周澤濤 李永剛

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 山西太原030024）

0 引言

涵洞是埋設(shè)在填土下的排水或通道構(gòu)筑物,從土壓力角度,公路涵洞屬于上埋式構(gòu)筑物,由于涵洞的變形模量遠(yuǎn)大于周圍填土的模量,使得涵洞上方土體與其兩側(cè)土體產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致涵洞頂部很大的附加壓力,從而引起涵頂?shù)拈_裂、破壞。尤其在填土較高的情況下,垂直土壓力更是決定結(jié)構(gòu)斷面尺寸的控制因素。顧安全[1]關(guān)于303座填土較高的上埋式涵洞的調(diào)查表明,結(jié)構(gòu)開裂的占63.5%,其中70%屬于縱向開裂。張衛(wèi)兵[2]所在的課題組對(duì)西南、西北地區(qū)5省區(qū)具有代表性的17條高速公路182個(gè)涵洞進(jìn)行了較詳細(xì)的實(shí)地調(diào)研,調(diào)查發(fā)現(xiàn)有近80%以上的涵洞存在不同程度的病害。可見,涵頂土壓力過大是發(fā)生病害的主要原因,研究涵洞的減荷對(duì)于減小涵頂垂直土壓力、保證涵洞的結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。目前常用的減載思路有中松側(cè)實(shí)、鋪設(shè)柔性填料、加筋橋、先填后挖等。本文提出一種新的減載方法供參考。

1 減載方法

涵洞剛度大于回填土體剛度，填土發(fā)生沉降以后，涵洞頂部土體的沉降量小于涵洞兩側(cè)土體的沉降量，在涵洞頂部土體與兩側(cè)土體之間會(huì)形成一個(gè)沉降差δ，如圖（1）。這個(gè)沉降差的存在，會(huì)導(dǎo)致涵洞兩側(cè)土體對(duì)涵洞頂部土體產(chǎn)生一個(gè)向下的摩擦力，加大涵洞頂部土體對(duì)涵洞的垂直土壓力。因之，可以通過減小內(nèi)外土柱之間的沉降差δ來減小洞頂?shù)耐翂毫Γ踔量梢圆扇∫恍┐胧1-5]，使得內(nèi)土柱的沉降量大于外土柱的沉降量，改變內(nèi)、外土柱之間的摩擦力的方向，進(jìn)一步降低洞頂?shù)拇怪蓖翂毫Α?/p>

圖1 沉降差示意圖

在剛性地基條件下，以混凝土箱涵為例，對(duì)上埋式涵洞洞頂土壓力進(jìn)行研究，在不采取任何措施的情況下，由于涵頂土體沉降量與涵洞兩側(cè)土體沉降量不同，沉降差的存在導(dǎo)致在涵頂兩側(cè)邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使涵頂?shù)拇怪蓖翂毫ψ兇?。此時(shí)，涵頂兩端處所受土壓力較大，而其余中間部位土壓力相對(duì)平均。據(jù)此在涵頂兩側(cè)易發(fā)生應(yīng)力集中處設(shè)置一定高度的混凝土塊體減載塊，如圖2。涵洞洞頂兩側(cè)添加減載塊后，減載塊剛度大于填土剛度，其頂部土體沉降小于兩側(cè)土體沉降，減載塊承擔(dān)了較多的本應(yīng)作用于涵洞頂板上的土壓力并將其傳遞給涵洞邊墻，使頂板（d段）土壓力減小。

本文利用ANSYS有限元軟件，分析減載塊對(duì)涵頂垂直土壓力的影響和涵洞頂板土壓力的減小。

2 有限元分析

ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件。具有多種分析能力，包括簡單線性靜態(tài)分析，復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析，產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，多場耦合分析，自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)等，它可用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題，目前已廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。ANSYS軟件主要有三大部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。ANSYS有兩種操作方式：用戶界面（GUI）方式和命令流方式。ANSYS軟件沒有為系統(tǒng)指定統(tǒng)一的單位，除了磁場分析外，可以在工程分析中使用任意一種單位制。

圖2 箱型涵洞

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)，將其作為平面應(yīng)變問題。本文主要以涵洞及其周圍的填土為主要模擬對(duì)象，將涵洞地基和周圍填土作為彈性介質(zhì)；對(duì)于涵洞，其材質(zhì)為鋼筋混凝土?？紤]涵洞外部寬為D與外部高h(yuǎn)相等，記洞頂填土高度為H。取上埋式涵洞兩側(cè)土體寬度為3倍的涵洞寬度，填土兩側(cè)施加水平約束，不施加垂直約束。地基為水平和垂直約束。取D=2m，涵洞邊壁厚20cm，減載塊寬度為20cm。填土用密實(shí)砂土，彈性模量為E1=25MPa，容重為r=18kN/m3，泊松比μ為0.22；鋼筋混凝土涵洞彈性模量為Eh=2.8×1010Pa，容重為r=25kN/m3，泊松比μ為0.167。模擬單元選用平面四節(jié)點(diǎn)的Plane42單元，目標(biāo)單元選用Targe169，涵洞與土體的接觸單元選用conta171，接觸單元摩擦系數(shù)取0.3。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

分析時(shí)填土高度比H/D＝0.5～20，減載塊高度比B（減載塊高度與涵洞高度比i/h）為1/20、1/10、3/20。

（1）土壓力分布

涵洞凈跨范圍的垂直土壓力為中間大兩邊小的分布。添加減載塊后，涵頂所受的土壓力發(fā)生了明顯變化，減載塊所帶來的涵頂土體沉降差以及減載塊本身對(duì)其兩側(cè)土體向上的摩擦力，使得靠近減載塊內(nèi)側(cè)一定范圍內(nèi)的涵頂受到的應(yīng)力減小，使作用于涵頂上的整體壓力也相應(yīng)減小。

圖3 涵頂土壓力分布圖

不同的減載塊高度對(duì)洞頂垂直土壓力的影響范圍不同，填土高度比H/D=5時(shí)的涵頂土壓力分布如圖3.所示。圖中五個(gè)系列為減載塊高度比B為0、1/20、3/40、1/10、3/20的情況。減載塊高度比B＝1/20時(shí)，減載塊對(duì)涵頂土壓力的影響范圍為凈跨的60%，B＝3/40、1/10、3/20時(shí)，減載塊對(duì)涵頂全跨土壓力均產(chǎn)生影響。B越大，其影響越大。

（2）垂直土壓力系數(shù)

取涵洞頂板凈跨范圍的土壓力平均值與土柱壓強(qiáng)的比值為垂直土壓力系數(shù)K。不同加減載塊高度和不同填土高度時(shí)的垂直土壓力系數(shù)如圖4.所示。

圖4 土壓力系數(shù)變化曲線圖

土壓力系數(shù)總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。減載塊的承載作用，使頂板的土壓力轉(zhuǎn)嫁給減載塊，頂板土壓力快速減小，減載塊高度比為1/20、1/10、3/20時(shí)的土壓力系數(shù)較無減載塊情況時(shí)分別減少10%、20%和30%。

3 結(jié)語

有限元分析結(jié)果表明，在箱涵洞頂兩側(cè)的減載塊，對(duì)涵洞頂板的土壓力具有重要影響。減載塊高度比等于1/20時(shí)，減載塊對(duì)涵洞頂60%凈跨的土壓力有影響，減載塊高度比大于1/20時(shí)，減載塊對(duì)涵洞頂板全跨土壓力均有影響。減載塊高度比分別為1/20、1/10、3/20時(shí)的土壓力系數(shù)較無減載塊情況分別減少10%、20%和30%。

[1]汪顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1981(1):3-15.

[2]張衛(wèi)兵.西部山區(qū)高填路堤涵洞病害及其防治對(duì)策[J].中外公路，2007,27（1）：35-39.

[3]曹周陽.高填土涵洞減荷試驗(yàn)研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2010,11（2）：1672-1683.

[4]郭婷婷.減荷措施下涵洞土壓力與填土變形數(shù)值計(jì)算[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010,12（5）：1671-1637.

[5]馬強(qiáng).高填方涵洞減載機(jī)制與數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2010,（S1）.