上埋式涵洞土压力减载研究与数值分析

周泽涛 李永刚

（太原理工大学水利科学与工程学院 山西太原030024）

0 引言

涵洞是埋设在填土下的排水或通道构筑物,从土压力角度,公路涵洞属于上埋式构筑物,由于涵洞的变形模量远大于周围填土的模量,使得涵洞上方土体与其两侧土体产生不均匀沉降，导致涵洞顶部很大的附加压力,从而引起涵顶的开裂、破坏。尤其在填土较高的情况下,垂直土压力更是决定结构断面尺寸的控制因素。顾安全[1]关于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个涵洞进行了较详细的实地调研,调查发现有近80%以上的涵洞存在不同程度的病害。可见,涵顶土压力过大是发生病害的主要原因,研究涵洞的减荷对于减小涵顶垂直土压力、保证涵洞的结构安全具有重要意义。目前常用的减载思路有中松侧实、铺设柔性填料、加筋桥、先填后挖等。本文提出一种新的减载方法供参考。

1 减载方法

涵洞刚度大于回填土体刚度，填土发生沉降以后，涵洞顶部土体的沉降量小于涵洞两侧土体的沉降量，在涵洞顶部土体与两侧土体之间会形成一个沉降差δ，如图（1）。这个沉降差的存在，会导致涵洞两侧土体对涵洞顶部土体产生一个向下的摩擦力，加大涵洞顶部土体对涵洞的垂直土压力。因之，可以通过减小内外土柱之间的沉降差δ来减小洞顶的土压力，甚至可以采取一些措施[1-5]，使得内土柱的沉降量大于外土柱的沉降量，改变内、外土柱之间的摩擦力的方向，进一步降低洞顶的垂直土压力。

图1 沉降差示意图

在刚性地基条件下，以混凝土箱涵为例，对上埋式涵洞洞顶土压力进行研究，在不采取任何措施的情况下，由于涵顶土体沉降量与涵洞两侧土体沉降量不同，沉降差的存在导致在涵顶两侧边缘处产生应力集中现象，使涵顶的垂直土压力变大。此时，涵顶两端处所受土压力较大，而其余中间部位土压力相对平均。据此在涵顶两侧易发生应力集中处设置一定高度的混凝土块体减载块，如图2。涵洞洞顶两侧添加减载块后，减载块刚度大于填土刚度，其顶部土体沉降小于两侧土体沉降，减载块承担了较多的本应作用于涵洞顶板上的土压力并将其传递给涵洞边墙，使顶板（d段）土压力减小。

本文利用ANSYS有限元软件，分析减载块对涵顶垂直土压力的影响和涵洞顶板土压力的减小。

2 有限元分析

ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。具有多种分析能力，包括简单线性静态分析，复杂非线性动态分析，产品优化设计分析，多场耦合分析，自动网格划分技术等，它可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题，目前已广泛应用于各大领域。ANSYS软件主要有三大部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。ANSYS有两种操作方式：用户界面（GUI）方式和命令流方式。ANSYS软件没有为系统指定统一的单位，除了磁场分析外，可以在工程分析中使用任意一种单位制。

图2 箱型涵洞

2.1 计算模型

根据涵洞结构及其受力特点，将其作为平面应变问题。本文主要以涵洞及其周围的填土为主要模拟对象，将涵洞地基和周围填土作为弹性介质；对于涵洞，其材质为钢筋混凝土。考虑涵洞外部宽为D与外部高h相等，记洞顶填土高度为H。取上埋式涵洞两侧土体宽度为3倍的涵洞宽度，填土两侧施加水平约束，不施加垂直约束。地基为水平和垂直约束。取D=2m，涵洞边壁厚20cm，减载块宽度为20cm。填土用密实砂土，弹性模量为E1=25MPa，容重为r=18kN/m3，泊松比μ为0.22；钢筋混凝土涵洞弹性模量为Eh=2.8×1010Pa，容重为r=25kN/m3，泊松比μ为0.167。模拟单元选用平面四节点的Plane42单元，目标单元选用Targe169，涵洞与土体的接触单元选用conta171，接触单元摩擦系数取0.3。

2.2 计算结果分析

分析时填土高度比H/D＝0.5～20，减载块高度比B（减载块高度与涵洞高度比i/h）为1/20、1/10、3/20。

（1）土压力分布

涵洞净跨范围的垂直土压力为中间大两边小的分布。添加减载块后，涵顶所受的土压力发生了明显变化，减载块所带来的涵顶土体沉降差以及减载块本身对其两侧土体向上的摩擦力，使得靠近减载块内侧一定范围内的涵顶受到的应力减小，使作用于涵顶上的整体压力也相应减小。

图3 涵顶土压力分布图

不同的减载块高度对洞顶垂直土压力的影响范围不同，填土高度比H/D=5时的涵顶土压力分布如图3.所示。图中五个系列为减载块高度比B为0、1/20、3/40、1/10、3/20的情况。减载块高度比B＝1/20时，减载块对涵顶土压力的影响范围为净跨的60%，B＝3/40、1/10、3/20时，减载块对涵顶全跨土压力均产生影响。B越大，其影响越大。

（2）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为垂直土压力系数K。不同加减载块高度和不同填土高度时的垂直土压力系数如图4.所示。

图4 土压力系数变化曲线图

土压力系数总体呈现先增大后减小的趋势。减载块的承载作用，使顶板的土压力转嫁给减载块，顶板土压力快速减小，减载块高度比为1/20、1/10、3/20时的土压力系数较无减载块情况时分别减少10%、20%和30%。

3 结语

有限元分析结果表明，在箱涵洞顶两侧的减载块，对涵洞顶板的土压力具有重要影响。减载块高度比等于1/20时，减载块对涵洞顶60%净跨的土压力有影响，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时的土压力系数较无减载块情况分别减少10%、20%和30%。

[1]汪顾安全.上埋式管道及洞室垂直土压力的研究[J].岩土工程学报,1981(1):3-15.

[2]张卫兵.西部山区高填路堤涵洞病害及其防治对策[J].中外公路，2007,27（1）：35-39.

[3]曹周阳.高填土涵洞减荷试验研究[J].南水北调与水利科技，2010,11（2）：1672-1683.

[4]郭婷婷.减荷措施下涵洞土压力与填土变形数值计算[J].交通运输工程学报，2010,12（5）：1671-1637.

[5]马强.高填方涵洞减载机制与数值分析[J].岩土力学，2010,（S1）.