涵洞变形对洞顶垂直土压力影响的研究

论文摘要

涵洞在水利、铁路、公路等工程和市政建设及能源领域应用广泛。尤其在道路工程中,因其数量多、工程量占总工程比重大,其安全运行的重要性日益突出。但目前已有的涵洞结构物设计和施工规范及标准,存在着较为严重的缺陷和不足。尤其是沟埋式涵洞,虽然计算公式很多,但方法尚不成熟,都存在一定的局限性,同时现有理论关于涵洞大量的研究主要集中在作用于涵洞上的土压力的表现形式及土压力的数值计算理论上,而忽略了作为承力主体的涵洞本身及其变形对垂直土压力影响的研究。本文在对文献[73]、[74]所陈述的室内模型试验结果分析的基础上,结合有限元数值模拟,对涵洞变形及其对垂直土压力的影响作了系统深入的研究。模型试验以硬基、砂性填土条件下的刚性涵洞为研究对象,通过观测埋设于土体中的标志在分层填筑砂性土自重作用下的沉降位移,得到了不同填土高度下,矩形和梯形两种沟槽中涵洞填土沉降位移等值线图;通过埋设于涵洞附近压力盒的变形,获得方形和圆形两种断面涵洞周边土压力的分布情况。在此基础上,分析了洞顶垂直土压力系数Ks与填土高度H、沟槽底宽B以及开挖坡度m的关系。借助大型通用有限元软件ANSYS,选用试验参数,对所引模型试验进行模拟,得到填土竖向位移场及洞顶垂直土压力,进而与模型试验结果对比,验证了采用该程序模拟涵洞土压力的可靠性。在模拟刚性地基、刚性涵洞的基础上将模拟范围进行拓展,进一步研究在刚性地基条件下,涵洞变形对洞顶垂直土压力的影响。结果表明:填土沉降过程中,H/D≤10时,涵洞变形量随填土高度的增大而增大。刚性圆涵顶部垂直土压力出现应力集中现象,呈现中间大两边小的分布形态,在距离涵洞中轴0.40D范围垂直土压力分布均匀。矩形沟槽条件下, B/D=2～3时,a>0.62涵顶垂直土压力分布呈现中间大两边小的分布形态,a在0.18～0.62之间涵顶垂直土压力接近均匀分布,a<0.18涵顶垂直土压力分布呈现中间小两边大的分布形态;B/D=3～7时,a>0.62的涵顶垂直土压力分布呈现中间大两边小的分布形态,a在0.29～0.62之间涵顶垂直土压力接近均匀分布,a<0.29涵顶垂直土压力分布呈现中间小两边大的分布形态。在梯形沟槽条件下, B/D=2, m为0.25～0.75时,a<1.00的涵管顶部垂直土压力分布呈现中间小两边大的分布形态;1.00≤a<2.88涵管顶部垂直土压力近似均匀分布;a≥2.88的涵管顶部垂直土压力分布呈现中间大两边小的分布形态。本文的研究工作,重点是使用有限元模拟、分析涵洞变形对垂直土压力的影响,对工程中涵洞材料的选择和结构优化具有重要意义,得到了一些可指导工程设计和施工的结论和建议,但仍需实践的检验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 涵洞概述
• 1.1.1 涵洞的概念
• 1.1.2 涵洞的分类
• 1.2 研究背景
• 1.3 涵洞土压力研究动态
• 1.3.1 国外研究状况
• 1.3.2 国内研究状况
• 1.4 涵洞垂直土压力计算的典型理论及计算方法
• 1.4.1 涵洞垂直土压力的形成机理
• 1.4.2 涵洞垂直土压力的一般计算方法
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 沟埋式涵洞土压力模型试验结果分析
• 2.1 填土竖向位移场分析
• 2.2 涵洞顶垂直土压力分布分析
• 2.3 涵洞顶垂直土压力系数分析
• 2.4 小结
• 第三章 涵洞垂直土压力的有限元数值模拟
• 3.1 数值模拟方法概述
• 3.2 有限元法概述
• 3.3 ANSYS 有限元软件
• 3.3.1 ANSYS 概述
• 3.3.2 ANSYS 的模块结构
• 3.3.3 ANSYS 的模拟计算过程
• 3.4 涵洞土压力的有限元模拟
• 3.4.1 模型及参数
• 3.4.2 生死单元
• 3.4.3 土与结构的相互作用——摩擦单元
• 3.4.4 模拟结果与试验结果的对比
• 3.5 小结
• 第四章 涵洞变形对土压力的影响
• 4.1 计算模型及参数
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 参数选取
• 4.1.3 管土相对刚度
• 4.2 沟埋式涵洞填土沉降分析
• 4.3 涵洞变形
• 4.4 涵洞土压力分布
• 4.4.1 涵洞变形对土压力分布的影响
• 4.4.2 填土高度对土压力分布的影响
• 4.4.3 沟槽宽度对土压力分布的影响
• 4.4.4 边坡对土压力分布的影响
• 4.5 垂直土压力系数
• 4.5.1 沟槽宽度对垂直土压力系数的影响
• 4.5.2 涵管变形对垂直土压力系数的影响
• 4.6 涵管垂直土压力计算
• 4.6.1 垂直土压力折减系数η
• 4.6.2 涵管垂直土压力计算
• 4.7 小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 主要结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文