本發(fā)明屬于巖土工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及高填方涵洞涵頂垂直土壓力計算方法。適用于涵洞以及其他各種上埋式、溝埋式構(gòu)筑物，諸如用于圓管涵，拱涵，蓋板涵，箱涵,尾礦壩(庫)下的排洪洞，土石壩下的廊道、泄水洞，填埋式地下變電站、各類地下通道等。
背景技術(shù)：
：涵洞廣泛應(yīng)用于交通、水利及市政工程等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，其作用是宣泄底面水流(小溪或小河流)，或便于人、畜和車輛通行而設(shè)置的橫穿路基的構(gòu)造物。在高速公路建設(shè)中尤其在我國山區(qū)高速公路建設(shè)中高填方涵洞的應(yīng)用非常普遍。高填方涵洞由于涵頂上覆填土高度大加之涵洞-填土-地基受力體系的復(fù)雜性使涵頂實際垂直土壓力計算難以準(zhǔn)確計算。一方面，地基、地形和施工工藝等現(xiàn)場條件對涵頂垂直土壓力影響較大，若在涵洞周邊存在邊坡則可以分擔(dān)一部分涵頂填土荷載減少涵頂所受垂直土壓力；另一方面，當(dāng)高填方涵洞地基土條件較差時，為防止地基承載力不足造成較大沉降量過大或不均勻沉降，設(shè)計及施工人員通常增加基礎(chǔ)尺寸，甚至采用管樁處理形式進(jìn)一步加大地基土剛度從而增大涵頂實際垂直土壓力；此外，由于高填方涵洞實際上覆垂直土壓力較大，往往采取減荷措施，其中EPS板的運用較為廣泛。由于EPS板材料性質(zhì)與填土、涵洞及地基土受力性質(zhì)完全不同致使涵頂垂直土壓力的計算更加復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)外已有數(shù)十種涵頂垂直土壓力計算方法，但不同計算方法由于理論假設(shè)不同或缺乏理論支撐等原因使涵頂垂直土壓力計算結(jié)果存在較大出入，使設(shè)計及施工人員難以選擇。綜上，涵頂垂直土壓力的計算方法直接影響涵洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及安全，嚴(yán)重時，將直接影響到高速公路的正常運營。因此，研究一種能夠綜合考慮各種影響因素的涵頂垂直土壓力的計算方法，以期得到更加符合實際的涵頂垂直土壓力值，對于保障涵洞結(jié)構(gòu)的正常使用及高速公路的安全發(fā)展起到至關(guān)重要現(xiàn)實意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題或缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種高填方涵洞頂垂直土壓力計算方法。其綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、填土高度、跨徑尺寸、地基土模量、溝谷寬度、EPS厚度等各種因素，提出各種影響因素下高填方涵洞垂直土壓力計算公式，并通過計算得到各種因素的影響系數(shù)以及垂直土壓力集中系數(shù)Ks參考值，其計算結(jié)果較現(xiàn)行的方法更接近實際；本發(fā)明旨在使涵頂垂直土壓力計算更加符合工程實際，從而達(dá)到改善涵洞結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)尺寸，配筋數(shù)量及材料強度以達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明的高填方涵洞頂垂直土壓力計算方法，包括以下步驟：步驟一：建立涵洞離心模型和涵洞數(shù)值仿真模型；涵洞離心模型和涵洞數(shù)值仿真模型涉及的參數(shù)包括：綜合影響因子C，填土高度H，跨徑D，溝谷寬度B，溝谷坡度α，EPS厚度HEPS，影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6；步驟二：將涵洞離心模型放入離心機內(nèi)進(jìn)行離心模型試驗，將涵洞數(shù)值仿真模型利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值仿真實驗，分別得到綜合影響因子C，填土高度H，跨徑D，溝谷寬度B，溝谷坡度α，EPS厚度HEPS與涵洞涵頂垂直土壓力的關(guān)系為正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)；步驟三：根據(jù)步驟二中得到的各個參數(shù)與涵洞涵頂垂直土壓力的關(guān)系，計算涵洞涵頂垂直土壓力，采用的公式為：式中：——qv為高填方涵洞涵頂垂直土壓力；——C為綜合影響因子；——H為填土高度；——D為跨徑；——Ed為地基土模量；——B為溝谷寬度，α為溝谷坡度；——HEPS為EPS厚度；——b1、b2、b3、b4、b5、b6為影響因素系數(shù)；——Ks為涵頂垂直土壓力集中系數(shù)；其中，綜合影響因子C的取值范圍為0.20～2.30，b1的取值范圍為0.50～1.50,b2的取值范圍為-0.40～0.40、b3的取值范圍為0.05～0.50、b4的取值范圍為0.0～0.70、b5的取值范圍為-0.50～0.0、b6的取值范圍為-0.50～0.0。進(jìn)一步地,當(dāng)涵洞為蓋板涵時，所述影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下：若填土高度H≤15m時，C＝0.399，b1＝1.218，b2＝‐0.127，b3＝0.265，b4＝0.294，b5＝‐0.181，b6＝‐0.135；若填土高度H>15m時，C＝1.297，b1＝0.864，b2＝‐0.133，b3＝0.179，b4＝0.296，b5＝‐0.179，b6＝‐0.134；當(dāng)?shù)匦螚l件為平地時，b4＝b5＝0，當(dāng)無EPS減少荷載的措施時，b6＝0。進(jìn)一步地，當(dāng)涵洞為箱涵時，所述影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下：若填土高度H≤15m時，C＝0.624，b1＝1.173，b2＝0.122，b3＝0.172，b4＝0.294，b5＝‐0.188，b6＝‐0.144；若填土高度H>15m時，C＝1.426，b1＝0.838，b2＝‐0.132，b3＝0.17，b4＝0.297，b5＝‐0.185，b6＝‐0.142；當(dāng)?shù)匦螚l件為平地時，b4＝b5＝0，當(dāng)無EPS減少荷載的措施時，b6＝0。進(jìn)一步地，當(dāng)涵洞為圓管涵時，所述影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下：若填土高度H≤15m時，C＝0.708，b1＝1.107，b2＝0.019，b3＝0.165，b4＝0.42，b5＝‐0.297，b6＝‐0.226；若填土高度H>15m時，C＝1.318，b1＝0.847，b2＝‐0.023，b3＝0.165，b4＝0.421，b5＝‐0.296，b6＝‐0.225；當(dāng)?shù)匦螚l件為平地時，b4＝b5＝0，當(dāng)無EPS減少荷載的措施時，b6＝0。進(jìn)一步地，當(dāng)涵洞為拱涵時，所述影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下：若填土高度H≤15m時，C＝1.119，b1＝1.042，b2＝‐0.149，b3＝0.131，b4＝0.254，b5＝‐0.171，b6＝‐0.091；若填土高度H>15m時，C＝1.824，b1＝0.851，b2＝‐0.118，b3＝0.137，b4＝0.306，b5＝‐0.193，b6＝‐0.154；當(dāng)?shù)匦螚l件為平地時，b4＝b5＝0，當(dāng)無EPS減少荷載的措施時，b6＝0。進(jìn)一步地，所述涵頂垂直土壓力集中系數(shù)Ks按照下表進(jìn)行取值：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：1、本發(fā)明的高填方涵洞涵頂垂直土壓力計算方法，綜合考慮了填土高度、跨徑、地形條件、地基模量、減荷措施等因素的影響，解決了現(xiàn)有規(guī)范中沒有考慮涵洞結(jié)構(gòu)、填土介質(zhì)、地形條件及地基的共同作用等因素致使設(shè)計計算結(jié)果與涵洞實際受力相差較大，避免了因設(shè)計過于保守造成的材料浪費或設(shè)計荷載不足導(dǎo)致的涵洞結(jié)構(gòu)安全隱患，在保證涵洞結(jié)構(gòu)安全性的前提下，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益明顯。2、本發(fā)明的高填方涵洞涵頂垂直土壓力計算方法，一方面能大大降低涵洞病害的發(fā)生，有效的提高了高填方涵洞結(jié)構(gòu)的使用壽命從而保障了高速公路的正常運營。另一方面，本公式由于綜合考慮了填土高度、跨徑、地形條件、地基模量、減荷措施等因素對涵頂垂直土壓力分布的影響，計算結(jié)果較為接近涵頂實際受力情況，能節(jié)省大量工程投資并縮短涵洞工程施工周期。附圖說明圖1是離心模型試驗下，四種工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks在不同影響因素下的分布規(guī)律；其中，(a)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著填土高度的變化曲線；(b)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著地基土模量的變化曲線；(c)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著溝谷寬度的變化曲線；(d)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著溝谷坡度的變化曲線；(e)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著平地-EPS板厚度的變化曲線；(f)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著溝谷-EPS板厚度的變化曲線。圖2是數(shù)值仿真模擬試驗下，四種工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks在不同影響因素下的分布規(guī)律；其中，(a)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著填土高度的變化曲線；(b)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著跨徑的變化曲線；(f)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著涵底地基土模量的變化曲線；(h)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著溝谷寬度的變化曲線；(i)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著溝谷坡度的變化曲線；(j)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著平地-EPS板厚度的變化曲線；(k)表示不同工況下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨著溝谷-EPS板厚度的變化曲線。圖3是不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨填土高度的變化分布規(guī)律，其中，(a)表示涵洞為蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨填土高度的變化分布規(guī)律；(b)表示涵洞為圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨填土高度的變化分布規(guī)律；(c)表示涵洞為箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨填土高度的變化分布規(guī)律；(d)表示涵洞為拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨填土高度的變化分布規(guī)律。圖4是不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨地基土模量的變化分布規(guī)律，其中，(a)表示涵洞為蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨地基土模量的變化分布規(guī)律；(b)表示涵洞為圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨地基土模量的變化分布規(guī)律；(c)表示涵洞為箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨地基土模量的變化分布規(guī)律；(d)表示涵洞為拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨地基土模量的變化分布規(guī)律。圖5是不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷寬度的變化分布規(guī)律，其中，(a)表示涵洞為蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷寬度的變化分布規(guī)律；(b)表示涵洞為圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷寬度的變化分布規(guī)律；(c)表示涵洞為箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷寬度的變化分布規(guī)律；(d)表示涵洞為拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷寬度的變化分布規(guī)律。圖6是不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷坡度的變化分布規(guī)律，其中，(a)表示涵洞為蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷坡度的變化分布規(guī)律；(b)表示涵洞為圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷坡度的變化分布規(guī)律；(c)表示涵洞為箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷坡度的變化分布規(guī)律；(d)表示涵洞為拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷坡度的變化分布規(guī)律。圖7是不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律，其中，(a1)表示涵洞為平地‐蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(a2)表示涵洞為溝谷‐蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(b1)表示涵洞為平地‐圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(b2)表示涵洞為溝谷-圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(c1)表示涵洞為平地‐箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(c2)表示涵洞為溝谷‐箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(d1)表示涵洞為平地‐拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律；(d2)表示涵洞為溝谷‐拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律。圖8是不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律，其中，(a1)表示涵洞為平地‐蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(a2)表示涵洞為溝谷‐蓋板涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(b1)表示涵洞為平地‐圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(b2)表示涵洞為溝谷-圓管涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(c1)表示涵洞為平地‐箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(c2)表示涵洞為溝谷‐箱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(d1)表示涵洞為平地‐拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律；(d2)表示涵洞為溝谷‐拱涵時，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板鋪設(shè)高度的變化分布規(guī)律。圖9是涵洞為蓋板涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖。圖10是涵洞為箱涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著箱涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著箱涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著箱涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著箱涵工況的變化的對比圖。圖11是涵洞為圓管涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖。圖12是涵洞為拱涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著拱涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著拱涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著拱涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著拱涵工況的變化的對比圖。圖13是采用本發(fā)明方法得到的包茂高速公路(粵境段)AK30+587.5和K46+860高填方涵洞涵頂中心垂直土壓力系數(shù)Ks與現(xiàn)場試驗實測得到的Ks和現(xiàn)有的規(guī)范公式得到的Ks的對比圖；其中，(a)表示本發(fā)明方法得到的AK30+587.5高填方涵洞涵頂中心垂直土壓力系數(shù)Ks與現(xiàn)場試驗實測得到的Ks和現(xiàn)有的規(guī)范公式得到的Ks的對比圖；(b)表示本發(fā)明方法得到的K46+860高填方涵洞涵頂中心垂直土壓力系數(shù)Ks與現(xiàn)場試驗實測得到的Ks和現(xiàn)有的規(guī)范公式得到的Ks的對比圖。下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的方案作進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說明。具體實施方式本發(fā)明的高填方涵洞涵頂垂直土壓力計算方法，包括以下步驟：步驟一：建立涵洞離心模型和涵洞數(shù)值仿真模型；涵洞離心模型和涵洞數(shù)值仿真模型涉及的參數(shù)包括：綜合影響因子C，填土高度H，跨徑D，溝谷寬度B，溝谷坡度α，EPS厚度HEPS，影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6；步驟二：將涵洞離心模型放入離心機內(nèi)進(jìn)行離心模型試驗，將涵洞數(shù)值仿真模型利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值仿真實驗，分別得到綜合影響因子C，填土高度H，跨徑D，溝谷寬度B，溝谷坡度α，EPS厚度HEPS與涵洞涵頂垂直土壓力的關(guān)系為正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)；步驟三：根據(jù)步驟二中得到的各個涵洞模型建立涉及的參數(shù)與涵洞涵頂垂直土壓力的關(guān)系，計算涵洞涵頂垂直土壓力，采用的公式為：式中：——qv為高填方涵洞涵頂垂直土壓力；——C為綜合影響因子；——H為填土高度(m)；——D為跨徑(m)；——Ed為地基土模量(MPa)；——B為溝谷寬度(D)，α為溝谷坡度(°)；——HEPS為EPS厚度(cm)；——b1、b2、b3、b4、b5、b6為影響因素系數(shù)；——Ks為涵頂垂直土壓力集中系數(shù)。其中，步驟二中將涵洞離心模型放入離心機內(nèi)進(jìn)行離心模型試驗，將涵洞數(shù)值仿真模型利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值仿真實驗，得到在對蓋板涵頂垂直土壓力產(chǎn)生的影響因素中，填土高度、地基土模量、溝谷寬度與涵洞頂部垂直土壓力呈正相關(guān)，溝谷坡度、EPS板厚度與涵洞頂部垂直土壓力呈負(fù)相關(guān)。具體試驗分析過程如下：1、結(jié)合南方山區(qū)高填方涵洞的實際情況，基于離心模型試驗，分析四種工況(拱涵、箱涵、蓋板涵和圓管涵)下垂直土壓力集中系數(shù)Ks在不同影響因素下的分布規(guī)律，如圖1所示。從圖1可以看出，隨著涵洞頂部填土高度的增加，蓋板涵、圓管涵、箱涵和拱涵的涵頂垂直土壓力集中系數(shù)Ks值呈先增大后減小并最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；除此之外，涵洞頂部垂直土壓力集中系數(shù)與地基土模量、溝谷寬度呈正相關(guān)，與溝谷坡度、EPS板厚度呈負(fù)相關(guān)，與EPS板鋪設(shè)高度呈先減小后增大的變化規(guī)律。綜上，離心模型試驗不同工況下，四種型式涵洞頂部垂直土壓力集中系數(shù)Ks值大小規(guī)律基本一致，蓋板涵和箱涵的曲線形式較為接近，Ks值從大到小順序依次為拱涵、圓管涵、蓋板涵、箱涵，說明拱涵、圓管涵較蓋板涵、箱涵頂處應(yīng)力集中明顯。其原因是拱涵、圓管涵較蓋板涵、箱涵涵洞側(cè)部土體的沉降大，涵洞頂部土體內(nèi)外沉降差增大，外土柱對內(nèi)土柱的拖拽作用增大，故拱涵、圓管涵涵頂垂直土壓力大于蓋板涵、箱涵。2、結(jié)合南方山區(qū)高填方涵洞的實際情況，基于數(shù)值仿真模擬，分析四種工況(拱涵、箱涵、蓋板涵和圓管涵)下垂直土壓力集中系數(shù)Ks在不同影響因素下的分布規(guī)律，如圖2所示。從圖2可以看出，隨著涵洞頂部填土高度增大，蓋板涵、圓管涵、箱涵和拱涵涵洞頂部垂直土壓力集中系數(shù)Ks值呈先增大后減小并最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；結(jié)構(gòu)尺寸對不同涵洞型式影響不同，隨著跨徑的增大，蓋板涵、箱涵、拱涵頂垂直土壓力集中系數(shù)Ks值逐漸減小，圓管涵頂垂直土壓力集中系數(shù)Ks值逐漸增大；除此之外，涵洞頂部垂直土壓力集中系數(shù)與涵洞底部地基土模量、溝谷寬度、EPS板鋪設(shè)寬度、EPS板鋪設(shè)高度呈正相關(guān)，與上填土模量、側(cè)填土模量、溝谷坡度、EPS板厚度呈負(fù)相關(guān)。數(shù)值仿真分析不同工況下，四種型式涵洞頂部垂直土壓力集中系數(shù)Ks值大小規(guī)律基本一致，從大到小順序依次為拱涵、圓管涵、蓋板涵、箱涵，其中蓋板涵和箱涵的曲線形式較為接近；圓管涵由于結(jié)構(gòu)尺寸較小，受涵周變化影響明顯，當(dāng)溝坡窄而陡或采取EPS板減荷時，圓管涵頂垂直土壓力系數(shù)Ks值小于其他三種涵洞型式。3、結(jié)合南方山區(qū)高填方涵洞的實際情況，基于離心模型試驗和數(shù)值仿真分析，不同試驗手段涵頂垂直土壓力集中系數(shù)Ks在不同工況下，隨不同影響因素的變化分布規(guī)律，如圖3～8所示。其中圖3為不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨填土高度的變化分布規(guī)律；其中圖4為不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨地基土模量的變化分布規(guī)律。其中圖5為不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷寬度的變化分布規(guī)律。其中圖6為不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨溝谷坡度的變化分布規(guī)律。其中圖7為不同工況下，離心實驗和數(shù)值仿真實驗下垂直土壓力集中系數(shù)Ks隨EPS板厚度的變化分布規(guī)律。從圖3～8可以看出填土高度影響因素下，蓋板涵、箱涵離心試驗結(jié)果略大于數(shù)值仿真計算結(jié)果，拱涵、圓管涵反之；其他影響因素條件下，四種型式涵洞離心試驗結(jié)果均大于數(shù)值仿真計算結(jié)果。特別的，溝谷地形或采取EPS板減荷的條件下，圓管涵離心模型試驗結(jié)果與數(shù)值仿真計算存在較大差異，這是由于圓管涵結(jié)構(gòu)尺寸較小，受溝谷地形及EPS板減荷效果明顯，且由于填土、地基土、加載方式及不確定因素的影響，不可避免的出現(xiàn)測試結(jié)果離散的現(xiàn)象。數(shù)值計算結(jié)果與離心模型試驗成果之間存在一定的差異性，這種差異是由于離心模型試驗的施工順序與環(huán)境造成的，離心模型試驗中，填土密度、地基土強度、溝谷邊界及回填土的壓實度等多種因素都會對試驗結(jié)果造成影響，而數(shù)值模擬計算中，有限元模型比較理想化，基本不受任何外界因素的干擾，所得成果更接近于理論計算值，可為理論分析提供一定的參考。根據(jù)上述實驗結(jié)果即可得到本發(fā)明的涵洞涵頂垂直土壓力計算公式。計算公式中的為綜合影響因子C和影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6的求取方法如下：根據(jù)公式(1)得涵頂垂直土壓力集中系數(shù)：對公式(1)兩邊同時取對數(shù)，得：lgqv＝lgCr+b1lgH+b2lgD+b3lgEd+b4lgB+b5lgα+b6lgHEPS(3)令Y＝lgqv，b0＝lgCr，X1＝lgH，X2＝lgD，X3＝lgEd，X4＝lgB，X5＝lgα，X6＝lgHEPS，則：Y＝b0+b1X1+b2X2+b3X3+b4X4+b5X5+b6X6(4)公式(1)經(jīng)運算后得線性回歸公式(4)，采用大型數(shù)據(jù)分析軟件SPSS(即“統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件)結(jié)合離心模型和數(shù)值模擬試驗數(shù)據(jù)利用回歸分析，即可擬合出一條回歸數(shù)據(jù)曲線，即可求解綜合影響因子C和影響因素系數(shù)b1、b2、b3、b4、b5、b6。可選地，不同涵洞形式-不同填土高度下的涵頂垂直土壓力計算公式的影響系數(shù)(b1、b2、b3、b4、b5、b6)如表1至表4所示：表1蓋板涵-不同填土高度計算公式的影響系數(shù)填土高度Cb1b2b3b4b5b6H≤15m0.3991.218-0.1270.2650.294(0)-0.181(0)-0.135(0)H>15m1.2970.864-0.1330.1790.296(0)-0.179(0)-0.134(0)表2箱涵-不同填土高度計算公式的影響系數(shù)填土高度Cb1b2b3b4b5b6H≤15m0.6241.1730.1220.1720.294(0)-0.188(0)-0.144(0)H>15m1.4260.838-0.1320.170.297(0)-0.185(0)-0.142(0)表3圓管涵-不同填土高度計算公式的影響系數(shù)土高度Cb1b2b3b4b5b6H≤15m0.7081.1070.0190.1650.42(0)-0.297(0)-0.226(0)H>15m1.3180.8470.0230.1650.421(0)-0.296(0)-0.225(0)表4拱涵-不同填土高度計算公式的影響系數(shù)填土高度Cb1b2b3b4b5b6H≤15m1.1191.042-0.1490.1310.254(0)-0.171(0)-0.091(0)H>15m1.8240.851-0.1180.1370.306(0)-0.193(0)-0.154(0)注：()中數(shù)字表示當(dāng)該影響因素不存在時影響系數(shù)所取的值，即當(dāng)?shù)匦螚l件為平地時，b4＝b5＝0，當(dāng)無EPS減少荷載的措施時，b6＝0。各影響因素的系數(shù)代表該因素對土壓力的影響權(quán)重，值為正表示正相關(guān)，值為負(fù)表示負(fù)相關(guān)。通過以上涵洞頂部垂直土壓力的分析，根據(jù)涵頂垂直土壓力系數(shù)Ks計算方法，得出符合實際情況的涵頂垂直土壓力集中系數(shù)Ks推薦值如表5所示：試驗分析本發(fā)明的高填方涵洞涵頂垂直土壓力的計算方法的有效性：(1)采用本發(fā)明的計算方法得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)與離心模型試驗或者數(shù)值模擬試驗的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，涵頂垂直土壓力集中系數(shù)與離心模型試驗或者數(shù)值模擬試驗的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。如圖9—圖12所示。其中，圖9表示涵洞為蓋板涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著蓋板涵工況的變化的對比圖。圖10表示涵洞為箱涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著箱涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著箱涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著箱涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著箱涵工況的變化的對比圖。圖11表示涵洞為圓管涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著圓管涵工況的變化的對比圖。圖12表示涵洞為拱涵時，計算得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著拱涵工況的變化的對比圖以及涵頂垂直土壓力集中系數(shù)隨著拱涵工況的變化的對比圖；其中，(a)表示涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)隨著拱涵工況的變化的對比圖，(b)表示涵頂垂直土壓力集中系數(shù)回歸數(shù)據(jù)隨著拱涵工況的變化的對比圖。由圖9-圖12中可看出公式計算結(jié)果和實測值較吻合，回歸公式計算結(jié)果可靠。(2)采用本發(fā)明的計算方法得到涵頂垂直土壓力回歸數(shù)據(jù)與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比分析離心模型試驗和數(shù)值模擬分析需要現(xiàn)場試驗來驗證，本次現(xiàn)場試驗結(jié)合包茂高速公路(粵境段)工程實際，選取AK30+587.5(6×5蓋板涵)和K46+860(4×4蓋板涵)兩座具有代表性的實體結(jié)構(gòu)進(jìn)行高填方涵洞土壓力分析，試驗涵洞詳細(xì)參數(shù)如表6所示。表6現(xiàn)場試驗涵洞基本參數(shù)采用本發(fā)明方法得到的AK30+587.5和K46+860高填方涵洞涵頂中心垂直土壓力系數(shù)Ks與現(xiàn)場試驗實測得到的Ks和現(xiàn)有的規(guī)范公式得到的Ks的對比圖如如圖13所示。其中，(a)表示本發(fā)明方法得到的AK30+587.5高填方涵洞涵頂中心垂直土壓力系數(shù)Ks與現(xiàn)場試驗實測得到的Ks和現(xiàn)有的規(guī)范公式得到的Ks的對比圖；(b)表示本發(fā)明方法得到的K46+860高填方涵洞涵頂中心垂直土壓力系數(shù)Ks與現(xiàn)場試驗實測得到的Ks和現(xiàn)有的規(guī)范公式得到的Ks的對比圖。如圖13所示，在K30+587.5涵洞由于地基采用換填處理且該涵洞兩側(cè)受邊坡分擔(dān)作用較小，規(guī)范建議值及本發(fā)明的計算方法均能較好的反映涵洞結(jié)構(gòu)實際受力情況，現(xiàn)場實測垂直土壓力系數(shù)Ks與本公式計算值及規(guī)范建議值較為接近；在K46+800涵洞，由于該涵洞地基較軟采用管樁處理且涵身距離邊坡距離較近，從而兩側(cè)邊坡分擔(dān)了部分涵頂上覆填土荷載，使涵頂垂直土壓力系數(shù)Ks明顯小于規(guī)范建議值，而本公式由于綜合考慮了填高、跨徑、地基土模量、溝谷寬度和溝谷坡度等因素的影響，使計算結(jié)果明顯更接近實際。綜上，在上埋式，未采用減荷措施及地基土模量由于不同地基處理形式變化不顯著等較理想情況下，規(guī)范建議值和本公式均能較好反映高填方涵洞涵頂實際受力；而在邊界條件較復(fù)雜，涵頂采用EPS減荷措施及地基土模量明顯增加等情況下，涵頂垂直土壓力在多種影響因素作用下變化更加復(fù)雜，此時，規(guī)范建議值與涵頂結(jié)構(gòu)實際受力差異較大而本公式計算值與現(xiàn)場實測情況較為接近，能較好反映涵頂實際受力。本發(fā)明研究建立的適用于高填方涵洞涵頂垂直土壓力計算方法，綜合考慮了填土高度、跨徑、地形條件、地基模量、減荷措施等因素的影響，解決了現(xiàn)有規(guī)范中沒有考慮涵洞結(jié)構(gòu)、填土介質(zhì)、地形條件及地基的共同作用等因素致使設(shè)計計算結(jié)果與涵洞實際受力相差較大，避免了因設(shè)計過于保守造成的材料浪費及設(shè)計荷載不足導(dǎo)致的涵洞結(jié)構(gòu)安全隱患，在保證涵洞結(jié)構(gòu)安全性的前提下，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益明顯。采用本發(fā)明的研究成果，一方面能大大降低涵洞病害的發(fā)生，有效的提高了高填方涵洞結(jié)構(gòu)的使用壽命及正常運營。另一方面，本公式由于綜合考慮了填土高度、跨徑、地形條件、地基模量、減荷措施等因素對涵頂垂直土壓力分布的影響，計算結(jié)果較為接近涵頂實際受力情況，能節(jié)省大量工程投資并縮短涵洞工程施工周期。當(dāng)前第1頁1 2 3