高路堤涵洞空间竖向压力理论及结构型式优化研究

论文摘要

随着山区高等级公路建设的增多，为了保证公路的服务质量，填土高度在20m以上的高路堤及与之相应的高路堤涵洞必然增多，但这些高填方涵洞由于缺乏合理的土压力计算理论和方法，使部分涵洞在施工或运营过程出现了不同程度的破坏病害，增加了养护维修费用；有的高路堤涵洞结构设计则过分保守导致资源的浪费。本文在分析了现行用于高路堤涵洞土压力计算的理论和方法，发现都是从平面的角度，进行路堤顶面对应的涵洞顶面竖向土压力的探讨，比较片面。作者试着从空间角度对高路堤涵洞系统的受力进行探讨，找到竖向土压力的计算理论和方法，以与涵洞的实际受力情况相符。本文主要内容共分六部分：(1)首先对现有的涵顶土压力理论和方法进行研究，发现都是从涵洞横向二维的角度，对路线中线相应的涵洞顶面竖向土压力的探讨，与路堤涵洞的实际受力情况不相符，比较片面，从而找到了研究的侧重点和主要内容，即研究路堤涵洞的三维空间受力情况。(2)在涵洞周围不同填土方案的情况下，通过室内试验，找到涵洞周围沿纵向不同位置上随填土高度的变化趋势。(3)在室内试验的基础上建立有限元模型，通过ABAQUS软件进行数值模拟，以检验有限元模型的正确性，并在此基础上建立实体有限元模型进行数值模拟，以得到在考虑集中应力效应和土拱效应的情况下，涵洞土压力随填土高度的变化趋势。(4)在考虑集中应力效应和土拱效应的情况下，推导出涵顶空间竖向压力的计算理论，并通过室内试验、数值模拟和现场试验进行验证。(5)从地基承载力出发，通过室内试验和理论计算得到高路堤涵洞地基承载力提高的途径和方法。(6)通过对涵洞、地基和填土作为一个相互作用的共同体系进行分析，得到一个优化的结构型式。通过室内试验、数值模拟、理论分析计算和现场试验验证，对高路堤涵洞的土压力计算理论进行了系统、深入的研究，得出了以下结论：(1)高路堤涵顶空间竖向土压力计算理论。①路线中线相应的涵洞顶面竖向土压力：在开始填筑时，涵顶土压力随填土高度成线性增加，与土柱理论土压力(γ~H)计算值相近；随填土的高度的增加，涵顶的土压力逐渐大于土柱理论土压力(γ~H)，充分体现了应力集中效应，此时土拱效应正在形成；当填土达到一定高度后，土拱效应逐渐超过应力集中效应，使涵顶的土压力逐渐小于土柱理论土压力(γ~H)。②路堤边坡对应的涵顶空间竖直土压力大于其上的土柱压力。③路堤边缘对应的涵顶空间竖直土压力小于其上的土柱压力。高路堤涵顶空间竖向土压力计算理论为涵洞结构沿纵向的优化提供理论依据。(2)高路堤涵洞周围的填筑方法。①涵洞两侧至少2．5倍范围内的路堤原地面填一层砂砾(或碎石土等)，然后进行冲击夯实，也可包括涵洞范围的原地面，使其压实度达到96％；②涵洞两侧填土应使用变形模量小的材料(比如砂砾)，并且施工过程中应进行分层夯实，达到或超过路基施工要求的压实度，填到涵顶面，以使涵洞上方填土形成具有一定“支承力”的卸荷拱，产生土拱效应。③涵顶的填土材料及压实度：在路堤顶面宽度对应的涵顶范围填不大于2m变形模量大的材料(比如砂或砂砾)，其上层再按要求进行分层压实，促使涵洞上方填土形成具有一定“支承力”的卸荷拱，产生土拱效应。(3)高路堤涵洞的地基承载力相对提高的途径和方法。①采用规范计算涵洞地基承载力时，基础埋深按涵洞顶面到基础地面的高度计算。②采用上述高路堤涵洞周围的填筑方法。(4)高路堤涵洞结构优化的型式。①涵洞、地基和填土作为一个相互作用的共同体系，在涵洞结构分析中应该考虑涵土共同作用，分析结果显示采用盖板与涵身刚结的盖板涵在受力性能上要优于盖板与涵身铰结的情况。②将涵洞的底板设计为仰拱形式可以改善涵洞结构的受力特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出---高路堤涵洞的概念
• 1.1.1 高路堤
• 1.1.2 涵洞
• 1.1.3 高路堤涵洞
• 1.1.4 研究背景
• 1.2 涵洞土压力理论研究现状
• 1.2.1 散体极限平衡理论
• 1.2.2 假定土压力和填土高度成比例的土柱法
• 1.2.3 土压力集中系数法
• 1.2.4 "卸荷拱"法
• 1.2.5 以弹性理论解为基础的计算方法
• 1.2.6 有限元数值分析法
• 1.2.7 杨锡武非线性土压力计算方法
• 1.3 高路堤涵洞地基研究
• 1.4 涵洞结构
• 1.5 本论文的主要研究内容及技术路线
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究的技术路线
• 第二章 高路堤涵洞系统室内试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 模型试验及其理论依据
• 2.2.1 模拟相似理论
• 2.2.2 模拟试验的相似材料选择、加载与测量方法
• 2.3 高路堤涵洞土压力模型的设计方案
• 2.3.1 涵洞模型的相似性分析及参数的确定
• 2.3.2 涵洞土压力的模拟相似分析及参数确定
• 2.3.3 模型的实验装置
• 2.3.4 测试项目
• 2.3.5 涵洞的土压力测试及分析
• 2.4 高路堤涵洞顶部土体成拱的模型设计方案
• 2.4.1 模型的实验装置
• 2.4.2 涵洞的土压力测试及分析
• 2.5 高路堤涵洞地基承载力的模型设计方案
• 2.5.1 涵洞地基承载力的室内模型
• 2.5.2 加荷程序
• 2.5.3 模型试验的数据整理及分析
• 第三章 高路堤涵洞系统数值模拟
• 3.1 有限元计算软件概述
• 3.1.1 数值模拟目的
• 3.1.2 数值模拟影响因素及模拟过程
• 3.2 土体的弹塑性理论
• 3.2.1 土体材料模型的发展
• 3.2.2 土体的弹塑性理论
• 3.2.3 土体的本构方程
• 3.3 高路堤涵洞模型与计算参数的确定
• 3.3.1 几何模型的选定
• 3.3.2 工况设计
• 3.3.3 计算参数的确定
• 3.4 计算结果的对比分析
• 3.4.1 工况0数值模拟及计算结果分析
• 3.4.2 工况1数值模拟及计算结果分析
• 3.4.3 工况2数值模拟及计算结果分析
• 3.4.4 工况3数值模拟及计算结果分析
• 3.4.5 工况4数值模拟及计算结果分析
• 3.4.6 各工况填土高度1.4m时涵洞横向土压力变化趋势对比分析
• 3.4.7 各工况填土高度1.4m时涵洞纵向土压力和位移变化趋势对比分析
• 3.5 实际涵洞数值模拟
• 3.6 小结
• 第四章 高路堤涵洞空间竖向压力计算理论
• 4.1 路中线位置对应的涵洞顶面土压力研究
• 4.1.1 室内模型路中心对应的涵洞顶面竖向土压力计算
• 4.1.2 涵顶对数规律土压力理论与其它土压力计算方法的对比
• 4.2 模型涵顶空间竖向土压力公式推导
• 4.2.1 模型涵洞顶面综合土压力计算
• 4.2.2 模型的理论计算
• 4.2.3 模型的理论计算与有限元模拟、模型实验的结果对比分析
• 4.3 实际涵顶空间竖向土压力公式推导
• 4.3.1 沿涵顶纵向土压力公式
• 4.3.2 实际涵顶空间竖向土压力公式
• 4.3.3 涵顶空间竖向土压力理论和数值模拟的对比分析
• 4.4 小结
• 第五章 考虑涵土共同作用的结构优化研究
• 5.1 结构分析方法概述
• 5.1.1 传统荷载结构设计法
• 5.1.2 结构与土体共同作用分析法
• 5.2 涵土结构共同作用原理及数值分析
• 5.3 考虑涵土共同作用的结构优化
• 5.3.1 涵洞结构盖板铰结和刚结计算假定
• 5.3.2 盖板涵的盖板铰结和刚结受力特性对比分析
• 5.3.3 底板为仰拱形式盖板铰结和刚结受力特性对比分析
• 5.3.4 仰拱形式底板对盖板铰结涵洞结构受力特性的影响
• 5.3.5 仰拱形式底板对盖板刚结涵洞结构受力特性的影响
• 5.4 小结
• 第六章 高路堤涵洞地基承载力研究
• 6.1 地基承载力的理论确定方法
• 6.1.1 按照极限平衡理论求解
• 6.1.2 假定滑动面方法求解
• 6.2 基础埋深和填土夯实对地基极限承载力的提高作用
• 6.2.1 基础埋深对地基承载力的提高作用
• 6.2.2 填土夯实对地基极限承载力的提高作用
• 6.2.3 高路堤涵洞基础的埋置深度确定
• 6.3 涵洞基础底平面压力对比分析
• 6.3.1 涵洞模型底平面压力对比分析
• 6.3.2 实际模型底平面压力模拟对比分析
• 6.4 涵洞沉降值的确定
• 6.5 小结
• 第七章 高路堤涵洞的现场测试
• 7.1 工程概况
• 7.2 现场试验结果及对比分析
• 7.2.1 现场测试布置
• 7.2.2 现场试验结果与数值模拟的对比
• 结论与建议
• 1.结论
• 2.本论文的主要创新点
• 3.建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表的论文
• 教研与科研项目
• 致谢