浅谈山区公路高填方涵洞土压力理论及加筋减载研究

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1、重庆大学博士学位论文山区公路高填方涵洞土压力理论及加筋减载研究姓名：杨锡武申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：张永兴20040418中文摘要摘要在西部山区高等级公路建设中，为了满足线形标准，充分剥用废方，防止水土流失，保护环境，填土高度在2(hn以上的高填方路基及与之相应的高填方涵洞已较为常见，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；有的高填方涵洞结构设计则过分保守导致工程造价的浪费。基于我国山区公路高填方涵洞由于结构设计缺乏较合理的土压力计算理论导致的高填方涵洞结构不安全或

2、过分保守浪费现实，本论文通过室内试验、数值模拟和现场试验及理论分析计算，对山区公路高填方涵洞的土压力计算理论和减载进行了系统、深入的研究，以期找出一种经济合理、安全可靠的高填方涵洞土压力计算理论和减载方法，论文所作研究工作和得出的成果如下：(1)研究了高填方涵洞的土压力变化规律。论文通过模型试验和数值模拟计算，研究了狭窄沟谷地形、宽坦沟谷地形、岸坡设涵和坡脚设涵四种边界条件下的高填方涵洞土压力随填土高度变化的规律，研究结果表明，在各种边界条件下，高填方涵洞涵项土压力变化规律相似，当填土达到一定高度后，仍有部分土压力传递到涵顶上，使高填方涵洞的土压力不随填土高度成线

3、性增加，土压力呈非线性变化，高填方涵洞的土压力明显低于理论土压力D=YH计算值。(2)研究了高填方涵洞上方的拱效应。模型试验和数值模拟计算结果表明，当填土达到一定高度后，高填方涵洞上方将产生明显的挟效应，但由于涵洞填土为破碎的岩土，其拱效应与岩石中开挖洞室上方的拱效应不同，高填方涵洞上方填土产生的“土拱”效应具有不稳定的特点，表现为随着填土高度的增加仍有部分土压力传递到涵洞上，涵顶土压力随填土高度成非线性增加。不稳定性是高填方涵洞拱效应的特点。(3)提出了高填方涵洞非线性土压力理论。论文根据不同边界条件、不同孔径、不同填料容重和不同涵洞结构形式的高填方涵漏土压力随

4、填±高度成非线性变化的规律，以及高填方涵洞上方拱效应具有不稳定性的特点，通过对模型试验成果和数值模拟计算成果的理论分析计算，提出了高填方涵洞非线性±压力理论和计算方法，即用o=I丫"(E、m是回归系数)计算高填方涵洞土压力的非线性士压力计算理论。把这种方法与其它地下涧室的土压力计算理论进行的对比分析结果表明，非线性土压力理论考虑了填土达到一定高度时在涵洞上方产生的拱效应以及土拱的不稳定性特点，其计算的土压力明显低于不考虑拱效应的低填方涵洞土压力计算值，但高于具有稳定土拱效应的地下洞室土压力理论得到的土压力。根据高填方涵洞土压力随填土高度变化规律及高填方涵洞上方拱效

5、应的特点，非线性土压力理论是一种较为安全可靠，经济合理的高填方涵洞土压力计算理论和方法。(4)根据模型试验和数值模拟计算结果得出了不同边界条件下的高填方涵洞非线性土压力计算公式，得出了当涵项填土高度小于16m时，采用线性理论计算涵洞的土压力，当涵顶填土高度大于16m时采用非线性土压力理论公式计算高填方涵洞土压力的结论。(5)提出了高填方涵洞加筋桥减载方法。“加筋桥”减载方法就是在高填方涵洞上方一定高度和宽度范围内，用压实度较小的土填筑，形成能压缩沉降的减载孔，在孔的上方一定高度范围内分层加筋填筑，形成加筋桥，利用减载孔内土体沉降大，而周围填土密实、沉降小形成的沉降

6、差，使加筋桥在填土荷载作用下挠曲变形，通过两端锚固在密实土层中的加筋把涵洞上方的垂直土压力传递到涵台外侧的土体上，从而达到减小涵顶土压力的减载目的。这种减载方法的特点是：减载结构受力机理明确，结构计算简单，易于施工操作，可以消除减载孔内填土沉降对路面的影响。(6)通过模型试验和数值模拟计算研究了加筋减载的效果、力学机理及影响减载效果的因素，结果表明，加筋减载的力学机理是加筋改变了涵洞上方的应力分布，把涵洞上方较高的应力通过加筋传递到涵台外两侧的土体上，从而达到减载的目的。(7)根据提出的加筋桥减载原理，建立了以极限平衡理论为基础的加筋桥减载结构计算力学模型，推导出

7、了加筋桥的荷载计算公式、加筋桥的加筋数量计算公式、加筋桥的长度计算公式等加筋桥减载设计公式，供加筋减载结构设计参考应用。(8)在室内试验、数值模拟和理论分析计算的基础上，修筑了试验工程，验证了高填方涵洞土压力随填土高度成非线性变化的规律以及加筋减载的良好效果，为高填方涵洞非线性土压力理论和加筋减载设计提供了现场试验依据。关键词：公路，高填方，涵洞，非线性，土压力，加筋桥，减载II英文摘要ABSTRACTTherearealotofhi曲fillstoutilizetheexcavationsandprotecttheenviromentin．thecourseof

8、highw