鄭俊杰， 羅德丕， 馬 強， 寇宏剛， 周大慶

(1.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074;2. 貴州省公路工程集團總公司， 貴州 貴陽 550008)

山區(qū)高速公路通涵構(gòu)造物受力機理復(fù)雜，影響因素眾多，其受力特性不僅與結(jié)構(gòu)物的埋設(shè)方式(上埋式或者溝埋式)有關(guān)，還與地形條件、地質(zhì)條件、填料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)物幾何尺寸等諸多因素有關(guān)[1]。正確認(rèn)識涵洞周圍土壓力分布規(guī)律，開展涵洞受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力研究，對預(yù)制裝配式涵洞設(shè)計施工都具有重要的意義[2]。

目前為止，涵洞受力影響因素及涵頂土壓力計算已有不少的研究成果，這些工作主要通過試驗[3～5]和有限元計算[5,6]研究不同填土高度的涵洞的受力狀況，分析涵頂填土的成拱效應(yīng)。也有涵洞選型以及基礎(chǔ)設(shè)計的研究成果[7～9]，但是針對預(yù)制涵洞構(gòu)件內(nèi)力的相關(guān)分析較少。目前設(shè)計采用規(guī)范中線性土壓力假設(shè)[10]，預(yù)制構(gòu)件搭接強度的確定也缺少依據(jù)。此外，在山嶺地區(qū)，涵洞數(shù)量眾多，現(xiàn)澆混凝土涵洞施工周期一般較長，且施工質(zhì)量難以保障，往往會影響高速公路工期和結(jié)構(gòu)安全。

本文介紹了預(yù)制裝配式涵洞施工的新工法，對預(yù)制蓋板涵周圍土壓力分布規(guī)律和涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行了分析，對涵洞側(cè)墻與基礎(chǔ)搭接處進行了強度驗算，為預(yù)制裝配式涵洞構(gòu)件的設(shè)計與施工提供了理論依據(jù)。該施工方法正在申請國家發(fā)明專利。

1 裝配式涵洞施工工法簡介

混凝土涵洞在現(xiàn)場澆筑后，必須要等強度達(dá)到設(shè)計強度的75%后，方可進行后續(xù)工序的施工。所以混凝土現(xiàn)澆施工影響了路堤施工的進度。為了解決該問題，本文作者提出了一種涵洞快速施工的新方法——裝配式涵洞施工工法，并在貴州惠興高速公路第七合同段工程中首次應(yīng)用，取得很好的效果。

該工法將涵墻、蓋板在預(yù)制場進行集中預(yù)制，基礎(chǔ)采用C20片石混凝土，通過現(xiàn)場澆注，待基礎(chǔ)混凝土達(dá)到一定強度之后，進行涵墻、蓋板的安裝。基礎(chǔ)表面在涵洞墻身安裝部位預(yù)留5.0 cm深度的凹槽，采用35 t雙鉤門吊將涵洞側(cè)墻吊裝就位，置于槽中，如圖1所示。涵洞墻身頂部安裝臺帽，蓋板擱置在臺帽上，以避免涵洞墻身壓壞。墻身與基礎(chǔ)和臺帽之間采用C25自密實混凝土進行粘結(jié)。

圖1 涵洞拼裝現(xiàn)場

本文以惠興高速公路K73+550涵洞為例來分析該安裝工法的結(jié)構(gòu)安全性，涵洞側(cè)墻與基礎(chǔ)連接處如圖2所示。

圖2 涵洞側(cè)墻與基礎(chǔ)連接示意/cm

依據(jù)本工程涵洞結(jié)構(gòu)的特點及預(yù)制安裝工法，預(yù)制涵洞結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的破壞形式主要為：(1)涵墻內(nèi)側(cè)與基礎(chǔ)凸起部位擠壓致使基礎(chǔ)混凝土擠裂破壞；(2)側(cè)墻傾覆破壞。

2 計算模型

本文的數(shù)值模擬采用PLAXIS軟件。計算模型包括幾何模型與材料模型，模型選用得當(dāng)與否，會直接影響到計算結(jié)果的精度以及能否反映結(jié)構(gòu)真實的受力情況。

2.1 幾何模型

為了反映現(xiàn)場實際情況，數(shù)值模擬選用惠興高速公路K73+550預(yù)制裝配式蓋板涵的實際幾何條件，數(shù)值模擬涵洞路段的斷面尺寸如圖3所示。

圖3 蓋板涵斷面/m

將涵洞簡化為平面應(yīng)變模型進行分析，采用15節(jié)點三角形單元進行網(wǎng)格劃分，同時考慮涵洞、填土以及邊坡之間的摩擦作用，即在其接觸面上使用接觸單元。模型底部采用固定約束模擬基巖，模型左右邊界采用水平向約束。

2.2 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

涵洞洞身、基礎(chǔ)及巖石邊坡采用理想彈性模型。地基土和填土采用理想彈塑性模型，由于它們都是散體材料，此類材料抗壓強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，故采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則描述此類材料的強度準(zhǔn)則。表1所列為模型中各材料參數(shù)取值。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，基礎(chǔ)以下回填碎石土和路堤填土大多為隧道出渣，集料粒徑大且級配不均勻，為了反映現(xiàn)場的實際情況，基底回填土和路堤填土材料的黏聚力都取為零，內(nèi)摩擦角取值大一些，并且假設(shè)當(dāng)材料受剪時，顆粒將不會發(fā)生體積膨脹，故膨脹角取為零。

表1 計算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 涵周土壓力

要分析涵洞結(jié)構(gòu)受力，首先要準(zhǔn)確確定作用在涵體上的荷載。通過數(shù)值模擬，得到了填土高度為8 m時，涵周土壓力的大小及分布(圖4)。

圖4 涵周土壓力分布

由圖4可看出，涵頂壓力在靠近蓋板兩端的支撐點處是跨中位置處的1.5倍左右，這種差異是由于板的撓曲變形所具有的卸荷作用引起的。此外，由于涵洞到左右邊坡的距離不等，涵頂垂直土壓力左側(cè)大于右側(cè)。涵洞臺背土壓力分布呈拋物線形，在上下邊緣處較小，距離底端1/2～2/3處最大。因此，《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61-2005)中涵頂均布垂直土壓力與臺背梯形土壓力計算假設(shè)存在一定的不合理性，使目前涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計過分保守或不安全。

3.2 涵體結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在圖4所示土壓力作用下，涵體結(jié)構(gòu)剪力和彎矩分布如圖5和圖6所示。

圖5 單位長度涵體剪力

由圖5可以看出，蓋板剪力在板邊支座位置最大，涵洞側(cè)墻剪力下部較小，上部較大。剪力上大下小是由于作用在側(cè)墻上的水平土壓力不規(guī)則分布引起的。

圖6 單位長度涵體彎矩

由圖6可以看出涵洞結(jié)構(gòu)在蓋板跨中以及與側(cè)墻對應(yīng)位置的基礎(chǔ)底部彎矩最大，經(jīng)驗算滿足受彎構(gòu)件的強度要求。

在圖4所示土壓力作用下，涵洞側(cè)墻和基礎(chǔ)的軸力如圖7和圖8所示。

圖7 側(cè)墻軸力

圖8 基礎(chǔ)軸力

為計算側(cè)墻對基礎(chǔ)頂部凸起部位的推力，將涵洞側(cè)墻與基礎(chǔ)之間的摩擦力作為安全儲備(計算時不予考慮)，涵洞基礎(chǔ)的軸力如圖8所示。

由圖8可看出，涵洞基礎(chǔ)軸力在側(cè)墻以內(nèi)很大，在側(cè)墻兩側(cè)很小?；A(chǔ)在側(cè)墻內(nèi)外位置處軸力之差是由側(cè)墻對基礎(chǔ)的水平推力引起的。因而，在側(cè)墻與基礎(chǔ)搭接處，作用于凸起部位的推力大小為基礎(chǔ)在側(cè)墻內(nèi)外的軸力之差：

P=75-9.5=65.5 kN

3.3 側(cè)墻及其與基礎(chǔ)連接處的驗算

側(cè)墻底端對基礎(chǔ)的水平推力由涵臺嵌入基礎(chǔ)底板凸起部位5 cm高度的混凝土提供。由于涵臺嵌入基礎(chǔ)底板的深度不大，需在嵌入部位處進行正截面抗壓強度驗算。該部位抗壓承載力為：

Pa=fcA1=9600×0.05×1=480 kN，

其中fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，A1為沿涵洞軸線單位長度凸起的面積。故而Pa>P,嵌入深度可以滿足正截面抗壓的要求。此時，凸起部位抗壓安全系數(shù)為：ηc=Pa/P=7.3。

Vb=65 kN≤0.25βcfcbh0=0.25×1.0×9.6×1×2=4800 kN，

其中βc為混凝土強度影響系數(shù)，對于混凝土強度不超過C50時，取1.0；因此，基礎(chǔ)頂部凸起部位的抗剪符合要求。

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬研究了預(yù)制裝配式蓋板涵涵周土壓力分布規(guī)律，對涵洞預(yù)制構(gòu)件內(nèi)力進行了分析，對涵洞側(cè)墻與基礎(chǔ)搭接部位進行了強度及穩(wěn)定性驗算，得到了以下主要結(jié)論：

(1)涵周土壓力分布呈非線性，蓋板上垂直土壓力中間小，兩側(cè)支撐點大。側(cè)墻土壓力分布呈拋物線形，最大土壓力位于距底端1/2～2/3處。基底最大壓力約等于結(jié)構(gòu)和上覆土體自重壓力。涵洞設(shè)計計算時應(yīng)考慮非線性土壓力的影響。

(2)利用預(yù)制裝配式涵洞施工工法進行蓋板涵施工時，涵洞側(cè)墻與基礎(chǔ)底板搭接處強度要求可根據(jù)側(cè)墻底端剪力或底板軸力進行確定?；A(chǔ)頂部凸起5 cm可為側(cè)墻提供足夠的水平抗力，拼裝結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

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