拱涵位移和垂直土压力的数值模拟

刘 熙 阳

(湖北丹江口市远通公路养护建设有限公司,湖北 十堰 442700)

拱涵位移和垂直土压力的数值模拟

刘 熙 阳

(湖北丹江口市远通公路养护建设有限公司,湖北 十堰 442700)

通过数值模拟，对高填方拱涵的土压力和位移进行了数值分析，确定了高填方拱涵的土压力分布规律和位移规律，指出涵顶土压力呈非线性分布特征，不同于现行《公路桥涵设计通用规范》中的土压力线性分布假定。

涵洞,位移,土压力,数值模拟

1 有限元建模和分析

本文利用PLAXIS 2D软件进行建模，模拟计算过程如下：1)根据现场涵洞的几何条件，创建数值模拟的几何模型；2)根据现场涵洞地勘资料和土样的室内试验确定模型所涉及材料的参数，并将参数赋予模型中对应材料；3)对几何模型进行网格划分。网格划分的大小、疏密对计算结果的准确性和精度有较大的影响，本文采用三角形15节点单元的网格对模型进行划分，该类型单元既能满足计算精度，又能够尽可能地减少计算时间；4)设置几何模型的边界条件，对模型底面采用固定约束，对模型两端采用水平约束；5)确定加载步骤，分步对涵洞进行加载，来模拟现场路堤填筑工艺；6)对模型进行计算。在计算模块中进行相应的迭代求解；7)提取计算结果。全部计算完成后，进入后处理模块，提取所要分析的载荷步的数据文件，输出结果图形或从结果文件中提取数据。

2 有限元模型和参数

矩形沟槽拱涵几何模型及网格划分示意图见图1。

本文中数值模拟采用的参数见表1。

3 有限元结果

矩形断面沟埋式拱形涵洞应力分布云图如图2所示。

如图2所示，涵洞顶部土体在逐渐填筑完成后，由于模型中矩形沟槽的影响，涵顶填土受到沟槽的摩擦力，同时涵顶填土给

予沟槽向下的拖曳力，此拖曳力经沟槽土柱传递至其下部土体。这个过程引起洞顶的土压力减小，洞顶的垂直压力部分转移至两侧沟槽区域，沟槽地形能够在一定程度上提供减载影响。上埋式涵洞的涵体位移分布图和涵体土压力分布如图3和图4所示。

表1 数值模拟参数表

如图3,图4所示，对于涵洞的相对竖向位移最大值约为9.4 cm，在涵顶部位涵洞拱圈的顶托作用最强，土压力也最大；涵洞拱圈两侧坡度逐渐增大，对土体的竖向位移阻碍作用逐渐减弱，拱圈靠拱脚部位的土压力不断减小，洞顶土压力形状为上凸曲线分布。这种分布与现行《公路桥涵设计通用规范》中线性土压力分布假定存在一定差异。

4 结语

涵洞拱圈处土体与两侧土体的相对沉降位移最大，顶托作用最强，土压力(强度)最大；涵洞拱圈两侧坡度逐渐增大，对土体的沉降阻碍作用逐渐减弱，其土压力(强度)不断减小，洞顶土压力为上凸曲线分布，与现行《公路桥涵设计通用规范》中线性土压力计算方法存在一定差异。

[1] 马 强,郑俊杰,张 军.高填方涵洞加筋桥减载的现场试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2337-2342.

[2] 郑俊杰,马 强,张 军.加筋减载涵洞的涵顶土压力计算[J].岩土工程学报,2011,33(7):1135-1141.

The numerical simulation of arch culvert displacement and vertical soil pressure

LIU Xi-yang

(HubeiDanjiangkouYuantongHighwayMaintenanceConstructionLimitedCompany,Shiyan442700,China)

Through the numerical simulation, this paper made numerical analysis on soil pressure and displacement of high fill arch culvert, determined the soil pressure distribution rules and displacement rules of high fill arch culvert, pointed out the culvert top soil pressure had nonlinear distribution feature, different from soil pressure linear distribution of currentHighwayBridgeandCulvertGeneralDesignSpecification.

culvert, displacement, soil pressure, numerical simulation

2014-07-16

刘熙阳(1987- )，男,助理工程师

1009-6825(2014)27-0178-02

U442.5

A