高填方涵洞顶垂直土压力影响因素分析

蔡天佑,魏红卫,张刘刚

(中南大学土木建筑学院)

0 引 言

近年来,随着交通基础建设的快速发展,我国的公路从人口密集的平原向人口稀少的山区延伸,这使得山区高等级公路越来越多,为满足山区高等级公路的线形标准要求,高填深挖路基不断增加,而高填方地区一般为地势低洼的地带,为满足排水的要求,在这些高填方路段必须修建高填方涵洞,为确保涵洞的安全使用,如何合理正确地分析、计算涵洞结构就成为一个亟待解决的重要课题,而其中涵顶垂直土压力大小的确定更是关键。

在研究高填方涵洞的工作机理时,涵洞周围土体既是作用在涵洞上的荷载,又是参与变形的一种介质,因此,必须把涵洞周围一定范围内的填土体作为结构的一部分加以考虑,另外,涵洞的应力与涵洞的尺寸、填土厚度、施工方法、原始边界条件等因素有关,很难简单的用公式来概括这些因素,避开探求复杂的计算公式而采用数值分析方法是比较好的解决途径之一,近些年来,随着计算机的普及和有限元法的广泛应用,已有学者将有限元法应用于涵洞土压力的计算,并取得了一些有益的成果。

本文在已有研究的基础上,采用数值模拟方法,建立涵洞数值模型,根据现场实测资料验证模型的合理性,在此基础上提出一些合理的建议。

1 工程概况

广州市北二环高速公路K 29+610处高填方钢筋混凝土盖板涵,涵板采用 30#混凝土,涵墙采用 25#混凝土,基础采用 20#混凝土含 25%的片石混凝土,涵顶最大填土高16.9m。

2 有限元模型

2.1 单元类型及材料参数

对于高填方涵洞,可看作置于弹塑性介质中的一无限长弹性体,沿实体纵向垂直取单位长度的一段,作平面应变问题处理,因此,计算中选择简单且常用的平面四节点单元,即Plane42模拟涵洞和土体,该单元同时适合于线弹性材料和弹塑性Drucker-Prager材料模型。填土、涵洞材料参数取值参照文献,其它参数根据其一般取值范围选取,见表 1。

2.2 模型方案

将填土分为涵侧填土和涵顶填土,根据涵侧填土压实程度以及在涵侧回填卵石,设计 3种模型方案,见表 2。

表 1 材料计算参数

表 2 模型方案

2.3 计算求解

由于涵洞结构的几何实体具有对称性,有限元计算建模时取几何实体的一半进行。考虑涵洞与填土的共同作用,在涵洞与填土之间设置接触单元,根据取填土与涵洞间的摩擦系数 0.2。在众多关于涵洞结构受力分析的论文中,许多数值模拟计算,不管作者使用的分析软件是MARC、FLAC还是ANSYS,都采用的是整体计算,即假设在瞬时将全部载荷施加到整个结构上,而不考虑实际施工中荷载的逐级施加。与之相对的分层加载计算则能体现结构和回填土体本身应力和变形随施工过程的变化,更好地体现了材料的非线性,因此是符合实际的。ANSYS软件中单元生死控制正好可以用来模拟填土的过程 。本文分别采用整体法和分层法计算MX1,其中分层计算中按 1m一层加载,总共分了 25层。

可见:图 3最大位移出现在填土表面,并越向下位移越小,这显然与实际不符;图 4最大位移则出现在填土中间部位,填土表面位移最小,这与实际情况十分符合,由此可知分层计算比整体计算的结果更接近实际情况,本文分析采用分层计算的结果。

3 结果分析

3.1 模拟结果与实测资料比较

涵顶垂直土压力值为318号和 328号土压力盒测得,将MX1方案计算的土压力值与现场实测值进行比较,见图 1。

由图 1可知,MX1的涵顶土压力计算值与实测值接近,说明模型的建立是合理的。

3.2 涵侧填土压实程度和回填卵石对涵顶垂直土压力的影响

由于填土在同一平面的不同部位产生变形量的大小不相同,从而引起涵洞顶填土变形的沉降差δ,但当填土高度增加到一定高度后,沉降差变为零,形成等沉面,如图 2所示,将填土以涵洞宽度 D为界,分为内土柱和外土柱,若涵洞顶平面外土柱的沉降大于内土柱的沉降,则沉降差为 +δ,反之为-δ。当沉降差为+δ,外土柱将一部分荷载通过摩阻力转嫁给内土柱,导致涵洞上土压力增大;而沉降差为 -δ,内土柱则将一部分荷载通过摩阻力转嫁给外土柱,导致涵洞上土压力减小。

图 1 MX1计算值与实测值比较

基于上述原理,本文建立 MX2模型,考虑涵侧填土未压实情况;建立 MX3模型,考虑涵侧回填卵石情况,将 MX1、MX2和 MX3的计算值进行比较,如图 7。

由图 3可知,MX2计算值明显大于 MX1的,说明在涵侧填土未压实的情况下,涵洞的内外土柱沉降差进一步加大,导致涵顶附加土压力也增大;MX3计算值明显小于 MX1,说明在涵侧回填卵石后,由于卵石的压实性较好,其自身压缩沉降较填土小,因此可以减小涵洞的内外土柱沉降差,从而减小涵顶附加土压力。另外,关于涵侧回填卵石的厚度,本文先后计算了 1/4涵高(2m)、1/2涵高(4 m)、3/4涵高(6m)的情况,发现在 1/2涵高时与 MX3计算值就很相近了,说明回填卵石厚度不一定要达到全部涵高,回填 1/2涵高左右厚度的卵石即可。

图 2 填土沉降差示意图

图 3 MX 1、MX 2、MX3 计算值比较

4 结 论

本文采用整体分析方法,取涵洞结构和周围土体为研究对象,考虑土—结构相互作用,采用较精细的有限元网格对涵洞进行应图 3MX1、MX2、MX3计算值比较力分析,由此得出以下结论。

(1)涵侧填土压实程度影响涵顶垂直土压力大小,较好的涵侧填土压实效果将能有效地降低涵洞顶的垂直土压力,因此,在涵洞回填施工过程中,要尽量保证涵侧压实。

(2)可以在涵侧回填卵石,回填厚度在 1/2涵高左右,这样可以有效的减小涵顶附加土压力。

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