系數(shù)逐漸減小。在0.5 m填土高度的情況下，垂直土壓力系數(shù)0.98約等于1，說明涵洞頂部垂直土壓力與上覆土體自重幾乎相等。在高填方情況下，垂直土壓力系數(shù)大于1，即涵頂所受垂直土壓力大于上覆土體自重，在涵頂易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對涵洞受力有不良影響。

2.3 溝埋式涵洞土壓力及沉降分布特征

為了對比分析不同設(shè)涵形式對涵洞土壓力的影響，本研究采用數(shù)值計算方法研究了相同工況下溝埋式涵洞土壓力及沉降特征，涵洞模型如圖4(a)所示，涵洞土壓力分布云圖見圖4(b)。

填土高度20 m時溝埋式涵洞頂部，洞身及底部所受垂直土壓力較小，在涵洞拱肩處出現(xiàn)最小垂直土壓力，拱腳處垂直土壓力最大，如圖4(b)所示；涵頂壓力小于其兩側(cè)土體的垂直壓力。涵洞兩側(cè)未開挖部分土體沉降較小，沉降值穩(wěn)定在2.62 mm。涵頂中心土體沉降值達(dá)5.92 mm，距涵洞中心距離越遠(yuǎn)，土體沉降值越小，如圖5所示。填土高度從5～70 m變化時得到各高度下涵頂垂直土壓力及土壓力系數(shù)如圖6所示。

圖4 溝埋式涵洞模型及垂直土壓力分布云圖

圖5 溝埋式涵洞垂直方向沉降曲線

圖6 溝埋式涵洞涵頂垂直土壓力及土壓力系數(shù)隨填土高度變化情況

隨填土高度不斷增加，涵頂土壓力逐漸增長，垂直土壓力系數(shù)逐漸減小。在填土高度為5 m和10 m的情況下，土壓力系數(shù)大于1，涵頂垂直土壓力大于上覆土體自重，當(dāng)填土高度大于10 m時，土壓力系數(shù)小于1，表明涵頂垂直土壓力小于上覆土體自重。

2.4 不同設(shè)涵形式對涵洞土壓力影響對比分析

填土高度為5 m時，兩種設(shè)涵形式下的土壓力系數(shù)接近(如圖7所示)，可見低填方高度下，設(shè)涵方式對涵頂所受壓力影響較小。填土高度大于5 m時，上埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)隨填土高度增加而增大，并在填土高度為15 m時達(dá)到最大值1.19，此后垂直土壓力系數(shù)逐漸減小，直到填土高度70 m為止，但土壓力系數(shù)始終大于1。溝埋式涵洞的垂直土壓力系數(shù)隨填土高度增加而減小，填土高度在5～20 m 時土壓力系數(shù)迅速降低至1以下，填土高度大于20 m后下降速率減緩并穩(wěn)定在0.86附近。

圖7 拱涵涵頂土壓力系數(shù)隨填土高度變化

對于拱涵來講，填土高度為5 m時，兩種不同設(shè)涵形式下中心沉降值相近(如圖8所示)，其中心沉降值均隨填土高度的增加而近似線性增加，但溝埋式拱涵中心沉降值的增長速率始終大于上埋式拱涵。

圖8 拱涵中心沉降值隨填土高度變化

3 現(xiàn)場涵洞土壓力分布特征

3.1 監(jiān)測點布置

采用基康BGK4800/10型振弦式壓力傳感器配合自動化數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測并記錄高速公路K6+926處高填方片石混凝土上埋式拱涵土壓力。該涵洞高度及洞身平均寬度均為4.0 m，拱圈高1.66 m，基礎(chǔ)底寬14 m，長度為91 m[13]。涵洞標(biāo)準(zhǔn)洞身斷面尺寸如圖9所示。

圖9 涵洞標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

在涵頂上部土體中布置兩排10個監(jiān)測點埋設(shè)土壓力計，水平埋設(shè)的土壓力計測量垂直土壓力，兩個相鄰?fù)翂毫τ嬛g的距離為2 m。在涵洞洞身結(jié)構(gòu)上對稱布置4個傳感器，傳感器貼著拱身豎向埋設(shè)，測量該點水平土壓力，每側(cè)兩傳感器間的垂直距離為1.35 m。傳感器的布設(shè)位置及傳感器編號見圖10。

圖10 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果(單位：kPa)

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集儀記錄了涵洞施工完成3個月后，各監(jiān)測點土壓力值，2#,3#點位傳感器故障無數(shù)據(jù)(如圖10所示)。實測表明拱涵頂部垂直土壓力明顯高于其上部土體和兩側(cè)土體，表明涵頂出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。兩側(cè)對稱點位的實測土壓力基本相等，最大誤差不超過2.29%，表明該區(qū)域地形并未對兩側(cè)土體的垂直土壓力造成明顯影響。5#和10#點位上土壓力值均為同層最大，其兩側(cè)垂直土壓力值逐漸減小。以5#測點為例，此處實際填土高度為17.34 m經(jīng)計算填土自重293.05 kPa，而實測土壓力為361.23 kPa，因此涵頂垂直土壓力系數(shù)實測值為1.23。涵洞上部土壓力實測值大于理論值，涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。

由圖11 可見，第1層傳感器監(jiān)測的垂直土壓力數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬土壓力計算結(jié)果基本吻合。第2層土體實測垂直土壓力總體上大于數(shù)值模擬結(jié)果，但最大偏差值僅為2.72%，發(fā)生于5#監(jiān)測點。本研究實際監(jiān)測土壓力值高于理論計算值，分析其原因一方面是由于施工現(xiàn)場建筑材料堆載及大型施工機械重載導(dǎo)致實測土壓力值升高，另一方面是理論計算過程中對材料及邊界條件進(jìn)行了一定的概化，從而導(dǎo)致結(jié)果與實測有出入，因此在實際工程中要合理分析理論計算結(jié)果與工程實測結(jié)果的可靠性。

圖11 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對比

4 結(jié)論

文章采用CANDE有限元法研究了黃土沖溝地區(qū)高填方涵洞設(shè)涵方式及填土高度對涵洞垂直土壓力分布的影響，結(jié)合太原東二環(huán)高速公路建設(shè)工程對現(xiàn)場土壓力進(jìn)行了監(jiān)測，并對比分析了現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析的結(jié)果。結(jié)果認(rèn)為：隨填土高度增加，涵洞中心沉降值和涵頂土壓力逐步增加；填土高度超過20 m后，垂直土壓力系數(shù)逐漸降低，當(dāng)垂直土壓力系數(shù)大于1，即涵頂所受垂直土壓力大于上覆土體自重，涵頂易產(chǎn)生應(yīng)力集中。不同設(shè)涵形式的涵洞在低填方情況下，對涵洞土壓力影響較小；當(dāng)填方高度超過5 m后，隨填土高度增加，上埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)先增后減，而溝埋式拱涵垂直土壓力系數(shù)則迅速降低后趨于平緩。

通過將工程實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比可知，涵洞上部土壓力實測值大于其理論計算值，涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯。在實際工程中應(yīng)結(jié)合工程實際合理選擇填方高度及設(shè)涵方式，本研究工作為高填方涵洞設(shè)計施工中設(shè)涵方式及填方高度的選擇提供了參考依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

受工程施工條件及項目進(jìn)度的影響，本研究僅選擇了東二環(huán)高速建設(shè)項目的一處涵洞工程作為實際工程進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，因此對現(xiàn)場土壓力的監(jiān)測數(shù)據(jù)有限。后續(xù)隨著工程建設(shè)的進(jìn)行可繼續(xù)選擇典型涵洞工程作為依托工程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測研究，同時開展不同涵洞斷面形式、不同地形對高填方涵洞土壓力分布特征影響的研究，為實際工程建設(shè)及涵洞病害防治提供依據(jù)。