降低深埋涵洞侧壁摩阻力的效果分析

2020-04-17王建德中煤第三建设集团有限责任公司安徽宿州234000

安徽建筑 2020年3期

王建德（中煤第三建设(集团)有限责任公司，安徽宿州 234000）

在高填方区域，为了满足水流或行人通道需求，往往需要在填方土体下设置涵洞，从而形成了大量深埋涵洞。我国多个规范中都对地下涵洞的土压力计算有着不同的规定，且按各个规范的计算结果有时相差较大[1]。若采用“土柱”法计算，即涵洞顶部所受土压力为上部填土重度与土层厚度的乘积，则往往比实测土压力值偏小。

有时根据场地环境情况，可采用上埋式或沟埋式涵洞。对于上埋式涵洞而言，基底以上均为填土，由于钢筋混凝土涵洞呈刚性几乎不可压缩，而涵洞两侧的填土压缩性较大，在上覆填土荷载的作用下，外土柱的沉降量明显大于内土柱沉降量，于是外土柱对内土柱产生向下的剪力或摩阻力，填土中存在“土拱”效应，使得涵洞承受的土压力大于其正上方的土柱自重，如图1所示。

图1 涵洞与土体相互作用示意图

可见，对于上埋式涵洞而言，涵洞侧壁将受到向下的负摩阻力，使涵洞结构承受的荷载增大，需增加涵洞结构的断面尺寸及结构强度才能抵抗外部荷载，从而增加了涵洞工程的总体造价。

已有大量学者对涵洞的土压力及工作特性进行了不同角度的研究[2-9]，但目前研究主要集中在涵洞顶板的土压力分析上，而对涵洞侧壁的摩阻力关注过少。若能降低涵洞侧壁与填土之间的负摩阻力，则可降低涵洞的荷载，进而节省材料、降低造价。为此，本文基于有限元方法，对降低涵洞侧壁的摩阻力进行了对比分析，为涵洞的合理设计提供一定的参考。

1 有限元计算模型

现针对某一典型填方工程中的箱型涵洞断面进行分析。箱型涵洞外轮廓宽度b=4m、高度H=5m，涵洞四周的钢筋混凝土壁厚50cm，涵洞顶部中点至填土表面的距离为20m。涵洞底部置于强度较高的基岩上，基岩厚度2m。为避免对涵洞造成破坏，在涵洞填埋过程中往往对涵洞周边特别是上部一定范围内的填土不进行夯实，即涵洞周边填土的密实度相对较低。在模拟过程中，考虑涵洞正上方存在厚度h=2m的松散填土，涵洞的计算构型如图2所示。

将涵洞按平面应变问题考虑，基岩与填土材料的本构模型采用莫尔-库仑理想弹塑性模型，涵洞为钢筋混凝土结构，其强度较高，可按线弹性材料考虑。土层及涵洞的计算参数见表1。

实际工程可采取下列办法来降低涵洞侧壁与填土之间的摩擦力。在涵洞侧壁与填土之间设置多层PVC薄板，PVC薄板的厚度可取4～10mm，各层PVC薄板通过相互拼接完整的覆盖涵洞侧壁，且各层PVC薄板的接缝相互错开。至少需设置两层PVC薄板，也可设置多层PVC薄板。由于PVC薄板表面平整光滑，薄板之间的摩擦力较小。甚至还可以在相邻PVC薄板接触面之间涂抹滑石粉、石蜡或其它润滑剂，使得PVC薄板接触面之间摩擦系数几乎接近于0。该方法的优点如下：

①PVC薄板接触面之间摩擦系数非常小，大大降低了外土柱与涵洞侧壁之间的负摩阻力，对涵洞形成有效保护；

②PVC薄板价格低廉，在涵洞两侧设置多层PVC薄板对总造价影响不大；

③一般PVC薄板的老化失效需数年时间，在此期间内填土的沉降已基本完成，即PVC薄板的使用寿命对涵洞的保护效果基本无影响。

各土层的物理力学参数表1

图3 有限元网格划分(单元：1736个)

可通过设置接触面单元来模拟PVC薄板之间的相互作用，用摩擦系数u反映PVC薄板之间的接触面特性，u在[0，1]之间取值。当 u=1.0时，PVC薄板之间处于完全粗糙状态；当u=0.0时，PVC薄板之间无摩擦力，处于完全光滑状态。

有限元计算域应足够大，以便消除边界条件的影响，计算中取涵洞左右两侧宽度各20m。有限元计算的边界条件为底部采用固定边界条件，即水平和竖向的位移均约束，两侧为水平方向位移约束条件。采用15节点的三角形单元对计算模型进行网格划分，图3给出了有限元网格的划分情况。采用有限元方法通过激活涵洞与填土计算单元的方法来模拟填土的填筑[10-13]。

图4 不同摩擦系数时填土竖向沉降云图

2 计算结果分析

基于有限元方法，对PVC薄板之间不同摩擦系数u取值进行变换对比计算，得到了各种工况的填土及涵洞的应力及位移分布情况。

2.1 填土竖向沉降

摩擦系数u不同取值情况下的涵洞周边填土竖向沉降云图如图4所示。可见，在摩擦系数u=1.0时，涵洞两侧的土体沉降明显大于涵洞的沉降，在涵洞处形成明显的土拱效应；u=0.4时，土拱效应有所降低；u=0.05时，填土与涵洞侧壁之间摩擦力非常小，涵洞侧壁附近的填土竖向沉降最大。

图5进一步给出了摩擦系数u不同取值情况下填土竖向沉降等值线分布示意图。摩擦系数u的不同取值对填土的最大竖向沉降无影响，各工况下的填土最大竖向沉降为43.7cm，最大竖向沉降位于填土表面。

图5 不同摩擦系数时填土竖向沉降等值线分布(单位：cm)

摩擦系数u仅对涵洞周边土体的竖向沉降有影响，摩擦系数u越大，涵洞侧壁附近填土的竖向沉降越小；摩擦系数u越小，涵洞侧壁附近填土的竖向沉降越大。填土的沉降大于涵洞的沉降，即填土与涵洞之间发生相对位移，故填土与涵洞之间由于相对运动而产生摩擦力，且涵洞作用于土体的摩擦力竖直向上，对土体而言有阻止其下沉的作用。摩擦系数u越大，这种阻止效果越强，使得涵洞侧壁附近填土的竖向沉降越小。

2.2 填土塑性区分布

摩擦系数u不同取值情况下涵洞周边填土的塑性区分布如图6所示。可见，摩擦系数u较大时，填土的塑性区发生在填土与PVC薄板接触处，该塑性区范围较小；摩擦系数u较小时，涵洞周边填土发生较大的沉降，塑性区不仅发生在填土与PVC薄板接触处，在涵洞周边一定范围内的填土内也出现了塑性区。

图6 涵洞周边土体塑性区分布图

这一点也可从图7所示的竖向沉降增量分布图中得到印证，摩擦系数u较小时涵洞侧壁周边土体发生了较大的竖向沉降，在竖向沉降差值较大的部位，土体发生了较大剪切位移，土体被剪切破坏，从而形成塑性区。

2.3 涵洞侧壁摩擦力

由于钢筋混凝土涵洞的刚度远大于其周边土体的刚度，故涵洞侧边的土体沉降通常远大于涵洞本身的沉降，填土作用在涵洞上的摩擦力竖直向下，即为“负摩阻力”。这种负摩阻力增大了涵洞的荷载，对涵洞起负面作用，因此需设法减少该值。

图7 填土内部竖向沉降增量分布图

摩擦系数u不同取值情况下涵洞侧壁剪切应力的最大值分布如图8所示，填土通过PVC薄板作用在涵洞上的剪切应力方向竖直向下。可见，当摩擦系数u=1.0时，填土通过PVC薄板作用在涵洞侧壁上的最大剪切应力为137.6kPa；当摩擦系数u=0.1时，填土作用在涵洞侧壁上的最大剪切应力为4.1 kPa，该值为的u=0.1时剪切应力的2.9%。剪切应力随着摩擦系数u的减小而急剧降低。