沙土填埋下拱涵顶部土压力系数数值计算.pdf

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1、第３７卷第１２期人民黄河Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１２２０１５年１２月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＤｅｃ．，２０１５【工程勘测设计】沙土填埋下拱涵顶部土压力系数数值计算程奇云１，２，李永刚１（１．太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原０３００２４；２．山西省水利建筑工程局，山西太原０３０００６）摘要：采用正交分析法对中国北方常见的沙性覆土条件下半圆拱涵顶部土压力系数进行试验设计，并通过有限元分析软件进行模拟试验研究。研究表明：在填土各因素中，内摩擦角对土压力系数影响程度最大，变形模量次之，泊松比最小。土压力系数随着内摩擦角的增大呈现增大的趋势，且其增长速率越来越小；土压力系数随变形模量的增大，呈现先增大

2、后减小的趋势；土压力系数随着泊松比的增大呈现增大趋势，且在泊松比为０．３０～０．３２区间内，增大趋势最为明显。关键词：有限元分析；泊松比；半圆拱涵；沙土指标；土压力系数中图分类号：ＴＵ４３２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１５．１２．０２７涵洞的结构计算以传统结构力学法为主［１］，但随土表面为自由面，不施加约束，在涵洞与土体接触的边着科技的进步和计算机的普遍应用，很多有限元分析界设置接触单元，目标单元选用Ｔａｒｇｅ１６９，接触单元采软件（ＡＮＳＹＳ、ＭＡＲＣ、ＡＢＳＱＵＳ）发展起来，这些软件也用Ｃｏｎｔａ１７１，接触单元的摩擦系数取０．４。被运用到涵

3、洞的受力和沉降变形的分析中［２－３］。填土采用Ｄｒｕｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ模型，单元类型则采用目前，国内外学者对涵洞及土压力进行了大量的平面二维４节点四边形结构单元，即Ｐｌａｎｅ４２。涵洞地研究，主要集中在不同工况下土压力计算方法［４－５］及基假设为刚性地基。涵洞结构、铺设方式等对土压力的影响方面［６－７］。而覆土性质对土压力系数影响的研究则较为少见，笔者２结果与分析研究了沙性覆土的性质指标（变形模量、泊松比、内摩本试验模拟填土中半圆拱涵涵顶的土压力系数随擦角）对土压力系数的影响。填土变形模量、泊松比及填土内摩擦角的变化情况。２．１各因素对土压力系数影响程度的分析１ＡＮＳＹＳ有限元模拟及计算模型

4、正交试验结果见表１，其中土压力经有限元分析１．１试验设计软件计算得出，土压力系数计算公式为沙性覆土条件下，黏聚力ｃ＝０，本试验选取３个Ｆ＝Ｋγｈ（１）影响因子，每个因子设计４个水平，采用正交试验式中：Ｆ为土压力，Ｐａ；Ｋ为土压力系数；γ为填土容［３法８－９］，共设置１６组试验。３个影响因子分别为变形重，Ｎ／ｍ；ｈ为填土高度，ｍ。模量Ｅ、泊松比μ及填土的内摩擦角φ。其中：变形模运用正交试验法中直观分析法对结果数据进行综量Ｅ的水平１～４分别为７、１１、１５、２０ＭＰａ；泊松比μ合比较。的水平１～４分别为０．３０、０．３２、０．３４、０．３５；内摩擦角根据正交试验法的原理可知：在各自因素的不同水平下

5、，试验结果具有可比性，即在因素Ａ（变形模φ的水平１～４分别为２０°、２５°、３０°、３５°。各因子水平的选取遵循在各自可能的范围内尽量平均分布的量）、因素Ｂ（泊松比）、因素Ｃ（内摩擦角）的各项试验原则。中，土压力系数Ｋ的变化只与相应的因素有关，而与其余因素无关。１．２计算模型计算模型主要针对上埋式拱涵建立，由于模型结构具有对称性，因此模型采用半幅设计，减轻计算的复收稿日期：２０１５０４０８杂程度及减少计算时间。计算宽度取基金项目：山西省自然科学基金重点项目（２０１２０１１０２５－２）。１０ｍ，计算高度作者简介：程奇云（１９８８—），男，山西原平人，硕士研究生，为涵洞高度的１０倍，为１５ｍ。侧向

6、边界节点竖直方研究方向为岩土工程。向为自由移动，即施加水平方向的约束；底部边界节点通信作者：李永刚（１９５８—），男，山西临汾人，教授，博士，研究方向为岩土工程。竖直、水平方向均不可移动，即施加全方向的约束；填Ｅｍａｉｌ：ｌｙｇｔｙｓｌ＠１６３．ｃｏｍ·１０３·人民黄河２０１５年第１２期结合正交试验结果表（表１）和正交试验分析表内摩擦角φ对土压力系数Ｋ的影响曲线（见图３）。（表２），由极差值的大小可以判断：在沙土填埋条件表１正交试验结果形下模，拱量涵顶部土压力系数受内摩擦角φ影响最大，变试验号变水形平模编量号Ｅ水泊平松编比号μ内水摩平擦编角号φ土试压验力结系果数ＫＥ的影响次之，泊松比μ的影响

7、最小。换言之，在这１１１１１．３４０５６１０２３３个因素中，内摩擦角φ是主要因素，内摩擦２１２２１．５６７８８６２７６角φ不同水平对应的土压力系数Ｋ间的差异最大。３１３３１．６８１３０２６４８原因是：在试验模拟的这种情况下，土压力系数的变化４１４４１．６５０３１１３９８５２１２１．５１７２４１９１６主要归因于内摩擦角φ引起的剪应力的变化，随着剪６２２３１．７２６４５６１９２应力的变化，土体微元应力