明洞EPS板和土工格栅减载效果研究

崔建龙，王起才，李 盛

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

为了经济合理地设计明洞结构，探索以变形调整应力的减荷措施至关重要。模型试验表明，沿着明洞轴向填筑变厚度(与填土高度之变化相对应)的柔性填料层，可以显著地改善明洞洞顶填土的应力状态，不仅使土压力大为减小，还可使洞顶压力之纵向分布趋于均匀，以减小其不均匀沉降。文献[1-2]根据模型试验和数值模拟计算，找出了高填土涵洞土压力随填土高度成非线性变化以及高填土涵洞上方拱效应的规律。文献[3-4]通过室内土压力模型试验及有限元分析，对涵洞采取柔性填料或铺设EPS板减载措施，提出有无减载措施时涵顶土压力的计算公式。本文借鉴高填土涵洞的研究思路及部分成果，将减载措施推广应用到高填土明洞上，回归分析得出适合明洞有无EPS板减载的土压力计算公式，并结合室内试验结果，进一步研究各个减载方案的减载效果。

1 高填土明洞减载原理

高填土明洞的减载原理与高填土涵洞类似。国内工程中所用涵洞几乎全属刚性涵洞，涵洞近乎于不可压缩。两侧与涵洞(包括刚性基础)同高填土层可以压缩，导致涵洞两侧外土柱沉降大于涵顶内土柱沉降，在涵顶平面内外土柱间出现沉降差+δ。在填土施工期间及工后固结过程中，涵洞两侧外土柱对内土柱产生向下的摩擦力(即附加土压力)，从而使涵顶垂直土压力大于涵顶内土柱自重压力。而柔性涵洞(如波纹铁皮管涵)则正好相反，涵顶平面内外土柱间的沉降差为－δ，于是外土柱对内土柱产生向上的有利摩阻力，从而使涵顶垂直土压力小于内土柱自重压力。在土力学中，把这类移动的土体将部分自重压力通过摩擦力的形式转给相对静止的土体，从而使移动土体向下的压力减小的这一现象，称之为土拱效应。可见填土中要产生土拱效应必须具备填土高度与－δ沉降差两个条件。

顾安全[3]在研究土压力减载时，把各种因素对涵洞等结构土压力的影响，归结为参数δ的变化。为了改变明洞顶高填土的应力集中现象，促使土压力减小，就须采用人工措施。本文根据加筋减载结构设计理论探讨高填土明洞的减载方法。

2 室内试验

2.1 填土压实度对明洞土压力的影响

一明洞位于西北地区，其所在区域广泛分布黄土，因此实验室内及现场填筑时均采用黄土。实验室测得的试验用黄土基本物理力学参数如表1。

表1 黄土的基本物理力学参数

采用液塑限联合测定法，得出试验黄土的液限wl=27.2%，塑限wp=13.6%，可知塑性指数Ip=(wlwp)×100=13.6。使土达到最大干密度的含水率称最优含水率。采用轻型击实试验，通过试验得到最大干密度ρd约1.98 g/cm3，其对应的含水率约为15%。将此作为实验室每层填土压实与否的标准，分层压实以满足压实度要求。

根据相似理论制作护拱，几何缩小比例取1∶30，模型长、宽、高分别为 1.00，0.60，0.23 m。试验在兰州交通大学岩土大厅现有基坑(长3.0 m，宽1.8 m，高2.6 m)内进行，边界及地基条件均与现场实际相符。

不同压实度下明洞顶土压力随填土高度变化规律如图1所示。

图1 不同压实度下明洞顶土压力随填土高度变化规律

由图1可知:①无论压实度怎样变化，土压力随填土高度变化具有相似的规律，土压力并不随填土高度h呈线性变化，而呈非线性变化。在填土较低(＜0.4 m，模拟填土高度＜12.0 m)时，土压力随填土高度增加而增加，呈近似的线性变化;而后，随着填土高度的继续增加，土压力随填土高度的增加逐渐趋于平缓。②不同压实度下土压力随填土高度增加具有相似的规律，填土的压实度越大，模型顶部土拱效应越明显。

为了更深入地研究减载效果，选择压实度85%的方案进行研究。

2.2 EPS板对明洞土压力减载的影响

在高填土涵洞顶部铺设具有一定压缩性质的材料来减少正沉降差，并产生负沉降差，使外土柱对内土柱产生向上的附加摩擦力，从而使外土柱和涵洞共同承担涵顶的土柱压力，达到减小作用于涵顶土柱压力的目的。

EPS板减载试验工况:①无减载措施;②铺设不同厚度的EPS减载板。

1)工况1试验

将模型护拱放入基坑相应位置，以25 cm为一层分层填筑黄土并夯实，布置好标定过的土压力盒后，开始测试相应高度下的土压力值。

2)工况2试验

在护拱上方铺设EPS板，然后每25 cm一层分层填筑黄土并夯实。工况2试验如图2所示。

3)试验测试数据及结果分析

有无EPS减载板明洞拱脚土压力及公式计算土压力随填土高度变化曲线见图3。

图2 工况2试验示意

图3 明洞拱脚土压力随填土高度变化曲线

由图3可见，随着填土高度的增加，铺有EPS板的拱顶、拱脚土压力均小于未采取减载措施的土压力。说明此时EPS板发挥了减载作用。通过数据分析可以看出，洞顶的垂直土压力约为未减载土压力的1/2～2/3。

不同EPS板厚度时明洞顶土压力随填土高度变化曲线见图4。

图4 明洞顶土压力随填土高度变化曲线

由图4可得出，当填土低、洞顶及侧压力小时，EPS板处于弹性状态，压缩变形很小，洞顶土压力相差不大，减载效果不明显。当填土到一定高度，洞顶压力超过EPS板的屈服值，产生较大的塑性压缩变形，从而使土压力的值减小，且明洞顶与洞侧铺设的EPS板愈厚，EPS板的压缩变形愈大，明洞顶的土压力愈小。EPS板越厚，减载效果越好，但减载增量逐渐变小。

2.3 EPS板和土工格栅对明洞土压力减载的影响

在EPS板基础上铺设土工格栅，加大了内外土柱的沉降差，使中间土体受到两侧土体向上的剪切力，从而使传递到明洞顶的土压力减小，同时沉降差使加筋材料在填土压力作用下向下变形，通过减载材料向上的“提兜”作用，把明洞顶部分垂直土压力荷载传递到外侧的土体上，从而进一步减小明洞顶的土压力。

为研究EPS板和土工格栅共同作用(工况3)的减载效果。试验中在护拱上方铺设一定厚度的EPS板，然后在离拱底75 cm处铺设土工格栅，土工格栅两侧分别用木楔固定在边坡两侧以确保不产生滑移，然后每25 cm一层分层填筑黄土，随着填土高度的增加，测试拱顶、拱脚土压力值。试验测得的拱顶土压力随填土高度变化曲线如图5所示。

图5 不同减载措施下明洞拱顶土压力随填土高度变化曲线

由图5可看出:①在填土高度较低(0.5 m，模拟高度15 m)时，两方案减载效果相近。随着填土高度增加，实测填土高度达到1.5 m(模拟高度45 m)时，EPS板与土木格栅共同减载工况的土压力约为仅使用EPS板减载工况土压力的80%。说明当明洞顶填土达到一定高度后，通过减载材料向上的“提兜”作用，在明洞上方产生的拱效应加强。②在EPS板和土工格栅共同作用下，随着填土高度的增大，土压力呈非线性变化，且变化趋势很平缓。

3 高填土明洞土压力计算公式

由于高填土明洞上方土拱效应特点，用不考虑拱效应的土柱法计算土压力进行其结构设计过于保守而不经济，所以文献[1]提出的非线性土压力计算方法在高填土明洞中应用更合理，考虑了高填土涵洞上方存在拱效应以及土拱效应不稳定的特点。文献[1]认为，在填土高度增加过程中，有部分土压力传递到明洞顶。其计算的土压力高于具有稳定土拱的普氏理论和太沙基理论计算值，但明显低于不考虑拱效应的土柱法计算的土压力。并提出理论与经验结合的非线性数学模型

式中:ξ，n 为回归系数，0＜n＜1。

本文通过考虑相似关系，根据室内试验数据，编程回归出有无EPS板减载措施的非线性拱顶土压力计算公式。

根据工况1试验数据回归土压力计算公式为

根据工况2试验数据回归土压力计算公式为

式中，k是与EPS板厚度等有关的系数，其值可近似取e－10.7616t，t为 EPS板厚度，0 ＜k＜1。

根据工况3试验数据回归土压力计算公式为

以上回归分析得到的简明公式不具有对比性，只能从数据看出EPS板及EPS板和土工格栅共同作用下明洞拱顶的减载效率。比较式(2)～式(4)及室内测得的数据可知EPS板的减载效率在60%左右，EPS板和土工格栅共同作用下明洞拱顶的减载效率在70%左右。由于减载效果好，柔性材料减载在实际工程中有广阔的应用前景。

4 结论

本文通过理论分析及模型试验对高填土明洞上方应用EPS板及土工格栅的减载效果进行了研究，得到以下结论:

1)根据实验室模型试验数据，通过回归分析拟合出比较适合明洞高填土结构有无EPS板时及EPS板与土工格栅共同作用时的拱顶土压力计算公式。

2)明洞顶采用低压实土填筑引起的“土拱效应”随着填土高度的增加变得明显;EPS板厚度越大，减载效果越明显，但减荷增量逐渐变小。在高填土明洞顶铺设EPS板，使得明洞顶上方土体应力进行了重分布，从而有效减小明洞顶土压力，改善了明洞结构受力，其减荷措施切实有效。

3)通过在明洞顶上方一定宽度和高度范围内用低压实度土填筑，并分别采用在拱顶铺设不同厚度的EPS板，及EPS板和土工格栅共同减载方案可知，在等沉面高度以下范围内，EPS板厚10 cm左右减载效果接近最佳;若要提高减载效果，避免格栅或EPS板变形过大导致破坏的可能性，可以选择EPS板和土工格栅共同减载方案。

[1]杨锡武，张永兴.山区公路高填方涵洞的成拱效应及土压力计算理论研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(21):3891-3892.

[2]王秉勇.涵洞顶填土压力的讨论及计算[J].铁道工程学报，2002(2):50-54.

[3]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，1981，3(1):3-15.

[4]顾安全，郭婷婷，王兴平.高填土涵洞(管)采用 EPS板减荷的试验研究[J].岩土工程学报，2005，27(5):500-504.