减载条件下高填方刚性涵洞结构内力分析

2020-06-29高诗明

四川建材 2020年6期

高诗明

(大鹏新区发展和财政局政府投资项目评审中心，广东深圳 518116)

0 前言

Marston等[1]提出采用沟埋式方法来减小涵洞土压力，即首先开挖沟槽，然后在沟槽中修建涵洞，最后回填，可以达到减小涵顶垂直土压力的目的，由此得出涵顶竖向土压力计算式，并提出了等沉面的概念。随着数值模拟技术的日渐成熟，国内外学者利用数值模拟方法对高填方涵洞的减载措施进行了研究。Kim等[2]利用有限元法分析了深埋混凝土箱涵与填土之间的相互作用机理，并分析了不同的填埋方式下，涵洞、土体的参数对涵-土相互作用的影响规律。陈保国等[3-4]对高填方刚性涵洞与土体之间的协调变形机理进行了探索，分析了边界条件、尺寸效应、填土高度、材料性质等因素对高填方涵洞工作性状的影响。

本文利用FLAC分析了减载前后高填方刚性涵洞结构内力变化情况。

1 数值模型构建

1.1 数值分析模型及边界条件

减载条件下刚性涵洞结构内力分析模型如图1所示。涵洞宽S为7.0 m，高h为6.5 m，顶板、底板及侧墙厚度均为1.0 m。最大填土高度H为32.0 m，为碎石土。涵洞顶部铺设0.5 m厚的柔性减载材料，铺设宽度与涵洞宽度S相同。为减小边界效应影响，模型宽度取70.0 m，涵洞底部设置厚度1.0 m的水泥砂石垫层，下层强风化层厚度3.0 m，最下层是微风化层，厚度12 m。

模型两侧仅约束水平位移，模型底部同时约束水平和竖向位移，不考虑排水固结影响。

图1 数值分析模型示意图

1.2 数值分析参数

填土、垫层以及岩石均为摩尔-库伦弹塑性材料，涵洞及柔性减载材料为线弹性材料，主要参数见表1。

表1 材料参数表

2 数值模拟结果与分析

2.1 减载前后涵洞顶板内力分布规律

最大填土高度下减载前后涵洞顶板内力分布规律如图2所示。由图2(a)可知，减载前后顶板轴力均呈非线性分布。未减载时，两端轴力较小，跨中最大。减载后，轴力分布与未减载时相反，边缘处轴力最大，跨中最小。未减载时，涵顶应力集中，侧墙外垂直土压力转移到顶部，顶板垂直土压力增大，侧墙水平土压力减小，靠近顶板边缘处轴力较小。减载后，土拱效应将涵顶土体荷载转移到侧墙外，涵侧垂直土压力增大，侧墙水平土压力增大，顶板边缘处水平土压力较大，轴力也较大。

图2 (b)可知，未减载时，顶板剪力呈非线性分布，边缘处最大，跨中为0。减载后，呈近似线性分布，跨中剪力最小，边缘处最大。减载后，顶板垂直土压力大大减小，剪力大大减小，比未减载时减小了73%。

由图2(c)可知，涵洞顶板弯矩呈抛物线形分布。减载后比未减载时弯矩分布更平缓。未减载时，跨中弯矩最大；减载后，涵顶垂直土压力减小，弯矩减小，边缘处弯矩最大，最大弯矩比未减载时减小了66%。

(a)轴力

(b) 剪力

(c)弯矩

2.2 减载前后涵洞侧墙内力分布规律

最大填土高度情况下减载前后涵洞侧墙分布规律如图3所示。由图3(a)可知，侧墙轴力呈非线性分布，底部轴力最大，随着高度增大，轴力逐渐减小。减载后，侧墙轴力大大减小，减载后比未减载时侧墙轴力减小了51%。未减载时，涵顶应力集中，减载后涵顶垂直土压力大大减小，侧墙轴力大大减小。

由图3(b)可知，涵洞侧墙剪力呈近线性分布，侧墙底部剪力最大，随着侧墙高度增大，剪力逐渐减小，在侧墙中点处减小为0。未减载时侧墙最大剪力比减载后减小了8%，未减载时侧墙顶端剪力比减载时大。减载后，侧墙水平土压力比未减载时大，但是由于未减载时侧墙轴力较大，在水平土压力和轴力共同作用下，未减载时侧墙顶端剪力大于减载时。

由图3(c)可知，涵洞侧墙弯矩呈抛物线分布，顶部和底部弯矩较大，中点处弯矩较小。减载后，侧墙1/3和2/3处存在反弯点。减载后侧墙最大弯矩比未减载后减小了27%。减载条件下，顶部土体荷载转移到涵侧，侧墙水平土压力增大，涵顶垂直土压力大大减小；未减载时，涵顶应力集中，侧墙顶端应力集中更明显，侧墙轴力远大于采取减载条件下。在侧墙水平土压力和轴力的共同作用下，减载后弯矩减小。