高路堤分层填筑作用下涵洞拱顶竖向土压力研究

重庆大学硕士学位论文高路堤分层填筑作用下涵洞拱顶竖向土压力研究姓名：鲁瑞林申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：张永兴20051001重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要随着西部大开发战略的推进，填土高度在20m以上的高路堤及与之相应的高路堤涵洞越来越多，但由于这些高路堤涵洞缺乏合理的竖向土压力计算理论和方法，使部分涵洞在施工或运营过程中出现了不同程度的损害，大大增加了养护维修费用；与此同时，有的高路堤涵洞结构设计则过分保守而导致工程造价的浪费。因此，高路堤涵洞设计的经济性和安全性问题正日益突出。基于高路堤涵洞拱顶竖向土压力计算理论和方法的不合理性，本论文依托重庆市重点工程金渝大道高路堤涵洞项目，通过布设测试元件进行现场测试、各种竖向土压力理论对比计算以及数值模拟分析等方法，研究了涵顶竖向土压力的分布与变化特征。研究结果对高路堤涵洞结构的设计和施工具有重要指导意义。并在此基础上，提出了减少高路堤下涵洞拱顶竖向土压力的有效措施。所做研究工作和得出的成果如下：(1)研究了高路堤涵洞的竖向土压力变化规律。通过现场测试和数值模拟分析表明，当填土高度达到一定值时，涵顶竖向土压力明显小于理论值γH，涵顶竖向土压力与填土高度呈非线性关系。(2)研究了高路堤涵洞的竖向土压力计算方法。通过线性回归分析和各种竖向土压力理论对比计算，指出非线性土压力公式(mH)计算土压力更接近现场实测值，进行涵洞结构设计既经济合理又安全可靠，是目前较合理的涵洞竖向土压力计算方法。(3)研究了高路堤涵洞上方的拱效应。通过现场测试和数值模拟分析表明，当填土达到一定的高度后，高路堤涵洞将在其上部形成“土拱”，该“土拱”具有不稳定的特征，填土增高过程仍有部分竖向土压力传递到涵顶。(4)研究了高路堤涵洞“土拱”的形成机理。通过现场测试和理论分析，涵顶填土沉降量大于两侧沉降量，“土拱”的形成与地基条件、涵洞位置、施工流程等因素关系密切。(5)研究了FLAC程序在高路堤涵洞中的运用。运用FLAC程序分析计算高路堤涵洞的竖向土压力，能较好地反映填土过程、地形条件及涵洞结构物对竖向土压力的影响，其计算结果非常接近现场实测数据。关键词：公路，高路堤，涵洞，非线性，竖向土压力，回归分析，减载重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTWithChinesewesterndevelopment,therearemoreandmoreabove20mhighembankmentsandcorrespondingculverts.However,becauselackofthereasonableverticalearthpressuretheoryfordesigningculverts,someofthemfailintheperiodofconstructionoraftercompletionofworkforusingsmallersizeofstructure,insomecaseculvertsunderhighembankmentsaredesignedtobearuncertainpressureswithoverbigsizeandleadtomorecost.Sotheissueofhowtodesigntheculverteconomicallyandsafelyisconcernedmoreandmore.BasedontheculvertunderJinyuhighembankmentofChongqingpriorityproject,theverticalearthpressuredistributionandchangecharacteristicarestudiedinthepaperthroughon-the-spotarrangementofthetestcomponents,calculationsofdifferenttheories,numericsimulationandsoon.Theresearchresultshaveinstructivetothedesignandconstructionoftheculvertunderhighembankment.Onthebasisofthese,thepaperputforwardtheeffectivemethodofreducingtheverticalearthpressureontheculvert.Thefruitsandtheworkofresearchinthethesisasfollow:(1)Thevariableprincipleofverticalearthpressuresontheculvertbeneathhighembankmentareinvestigatedinthethesis.Theresultsofthetestandthenumericsimulationshowthattheverticalearthpressuresareobviouslylowerthantheoreticalvaluebyσ=γH,thepressuresonthetopofculvertincreasenonlinearlywiththevariationofheightofembankment.(2)Thenonlineartheoriesofverticalearthpressurecalculationontheculvertbeneathhighembankmentareinvestigatedinthethesis.TheresultsofregressionanalysesandComparedthenonlineartheorywithothertheoryofverticalearthpressuresindicatethepressuresofnonlinearformulawithσ=ξγHmareveryclosetothetest,thepressuresfordesigningculvertaremoreeconomicandsafe,itisthereasonablemethodforverticalearthpressurecalculationatpresent.(3)Thearchingactionabovetheculvertunderhighembankmentisinvestigatedinthethesis.Theresultsoftestandnumericsimulationindicatethatthesoilarchingareformedabovetheculvertsunderhighembankment,instabilityisthecharacteristicofthesoilarching,andapartofpressureisstilltransferredtothetopofculvertwhentheheightoffillisincrease.重庆大学硕士学位论文英文摘要III(4)Howtoformthesoilarchingisstudiedinthethesis.Theresultsoftestandtheoryanalysesshowthatthesettlementsofsoilontheculvertarelargerthanthetwosides’,thesoilarchingarecloserelationwiththefoundationoftheculvert,thelocationoftheculvert,theprocedureofConstruction,andsoon.(5)TheuseofFLACprocedureontheculvertsunderhighembankmentisstudiedinthethesis.ThevalueoftheearthpressureontheculvertunderhighembankmentbytheFLACprocedurecanreflectwellforfilledprocess,thetopographyandthestructureofculvert,andsoon.Itsresultsarequiteclosetothetest.Keywords：Highway,HighEmbankment,Culvert,Nonlinear,VerticalEarthressure,RegressionAnalyses,LoadReduction重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1高路堤涵洞的概念1.1.1路堤路堤就是指高于原地面的路基[1]，或全部用土石填筑的路基。路堤在结构上分为上路堤和下路堤，上路堤是指路面底面以下0.80～1.50m范围内的填方部分；下路堤是指上路堤以下的填方部分。路堤按所处的条件和加固的类型不同，可分为软土路堤、沿河路堤、护脚路堤等。路堤按高度还可分为矮路堤、一般路堤和高路堤三种。矮路堤高度低于0.8m；水稻田或常年积水的地带，用细粒土填筑路基高度在6m以上，或其它地带填土或填石高度超过20m的称为高路堤。介于高路堤与矮路堤之间的路堤称为一般路堤。不同文献对高路堤的界定也有所不同，文献[2]规定高填方路堤的划分应根据填筑路堤处的地基情况和填料种类确定。当地基条件较好，如旱地、砂、砾、石质地基或季节性蓄水的稻田土等普通地基，填料为粗砂、中砂时，其边坡设计超过12m，即可称为高填方路堤，而填料为粘质土、粉质土、砂质土以及砾石土、卵石土和其它不易风化的石质填料，边坡设计高度超过20m时，才称为高填方路堤；对于地基条件较差，如软土及长年蓄水的稻田土等情况下，不论何种填料，当其边坡高度超过6m时，均称为高填方路堤。文献[3]明确指出路堤边坡最大设计高度，当路堤基底情况良好时，路堤边坡坡度可按表1.1采用：表1.1路堤边坡临界高度设计表Table1.1Criticalslopeheightofembankment’sdesigntable边坡最大高度(m)边坡坡度选用号填料类别Hh1h21:m11:m2截水沟外侧沟壁坡度1:n1一般粘性土208121:1.51:1.751:1～1：1.52碎石土、卵石土201281:1.51:1.751:1～1：1.53砾石土、粗砂、中砂1212—1:1.5—1:1～1：1.5表中的h1、1:m1与h2、1:m2是分别指路基上、下边坡部位的高度与边坡坡度。综合以上资料成果，并考虑高路堤竖向土压力分析的实用性和现场施工的可操作性，界定路堤高度H≥20m的为高路堤。重庆大学硕士学位论文1绪论21.1.2涵洞涵洞主要是为宣泄地面流水(包括小河沟)而设置的横穿路基的小型排水构筑物。按照《公路工程技术标准规定》(JTGB01-2003)规定：单孔标准跨径Lb＜5m和多孔跨径总长L＞8m(圆管涵及箱涵不论管径或跨径大小、孔数多少)均称为涵洞。(1)涵洞的组成涵洞是由洞身、基础和洞口建筑三部分组成的排水构筑物。①洞身洞身位于填土下面，是涵洞过水的主要部分，其作用是承受荷载与土压力并传递给地基，它应具有保证设计流量通过的必要孔径，同时本身要坚固稳定。②洞口建筑洞口建筑连接着洞身及路基边坡，应与洞身较好的衔接并形成良好的宣泄条件，它由翼墙、护底及防冲铺砌等构成。洞口分为进水口和出水口两个基本部分。③基础涵洞的基础对涵洞的质量具有重要影响，砖涵、石拱涵等都要求具有坚实的基础，其它类型的涵洞也要求基础不能有过大的沉降，而且沉降必须均匀。因此，涵洞应尽量避免设置在地基松软、坚硬不均匀或地质条件不良的地段，当地基过分松软而无法避让时，应采取对地基的加固或对地基的加强处理措施。(2)涵洞的分类[5][41]①按建筑材料分类涵洞按建筑材料分类，常用的有石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵、砖涵，有时也可用陶瓷管涵、铸铁管涵、波纹管涵、石灰三合土涵等。其中，石涵主要用于产石地区，可做成石盖板涵、石