高詩明

(大鵬新區(qū)發(fā)展和財政局政府投資項目評審中心，廣東 深圳 518116)

0 前 言

Marston等[1]提出采用溝埋式方法來減小涵洞土壓力，即首先開挖溝槽，然后在溝槽中修建涵洞，最后回填，可以達到減小涵頂垂直土壓力的目的，由此得出涵頂豎向土壓力計算式，并提出了等沉面的概念。隨著數值模擬技術的日漸成熟，國內外學者利用數值模擬方法對高填方涵洞的減載措施進行了研究。Kim等[2]利用有限元法分析了深埋混凝土箱涵與填土之間的相互作用機理，并分析了不同的填埋方式下，涵洞、土體的參數對涵-土相互作用的影響規(guī)律。陳保國等[3-4]對高填方剛性涵洞與土體之間的協(xié)調變形機理進行了探索，分析了邊界條件、尺寸效應、填土高度、材料性質等因素對高填方涵洞工作性狀的影響。

本文利用FLAC分析了減載前后高填方剛性涵洞結構內力變化情況。

1 數值模型構建

1.1 數值分析模型及邊界條件

減載條件下剛性涵洞結構內力分析模型如圖1所示。涵洞寬S為7.0 m，高h為6.5 m，頂板、底板及側墻厚度均為1.0 m。最大填土高度H為32.0 m，為碎石土。涵洞頂部鋪設0.5 m厚的柔性減載材料，鋪設寬度與涵洞寬度S相同。為減小邊界效應影響，模型寬度取70.0 m，涵洞底部設置厚度1.0 m的水泥砂石墊層，下層強風化層厚度3.0 m，最下層是微風化層，厚度12 m。

模型兩側僅約束水平位移，模型底部同時約束水平和豎向位移，不考慮排水固結影響。

圖1 數值分析模型示意圖

1.2 數值分析參數

填土、墊層以及巖石均為摩爾-庫倫彈塑性材料，涵洞及柔性減載材料為線彈性材料，主要參數見表1。

表1 材料參數表

2 數值模擬結果與分析

2.1 減載前后涵洞頂板內力分布規(guī)律

最大填土高度下減載前后涵洞頂板內力分布規(guī)律如圖2所示。由圖2(a)可知，減載前后頂板軸力均呈非線性分布。未減載時，兩端軸力較小，跨中最大。減載后，軸力分布與未減載時相反，邊緣處軸力最大，跨中最小。未減載時，涵頂應力集中，側墻外垂直土壓力轉移到頂部，頂板垂直土壓力增大，側墻水平土壓力減小，靠近頂板邊緣處軸力較小。減載后，土拱效應將涵頂土體荷載轉移到側墻外，涵側垂直土壓力增大，側墻水平土壓力增大，頂板邊緣處水平土壓力較大，軸力也較大。

圖2 (b)可知，未減載時，頂板剪力呈非線性分布，邊緣處最大，跨中為0。減載后，呈近似線性分布，跨中剪力最小，邊緣處最大。減載后，頂板垂直土壓力大大減小，剪力大大減小，比未減載時減小了73%。

由圖2(c)可知，涵洞頂板彎矩呈拋物線形分布。減載后比未減載時彎矩分布更平緩。未減載時，跨中彎矩最大；減載后，涵頂垂直土壓力減小，彎矩減小，邊緣處彎矩最大，最大彎矩比未減載時減小了66%。

(a)軸力

(b) 剪力

(c)彎矩

2.2 減載前后涵洞側墻內力分布規(guī)律

最大填土高度情況下減載前后涵洞側墻分布規(guī)律如圖3所示。由圖3(a)可知，側墻軸力呈非線性分布，底部軸力最大，隨著高度增大，軸力逐漸減小。減載后，側墻軸力大大減小，減載后比未減載時側墻軸力減小了51%。未減載時，涵頂應力集中，減載后涵頂垂直土壓力大大減小，側墻軸力大大減小。

由圖3(b)可知，涵洞側墻剪力呈近線性分布，側墻底部剪力最大，隨著側墻高度增大，剪力逐漸減小，在側墻中點處減小為0。未減載時側墻最大剪力比減載后減小了8%，未減載時側墻頂端剪力比減載時大。減載后，側墻水平土壓力比未減載時大，但是由于未減載時側墻軸力較大，在水平土壓力和軸力共同作用下，未減載時側墻頂端剪力大于減載時。

由圖3(c)可知，涵洞側墻彎矩呈拋物線分布，頂部和底部彎矩較大，中點處彎矩較小。減載后，側墻1/3和2/3處存在反彎點。減載后側墻最大彎矩比未減載后減小了27%。減載條件下，頂部土體荷載轉移到涵側，側墻水平土壓力增大，涵頂垂直土壓力大大減??；未減載時，涵頂應力集中，側墻頂端應力集中更明顯，側墻軸力遠大于采取減載條件下。在側墻水平土壓力和軸力的共同作用下，減載后彎矩減小。

(a)軸力

(b)剪力

(c)彎矩

3 結論及建議

1)減載后，涵洞頂板軸力中間部位軸力變小、兩端軸力增大，在經濟技術允許的條件下，應擴大減載面寬度至涵洞邊緣外1.0 m，以保證涵洞結構安全穩(wěn)定。

2)減載后，涵洞頂板各處剪力值、彎矩值均變小。

3)減載措施未改變涵洞側墻軸力、剪力以及彎矩的分布特性，降低了側墻軸力、剪力、彎矩值，涵洞結構內力變小，有效避免了應力集中導致的破壞。

4)減載可有效降低剛性管涵結構受力，減小管涵-土體剛度差異造成的應力集中影響，能有效確保高填方剛性涵洞結構安全。

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