高填黄土明洞卸载结构的垂直土压力特性和计算方法研究

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1、高填黄土明洞卸载结构的垂直土压力特性和计算方法研究-->1绪论1.1研究背景及意义　　高填黄土明洞卸载结构的垂直土压力特性和计算方法研究-->1绪论1.1研究背景及意义我国黄土在华北、西北、东北等地分布广泛，主要集中在被称为中央黄土高原的山西、甘肃、陕西、宁夏等省区，以其地层全、厚度大、分布广和特殊的工程性质而闻名于世[1]。目前，随着黄土高原地区经济的不断发展，城市化进程空前加速，城市化范围也不断加大，这对城市日趋紧张的土地资源及交通发展带来了挑战。鉴于黄土高原地区山高、沟深的特点，削山、填沟造地成为了解决这一问题的重要途径，有力地缓解了城市用地紧

2、张局面，而这将不可避免的对一些既有以及将要新建的公（铁）路明洞进行高回填。对于既有明洞的高回填，由于初始设计缺少对后期高填方的考虑，新增的土压力将导致明洞衬砌强度及地基承载力不足，势必会造成结构开裂，基础不均匀沉降，严重影响明洞正常使用和耐久性。对于将要新建的高填黄土明洞结构，一方面明洞的修建能够缩短线路，改善线路运行条件；另一方面，由于高填土荷载大，将使结构厚实，混凝土用量大，施工技术要求高；再者，水泥水化产生热量较大，结构易产生裂缝，将严重影响明洞的耐久性。因此，为了减小实际作用在明洞洞顶的土压力，保证结构安全，采用卸载措施降低土压力就显得尤为重

3、要。目前，对于高填黄土明洞卸载结构特性及其土压力尚没有适宜的理论及计算方法，只能凭借隧道的土压力计算方法或经验公式进行计算，而不是针对高填黄土明洞卸载结构本身的受力特点进行计算。若土压力取值偏大，将导致设计过分保守，使结构造价及地基工程处理费用大大增加，造成经济上不必要的浪费；相反，若土压力取值偏小，则实际过大的土压力会导致结构物的开裂、渗漏或积水，甚至引起结构破坏、垮塌，影响安全使用。为了保证明洞结构正常使用要求，必须对其进行加固维修，难度通常较大，不仅花费大量的人力、物力和财力，而且施工中造成交通不畅，产生不良影响，给交通管理部门带来额外的经济负

4、担和巨大的社会压力。因此，高填黄土明洞卸载结构填土压力特性及大小的确定成为制约结构设计是否成功的关键。高填黄土明洞填土荷载大，跨度大，加之周围地形、地质情况复杂，使得明洞洞顶土压力受众多因素的影响。明洞及其卸载结构洞顶土压力主要受结构尺寸、边坡坡角、地基刚度、回填黄土特性等因素的影响，沿跨度方向的差异性比较大。此外，卸载材料(EPS板、土工格栅)特性及相互组合形式直接影响作用在明洞洞顶土压力的大小，即卸载率的大小。正确认识高填黄土明洞及其卸载结构土压力变化规律，明确各因素对明洞土压力的影响，并形成合理的理论计算体系，避免土压力过高或过低，使高填明洞结

5、构安全可靠、经济合理，即在准确指导高填明洞设计的同时，将显著降低高填明洞施工成本。因此，有必要对高填黄土明洞及其卸载结构土压力分布规律进行系统的试验和理论研究，并进一步得到其土压力计算方法，为该类结构的设计、施工提供理论指导和技术支持，并具有非常重要的理论意义和工程实际意义。......1.2国内外研究现状1.2.1高填明洞研究现状高填明洞设计方面，主要是侧重于如何通过改变几何型式、断面型式和地基刚度来适应高填土压力。何光洪（2012年）对深基高填明洞受力进行了分析，主要采用数值模拟方法分析了施工过程中结构的内力、变形及稳定性，同时，对内衬砌施作时机

6、对内、外衬砌内力的影响等也作了进一步分析[2]；黄明琦（2008年）对明洞回填前后结构安全性进行了评价，采用荷载-结构模型，通过数值模拟分析明洞回填前后结构安全性，计算结果表明，若要继续填土至设计标高，须对地基进行加固处理,增加填土内摩擦角，提高隧道周围土体的抗力,降低填土荷载[3]；阮映辉（2011年）对偏压明洞衬砌在不同洞顶回填倾角下的受力进行了分析，采用ANSYS建立有限元模型，分别计算5°、10°、15°、20°、25°填土坡度情况下，衬砌结构受力情况和结构安全性，随着回填倾角的增大，拱脚处截面轴力比弯矩的增长速率快[4]；程正明（2012年

7、）对厦门翔安海底隧道软基地段明洞不均匀沉降后的回填安全性和加固措施进行了研究，采用数值模拟建立荷载-结构分析模型，并根据现场情况，采取了有效的回填方案和后期加固处理措施，使不均匀沉降得到抑制，减小了裂缝的继续发展[5]；杨雄（2013年）对超大跨度明洞衬砌结构在超高回填荷载下结构几何型式和断面型式的选择进行了探讨，考虑结构的安全性、耐久性、经济性、施工可操作性，利用ANSYS建立有限元模型，研究适合于跨度大、回填荷载高的明洞衬砌结构[6]；童勇江（2010年）对明洞洞顶合理填土高度进行了分析，以一实际公路隧道明洞衬砌结构为例，采用ANSYS有限元建立

8、梁单元计算模型，计算2m、4m、6m、8m、10m不同填土高度下明洞衬砌结构变形、受力和安全性，得出了明洞衬