孫仁浩， 丁 飛， 張 杰， 劉 暢， 張雨薇

(中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230071)

0 引 言

近年來(lái)，隨著公路、鐵路、水利水電、機(jī)場(chǎng)等一系列工程建設(shè)的開(kāi)展，越來(lái)越多地遇到深填方工程。一般地，為了滿足填方區(qū)域的排水或人行需求，需在填筑體下修建涵洞。我國(guó)多個(gè)規(guī)范中對(duì)地下涵洞的土壓力計(jì)算有著不同的規(guī)定，且按各個(gè)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果有時(shí)相差較大[1]。若采用“土柱”法計(jì)算，即涵洞頂部所受土壓力為上部填土重度與土層厚度的乘積，則往往比實(shí)測(cè)土壓力值偏小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，江西省的181座涵洞工程中，出現(xiàn)涵洞整圈環(huán)向斷裂、漏水的占95%[2]，湖南省70%地下涵洞存在裂縫、滲水、鋼筋銹蝕等不同程度的病害險(xiǎn)情。可見(jiàn)，涵洞雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其出現(xiàn)破壞的比例較高。

已有大量學(xué)者對(duì)涵洞的土壓力及工作特性進(jìn)行了不同角度的研究[3-8]，但目前尚無(wú)一套系統(tǒng)的涵洞土壓力計(jì)算方法。特別地，當(dāng)深填方工程的填土面傾斜時(shí)，填土下方涵洞的受力情況將更加復(fù)雜。為此，本文基于有限元軟件，對(duì)填土面不同傾角情況下的涵洞及土體變形進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 有限元計(jì)算模型

現(xiàn)針對(duì)某一典型填方工程中的箱型涵洞斷面進(jìn)行分析。箱型涵洞外輪廓寬度b=4 m、高度H=5 m，涵洞四周的鋼筋混凝土壁厚50 cm，涵洞頂部中點(diǎn)至填土表面的距離為11 m，填土表面的傾角為β。涵洞底部置于強(qiáng)度較高的基巖上，基巖厚度2 m。為避免對(duì)涵洞造成破壞，在涵洞填埋過(guò)程中往往對(duì)涵洞周邊特別是上部一定范圍內(nèi)的填土不進(jìn)行夯實(shí)，即涵洞周邊填土的密實(shí)度相對(duì)較低。在模擬過(guò)程中，考慮涵洞正上方存在厚度h=2 m的松散填土。為了描述方便，記涵洞及松散填土頂部的端點(diǎn)分別為A、B、C、D。涵洞的計(jì)算構(gòu)型如圖1所示。

將涵洞按平面應(yīng)變問(wèn)題考慮，基巖與填土材料的本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型，涵洞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度較高，可按線彈性材料考慮。土層及涵洞的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 涵洞幾何斷面構(gòu)型

表1 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

有限元計(jì)算域應(yīng)足夠大，以便消除邊界條件的影響，計(jì)算中取涵洞左右兩側(cè)寬度各20 m。有限元計(jì)算的邊界條件為：底部采用固定邊界條件，即水平和豎向的位移均約束，兩側(cè)為水平方向位移約束條件。采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2給出了β=15°情況下的有限元網(wǎng)格的劃分情況。采用有限元方法通過(guò)激活涵洞與填土計(jì)算單元的方法來(lái)模擬填土的填筑[9, 10]。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分(單元: 1 315個(gè))

2 計(jì)算結(jié)果分析

基于有限元方法，對(duì)填土面傾角β的不同取值進(jìn)行變換對(duì)比計(jì)算，得到了各種工況的填土及涵洞的應(yīng)力及位移分布情況。

2.1 填土水平位移

填土面傾角β不同取值情況下的填土內(nèi)部水平位移分布情況如圖3所示。填土面傾角分別為5°、15°、25°時(shí)，填土內(nèi)部水平位移最大值分別為1.4 cm、3.2 cm、6.1 cm?？梢?jiàn)，隨著填土面傾角β的增加，水平位移值逐漸增大，且填土體內(nèi)水平位移的最大值位于涵洞正上方稍偏坡腳方向處。

圖3 填土面傾角對(duì)填土水平位移的影響(單位: cm)

填土面傾斜情況下土體水平位移的方向均為從坡頂?shù)狡履_方向的水平向，埋設(shè)于土體內(nèi)部的涵洞也必然受到了該方向應(yīng)力的作用，也具有從坡頂?shù)狡履_方向傾斜、傾覆的趨勢(shì)，這與填土面水平情況下的狀態(tài)明顯不同。

計(jì)算得到了涵洞上方松散填土兩端C、D兩點(diǎn)的水平位移差值分布情況，如圖4所示。水平位移的方向均為從坡頂?shù)狡履_方向的水平向，且C點(diǎn)的水平位移大于D點(diǎn)的水平位移。隨著填土面傾角β的增加，C、D兩點(diǎn)的水平位移差逐漸增大，如填土面傾角β=30°時(shí)，C、D兩點(diǎn)的水平位移差值已達(dá)到17.6 cm。

圖4 填土面傾角對(duì)C、D兩點(diǎn)水平位移差的影響

2.2 填土豎向沉降

填土面傾角β不同取值情況下的填土內(nèi)部豎向沉降分布情況如圖5所示。填土面傾角分別為10°、20°、30°時(shí)，填土內(nèi)部豎向沉降最大值分別為24.4 cm、34.7 cm、48.0 cm?？梢?jiàn)，隨著填土面傾角β的增加，土體豎向沉降逐漸增大，且填土體內(nèi)豎向沉降的最大值位于坡頂位置處。

圖5 填土面傾角對(duì)填土豎向沉降的影響(單位: cm)

涵洞上方松散填土兩端C、D兩點(diǎn)的豎向沉降差值分布如圖6所示。由于D點(diǎn)正上方的填土高度大于C點(diǎn)正上方的填土高度，故D點(diǎn)的豎向沉降大于C點(diǎn)的豎向沉降。隨著填土面傾角β的增加，C、D兩點(diǎn)的豎向沉降差逐漸增大，如填土面傾角β=30°時(shí)，C、D兩點(diǎn)的豎向沉降差值已達(dá)到22.2 cm。

圖6 填土面傾角對(duì)C、D兩點(diǎn)豎向沉降差的影響

2.3 填土塑性區(qū)分布

填土面傾角β不同取值情況下的填土內(nèi)部塑性區(qū)分布情況如圖7所示。塑性區(qū)是指土體所受的應(yīng)力值已超過(guò)其屈服強(qiáng)度而發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖7 涵洞周邊土體塑性區(qū)分布圖

由于涵洞的剛度遠(yuǎn)大于其周邊土體的剛度，故涵洞側(cè)邊的土體沉降通常遠(yuǎn)大于涵洞本身的沉降，涵洞周邊的土體必然與涵洞外壁發(fā)生較大的摩擦與相對(duì)位移，導(dǎo)致該部分土體進(jìn)入塑性狀態(tài)。填土面傾角β=0°時(shí)，填土面水平，涵洞兩側(cè)土體的塑性區(qū)呈對(duì)稱狀態(tài)，如圖7a所示。隨著填土面傾角β的增加，土體塑性區(qū)逐漸發(fā)生變化，如填土面傾角β=30°時(shí)，涵洞上方土體的塑性區(qū)已連成一片，具有滑動(dòng)破壞的趨勢(shì)。

圖8進(jìn)一步給出了填土面傾角β=25°時(shí)填土內(nèi)部的位移增量分布情況?？梢?jiàn)，填土具有從坡頂?shù)狡履_傾斜向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，土體塑性區(qū)分布與該位移增量分布情況是一致的。

圖8 β =25°時(shí)填土位移增量分布圖

2.4 涵洞土壓力

計(jì)算表明，填土面水平情況下涵洞頂部A、B兩點(diǎn)的土壓力值相等。隨著填土面傾角β的增加，B點(diǎn)處的土壓力值逐漸大于A點(diǎn)處的土壓力值；填土面傾角β=25°時(shí)，B點(diǎn)處的土壓力值為A點(diǎn)處土壓力值的1.15倍?？梢?jiàn)，填土面傾斜情況下，涵洞受到了偏壓作用，不同位置處受到的上覆土壓力值不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需掌握這種偏壓特性才能進(jìn)行正確的計(jì)算。

將同一位置處的豎向土壓力與土體自重之比稱為土壓力系數(shù)k，填土面傾角對(duì)涵洞頂部中點(diǎn)(即A、B兩點(diǎn)連線的中點(diǎn))土壓力系數(shù)k的影響如圖9所示?？梢?jiàn)，隨著填土面傾角的增加，涵頂中點(diǎn)的土壓力系數(shù)逐漸增加，但增加幅度不大。β=30°時(shí)的土壓力系數(shù)為1.15，比β=10°時(shí)的土壓力系數(shù)約增大7.5%。

圖9 填土面傾角對(duì)涵頂中點(diǎn)土壓力系數(shù)的影響

由此可見(jiàn)，填土面傾斜情況下涵洞的受力狀態(tài)較為復(fù)雜：一方面填土具有從坡頂?shù)狡履_傾斜向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，埋設(shè)在填土中的涵洞也具有沿該方向傾斜、傾覆的趨勢(shì)；另一方面涵洞上方偏向坡頂一側(cè)受到的土壓力值偏大，涵洞處于偏壓狀態(tài)。涵洞的穩(wěn)定性受制于填土的整體穩(wěn)定性，因此，若涵洞的穩(wěn)定性得不到滿足，則還需設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)來(lái)提高涵洞的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

隨著填土面傾角β的增加，填土體內(nèi)水平位移的最大值位于涵洞正上方稍偏坡腳方向處，填土具有從坡頂?shù)狡履_傾斜向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，埋設(shè)于土體內(nèi)部的涵洞具有從坡頂?shù)狡履_方向傾斜、傾覆的趨勢(shì)，使涵洞處于偏壓狀態(tài)，這與填土面水平情況下的狀態(tài)明顯不同。