高填方涵洞施工力学行为研究

王道远，袁金秀，何本国

(1. 河北交通职业技术学院 土木工程系，石家庄 050091；2. 西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

在我国西部和山区高等级公路建设中，由于受地质地貌条件的限制，有时必须采用高填方涵洞(涵顶填土高度大于18 m的涵洞称为高填方涵洞[1-2])，涵顶填方高度达 60 m，甚至 200 m．其受力机理复杂，土体作用于涵洞的土压力大小与涵顶填土高度、密实度、涵洞的结构形式、地基变形以及土体与涵洞的相对压缩密切相关．由于在一些填土高度不大，结构外部跨度也不大的情况下，常被结构本身的安全所掩盖，而发现不了质量问题．因此，在相当长的时间中，对上埋式涵洞竖向土压力的实际与理论计算的矛盾，未曾引起应有的重视，随着我国高速公路的迅猛发展，高填方路堤下涵洞的受力、变形、沉降与开裂问题已引起了有关方面的普遍关注[3-4]．因此，有关高填方涵洞受力性状、结构计算和涵顶减载措施研究对我国高速公路交通事业的发展有着重大而深远的意义．

1 涵洞数值计算模型的建立

选取某一涵洞实例，建立计算模型，分析涵洞与填土共同工作的力学特性．涵洞为某高速路段一混凝土拱涵，全长 160.5 m，涵顶填土高 36 m，涵洞净宽4 m，净高 3.6 m，拱圈厚 0.7 m，底板厚 1.5 m，涵洞设置在 2 m厚的水泥稳定砂砾垫层上．所建数值计算模型中，涵洞拱圈采用 beam3梁单元，填筑土体采用plane42平面单元．计算模型左右边界均为洞径的 4倍以上，上边界取到自然地表，下边界为隧道高度的4倍以上(即计算宽度左右取 40 m，下取 20 m，上取36 m)，边界条件均采用位移边界条件，上边界为自由面，两侧及底边均受法向约束，底边最左及最右两点为固定约束．破坏准则采用弹塑性破坏准则 Druker-Frager[5-7](简称D-P准则)，利用ANSYS提供的单元生死功能模拟涵顶填土的填筑过程．模型网格划分共得到3 157个单元，3 266个节点，其计算参数如表1所示，涵洞横断面及有限元网格模型如图1－2所示．

表1 平面模型材料计算参数

图1 涵洞横断面

图2 有限元计算网格模型

2 计算结果分析

2.1 涵-土位移分析

在涵顶填土逐层施工完毕后，分别选取距涵顶高度为 0.5 ，2 ，6 ，12 ，20 ，30，36 m 的填土土层，绘制其在相应高度填土土层的沉降变形曲线，如图3所示．

图3 涵顶各土层沉降变化曲线

从图3可以看出，距涵顶0.5～12 m范围内的土层具有明显的“上凸”趋势，其“上凸”段主要分布在距涵洞中心 5 m(约为涵洞半宽的 2.5倍)范围内，而在距涵洞中心2.5倍半宽外土层近似均匀沉降，并且土层在涵顶范围内的沉降明显小于涵顶范围外的沉降值．距涵顶 12～36 m范围内土体几乎没有“上凸”趋势的曲线段，为一平直线，土层均匀沉降，此即为 Marston理论中所述的等沉降面以上均匀变形的土体．尤其在接近路面的 30～36 m范围的土体沉降量几乎相等，受上覆填土的影响甚微．

涵底底部各基层土体沉降曲线如图4所示，从中可以看出，距涵底0～12 m范围内的基层具有一定的“下凹”段，其“下凹”段主要分布在距涵洞中心5 m(约为涵洞半宽的 2.5倍)范围内，而在距涵洞中心 2.5倍半宽外土层近似均匀沉降，并且土层在涵顶范围内的沉降略小于涵顶范围外的沉降值．随着远离涵底，沉降逐渐减少并趋于稳定．值得注意的是，距离涵底最近 0.74 m处的基层沉降曲线与其他有所不同，是由于数值模拟过程中涵底混凝土垫层与周边土体的弹性模量相差较大所致．

由于涵洞结构本身自重较大，并且承担了较多的填土荷载，传至涵底地基中的附加应力比传至涵底侧面地基的附加应力大，因此，涵底范围内的沉降比涵底侧面地基土层的沉降大．

图4 涵底各基层沉降变化曲线

2.2 涵-土应力分析

由于涵顶填土土层的上述变形特性，必然影响涵洞及其周围土体中应力的分布情况．分别选取距离涵顶高度为 0.5，2，6，12，20，30 m 的填土土层，绘制其在相应高度填土土层的竖向应力变形曲线，如图5所示．

从图5可以看出，涵顶各层填土的垂直土压力分布与图3所示的土层沉降变化曲线具有一致的变化规律．距涵顶 0.5～12 m 范围内的土层具有明显的“上凸”趋势，其“上凸”段同样分布在距涵洞中心5 m(约为涵洞半宽的 2.5倍)范围内，而在距涵洞中心 2.5倍半宽外土层应力近似相等，并且土层在涵顶范围内的土压力明显大于涵顶范围外的土压力值．距涵顶 12～36 m范围内土体几乎没有“上凸”趋势的曲线段，为一平直线，即处于同一高度的土层竖向土压力数值几乎相等．

图5 涵顶各土层垂直土压力变化曲线

选取距涵底分别为 0.5，1.6，3.5 m 的填土层，对涵洞侧面填土垂直土压力进行分析，其各填土层的土压力分布曲线如图6所示．

图6 涵洞侧面各土层垂直土压力变化曲线

从图6可以看出，在紧邻涵洞的土层中的垂直土压力有“下凹”趋势，相对远离涵洞的同一土层的垂直土压力要小的多，随着离涵洞距离的增大，同一土层的土压力值逐渐增大至自重应力γh，并趋于稳定．

为了弄清涵洞顶部在填土施工过程中土压力变化的情况，选取距涵顶 0.5 m 高的填土层，随着涵顶土体的填筑，涵洞顶部平面内沿横向垂直土压力分布情况如图7所示．

从图7可以看出，在涵顶填土高度 H＜4 m 时，涵顶应力集中不明显，超过 4 m后随着填土高度的增加，涵顶应力集中越加明显，但该应力集中仅限于涵洞洞跨范围内，超过该范围则逐渐趋于稳定．

引入土压力集中系数 ks( ks=σv/γh)，土压力集中系数随涵顶填土高度变化情况如图8所示，从中可以看出，本工程中最大土压力集中系数主要分布在1.35～1.50之间．

图7 涵顶平面内沿横向垂直土压力分布曲线

图8 ks-h曲线

2.3 计算结果与实测结果的比较

为了直接量测涵顶垂直土压力，在涵顶中心位置沿高度方向每间隔 10 m 布设一个土压力计，共布设15个，编号分别为 G1至 G15，其现场布置如图9所示．

图9 土压力计现场布置

为便于比较，现将现场实测数据、有限元计算值及理论值(γh)绘制成曲线，如图10所示．从图中可以看出，实测涵顶的垂直压力与有限元计算的垂直压力数值较为接近，且均表现出非线性的特点．在填土较低时实测的垂直压力及有限元计算的垂直压力(本工程为 10 m)接近理论值γh，而随着填土高度的增加，垂直土压力明显大于理论值γh．

从图10中还可以看出，当填土高度大于 20 m(对本工程而言)时，涵顶垂直土压力增加逐渐变缓．据此可以推断，若涵顶填土继续增加，涵顶垂直土压力将趋于稳定并收敛于一个定值．

图10 涵顶垂直土压力随高度变化对比曲线

3 结论与建议

(1)高填方涵洞涵顶存在土压力集中的现象，在实际工程中，应认真夯实涵洞两侧部位的填土，或者在涵顶设置柔性填料以达到减载效果及减小涵顶土压力集中的目的．

(2)对涵洞地基的处理应慎重考虑．既要满足实际工程所要求的强度和变形条件，又要考虑其对涵顶处的土压力集中的影响．

［1］ 杨锡武. 山区公路高填方涵洞土压力理论及加筋减荷措施研究[D]. 重庆：重庆大学，2004．

［2］ 顾安全，金 洪. 减荷措施在高填土涵洞中的应用研究[C]// 中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集. 北京：中国科学技术出版社，2002：503-506．

［3］ 林选青. 高填土结构物的竖向土压力及结构设计计算方法[J]. 土木工程学报，1989，22(4)：27-37．

［4］ 杨锡武. 山区公路高填方涵洞土压力计算理论研究综述[J]. 重庆交通学院学报，2005，24(4)：55-61.

［5］ 谭建国. 使用ANSYS 6.0进行有限元分析[M]. 北京：北京大学出版社，2002．

［6］ 刘 涛. 精通 ANSYS[M]. 北京：清华大学出版社，2002．

［7］ 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007．