盖板式涵洞顶部土压力转移研究

李永刚，周泽涛，刘孝俊

（太原理工大学 水利科学与工程学院，太原030024）

涵洞顶部垂直土压力是涵洞结构设计的重要依据，目前的涵洞土压力计算理论尚不成熟。顾安全［1］对303座填土较高的上埋式涵洞的调查表明，结构开裂的占63.5%，其中70%属于纵向开裂。张卫兵［2］所在的课题组对西南、西北地区5省区具有代表性的17条高速公路182座涵洞进行了较详细的实地调研，发现有近80%以上的涵洞存在不同程度的病害，涵顶土压力过大是发生病害的主要原因。可见研究涵洞土压力的计算和土压力的减小方法具有重要理论意义和实际价值。常见的涵洞土压力减小包括中松侧实法、EPS减载法、加筋桥法等［3－6］。本文对盖板式涵洞、箱形涵洞顶部垂直土压力的减小和转移进行理论研究和数值分析。

1 涵顶土压力转移原理

盖板式涵洞和箱形涵洞的侧墙多采用混凝土边墙或石砌重力式挡土墙，其承压能力很强，而盖板（或顶板）所承受的弯矩很大、容易发生纵向裂缝和引起涵洞病害。对此可通过适当措施将盖板上的土压力部分转移至侧墙，减小盖板上的土压力，使较多的土压力直接作用于侧墙而传递至地基，如图1-b，对上埋式混凝土箱涵，在涵顶两侧设置一定高度的混凝土（或浆砌石等）块体——减载块，其刚度大、压缩量小，在减载块顶部平面的土体产生不均匀沉陷，即减载块顶部土体的沉降小，其两侧的土体沉降大，减载块充当了支撑拱脚，形成土拱，导致临近土压力向拱脚减载块的转移，减载块将较多的土压力直接传递给边墙，顶板静跨（d段）范围的土压力减小。

图1 箱型涵洞

2 减载块转移土压力的有限元分析

2.1 计算模型

根据涵洞结构及其受力特点，视其为平面应变问题。有限元计算采用ANSYS软件。本文主要以涵洞及其周围的填土为主要研究对象，考虑地基刚性。土体虽然是非线性压缩体，但其处于非极限状态时，土体垂直压应力的线性和非线性分析结果非常接近［7－8］，填土和混凝土涵洞均按弹性问题处理，选择用常用的平面4节点单元，即Plane42单元。

涵顶填土采用密实砂土，弹性模量Et＝25MPa，重度18kN／m3，泊松比0.22；钢筋混凝土涵洞弹性模量Eh＝2.8×1010Pa，重度25kN／m3，泊松比0.167。涵洞与填土的接触单元摩擦系数0.3［9］。

取涵洞外部宽度D与外部高度h相等，记洞顶填土高度为H。涵洞两侧土体宽度取三倍的涵洞宽度。

2.2 计算结果分析

2.2.1 顶板土压力分布

取D＝200cm，涵洞边壁厚20cm。设b为减载块宽度。减载块宽度比b／D＝2／20，减载块高度a为变值，减载块高度比a／D 分别取0，1／20，2／20，3／20。分析时填土高度比H／D＝0.5～20。

涵洞顶板静跨范围的垂直土压力基本为中间大两边小的分布，如图2（填土高度比H／D＝5）。无减载块（a／D＝0的平顶）时，洞顶两端对相邻填土的顶托作用，使顶板两侧的土压力稍有翘起，土压力偏大。设置减载块引起的土拱和土压力转移，减小了顶板两侧的土压力，a／D＝1／20情况下，减载块高度较小，只使顶板每一侧35%静跨范围的土压力减小，即顶板70%静跨范围的土压力转移，越靠近减载块，土压力减小越多（转移越多）。a／D＝2／20、3／20情况下，减载块较高，顶板静跨范围内的土压力均受到减载块的影响，土压力在顶板全跨范围内整体明显减小，减载块越高，顶板土压力越小。

图2 涵顶土压力分布图（H／D＝5）

2.2.2 顶板静跨的垂直土压力系数

取涵洞顶板净跨范围的土压力平均值与土柱压强的比值作为顶板垂直土压力系数K。由于减载块导致的土压力转移，设置减载块之后的土压力系数较平顶（a／D＝0）时的土压力系数明显减小，如图3所示。总体讲，土压力系数为先增后减的变化趋势，填土高度比H／D＝2左右的土压力系数最大，H／D＞7之后，土压力系数变化幅度很小，近似常数。随减载块的加高，顶板静跨的土压力系数不断减小，a／D＝1／20、2／20、3／20的顶板静跨土压力系数较平顶（无减载块）的土压力系数分别减小12%、24%和34%。

图3 土压力系数变化曲线图

b／D＝20、a／D＝2／20情况下，将减载块之间填土的压实度减小，令其弹性模量E分别是上覆填土弹性模量的75%和50%，即块间填土弹模比E／Et＝75%、50%，这将使减载块之间填土与减载块外部填土的沉降差更大，土拱效应越强，两者的土压力转移更多，顶板静跨的土压力进一步减小，如表1，减载块之间填土弹模比E／Et＝75%、50%时，其顶板静跨的土压力系数比原覆土（E／Et＝1）情况的土压力系数分别减小5.6%和14.5%，较平顶（无减载块）时的土压力系数分别减小27%和34%。

表1 两减载块之间土体密实度对土压力系数的影响（a／D＝2／20）

减载块高度比a／D＝2／20不变，适当改变减载块宽度比（减载块不进入顶板静跨），b／D＝1／20、3／20引起的土压力系数见表2。减载块宽度比b／D减小，土拱支撑拱脚变小，拱效应减弱，土压力转移减少，顶板静跨土压力大一些，b／D＝1／20之顶板静跨土压力系数较b／D＝2／20之土压力系数增大7%左右；b／D增大，土拱支撑拱脚变大，土压力转移多，顶板土压力小，b／D＝3／20之顶板静跨土压力系数较b／D＝2／20之土压力系数减小约10%。

表2 不同减载块宽度比对土压力系数的影响（a／D＝2／20）

3 结语

理论和有限元分析结果表明，在盖板涵洞（或箱涵）顶板两侧设置减载块，对涵洞顶板的土压力转移和减小具有重要作用。

减载块高度比等于1／20时，减载块对涵顶70%静跨的土压力有影响，减载块高度比大于1／20时，减载块对涵洞顶板全跨土压力均有影响；减载块高度比分别为1／20、1／10、3／20时的土压力系数较平顶（无减载块）情况分别减少10%、20%和30%以上；减载块宽度比和减载块之间的土体密实度（弹性模量）对涵顶土压力大小有10／%以上的影响。

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