王雯璐 張建鋒 李印霞

(1.河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

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基于分布角法的涵頂土壓力研究★

王雯璐1，2張建鋒1李印霞1

(1.河南工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191; 2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026)

為了研究沿涵洞縱向不同位置的涵頂豎向土壓力的分布規(guī)律，基于分布角法推導(dǎo)了土壓力計算法，分析了土壓力沿涵洞縱向的分布規(guī)律，探討了拱效應(yīng)，結(jié)果表明涵頂拱效應(yīng)使規(guī)范的“土柱法”計算值偏大，結(jié)構(gòu)過于安全而不經(jīng)濟。

高填方涵洞，豎向土壓力，分布角法，拱效應(yīng)

為了保護綠色生態(tài)環(huán)境，合理利用開挖路塹的土石方，山區(qū)高速公路常修建高路堤取代橋梁。高路堤涵洞上方的填土高達幾十米，是典型的高填方涵洞。歐美國家為了保護自然山體完整和沿線風(fēng)光，很少修建高填方涵洞，較多的是采用明涵。國內(nèi)，鄭俊杰考慮到涵頂和涵臺的土壓力差，根據(jù)涵頂豎向力的平衡分析了土壓力的分布規(guī)律；寧寶寬根據(jù)Winkler彈性地基條件和Marston公式推導(dǎo)了蓋板涵豎向土壓力。我國的JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范推薦的土柱法未考慮拱效應(yīng)和涵洞受力機理，使得設(shè)計荷載偏大，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于保守而不經(jīng)濟，影響施工質(zhì)量和高速公路的運營。對于高填方涵洞，多是研究不同填土高度下豎向土壓力的規(guī)律，很少研究路堤邊坡對涵頂豎向土壓力的影響，即沿著涵洞縱向豎向土壓力的分布規(guī)律。本文基于分布角法，探討了距離涵洞口不同位置即沿涵洞縱向不同位置時涵頂豎向土壓力的計算方法。分析了豎向土壓力沿涵洞縱向的分布規(guī)律，探討了拱效應(yīng)，討論了基于分布角法的土壓力計算值和按照J(rèn)TG D60—2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范計算值的誤差，用于指導(dǎo)高填方涵洞豎向荷載計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 計算模型

沿著涵洞縱向頂面建立x軸，涵洞高度方向建立y軸，如圖1所示。假設(shè)路基寬度為W，邊坡坡度為1∶n，涵洞上部填土高度為H，土體重度為γ，豎向土壓力的擴散角為2α。豎向土壓力計算模型見圖2。

(1)

(2)

3)當(dāng)X位于EF內(nèi)時，即X∈(H(n+tanα)，H(n-tanα)+W)時，土壓力的計算式為：

(3)

2 計算結(jié)果分析

不同填土高度沿涵洞縱向不同位置采用分布角法和規(guī)范計算的涵頂土壓力如表1～表3所示。

表1 涵頂填土12 m距涵洞口不同位置的土壓力

表2 涵頂填土16 m距涵洞口不同位置的土壓力

表3 涵頂填土20 m距涵洞口不同位置的土壓力

1)在不同的填土高度和涵洞不同縱向位置的條件下，分布角法計算的涵頂豎向土壓力和規(guī)范計算結(jié)果較接近，說明基于分布角法的土壓力算法是可行的。如填土16m時，距涵洞口較近(4m和8m)的計算值(91kPa和181kPa)和規(guī)范值(320kPa)差別較大，其他觀測點結(jié)果較接近。

2)相同填土高度時，距離涵洞口不同距離的土壓力變化規(guī)律說明高填方涵洞沿縱向存在“拱效應(yīng)”。

涵洞填土達到20m時，位于涵洞口16m的涵頂土壓力計算值319kPa，小于規(guī)范值400kPa。說明涵頂填土達到一定高度時，土體發(fā)生壓縮和變形，土顆?；ハ嘈ňo，形成自然土拱。若使用規(guī)范的“土柱法”設(shè)計涵洞會使結(jié)構(gòu)過于安全而不經(jīng)濟。

3 結(jié)語

1)涵洞縱向不同位置的涵頂豎向土壓力的計算值和規(guī)范值較接近，基于分布角法計算豎向土壓力是可行的。

2)沿涵洞縱向長度的增加，涵頂產(chǎn)生拱效應(yīng)，采用規(guī)范的“土柱法”計算結(jié)果偏大，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計過于安全而不經(jīng)濟。

[1]KarinskiYS,DancygierAN,LeviathanI.Ananalyticalmodeltoevaluatethestaticsoilpressureonaburiedstructure.EngineeringStructures,2003,25(1):91-101.

[2]鄭俊杰,趙建斌,陳保國.高路堤下涵洞垂直土壓力研究.巖土工程學(xué)報,2009,31(7):1009-1013.

[2]寧寶寬,龔 雷,范 鶴，等.路堤下蓋板涵的豎向土壓力分布.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,35(3):345-349.

[3]JTGD60—2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.

[4]王雯璐，趙江鵬，趙大軍，等.圖琿高速公路高填方涵洞涵頂豎向土壓力試驗.廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,38(6):1272-1276.

Studyonculvertearthpressurebasedondistributinganglemethod★

WangWenlu1，2ZhangJianfeng1LiYinxia1

(1.Henan Institute of Engineering, Resources and Environmental Engineering Department, Zhengzhou 451191， China；2.Jilin University, College of Construction Engineering, Changchun 130026， China)

Toinvestigatethepatternofverticalearthpressureonlongitudinalculvert,basedondistributinganglemethod,thecalculationmethodofverticalearthpressurewasdeduced.Thelawofearthpressurewasanalyzedandthearchingeffectwasdiscussed.Thecalculatedresultsby“soilcolumnmethod”incodewaslarge.Structureisnotcost-efficientbecausedesignistoosafe.

high-fillculvert，verticalearthpressure，distributinganglemethod，archingeffect

1009-6825(2015)01-0147-02

2014-10-23 ★：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973”項目(項目編號：2010CB731503)；吉林省交通廳科技項目

王雯璐(1983- )，女，講師，在讀博士； 張建鋒(1979- )，男，講師； 李印霞(1984- )，女，講師

U449.31

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